Tout savoir sur les relais statiques monophasés : avantages et applications

Dans un monde de plus en plus automatisé et axé sur l’efficacité énergétique, les relais statiques monophasés (SSR) se distinguent comme des composants essentiels dans les systèmes de chauffage et d’éclairage modernes. Ces dispositifs, tout sauf ordinaires, remplacent les relais électromécaniques traditionnels par une technologie électronique qui offre des avantages considérables : des commutations ultra-rapides, un fonctionnement totalement silencieux et une durée de vie exceptionnelle. Mais comment fonctionnent exactement ces relais ? Pourquoi sont-ils devenus incontournables dans des applications aussi variées que le chauffage industriel, les systèmes de ventilation, ou encore l’éclairage domestique et professionnel ? Dans cet article, nous allons explorer en détail le fonctionnement des SSR monophasés, leurs avantages face aux relais électromécaniques et leurs applications concrètes dans le monde industriel et résidentiel. Préparez-vous à découvrir pourquoi ces relais statiques sont la solution idéale pour une gestion précise, fiable et silencieuse de vos installations électriques.

1-Fonctionnement des relais statiques monophasés

Les relais statiques (SSR) monophasés sont des dispositifs de commutation non mécaniques qui utilisent des composants semi-conducteurs (comme des triacs ou des thyristors) pour contrôler des charges en courant alternatif. Lorsqu’une petite tension de commande est appliquée aux bornes d’entrée, elle active une LED interne. La lumière de cette LED est détectée par un composant photosensible (un phototransistor ou un dispositif similaire), qui déclenche ensuite l’interrupteur semi-conducteur principal pour permettre au courant de circuler vers la charge. Cette isolation optique entre le circuit de commande et le circuit de charge empêche les bruits électriques et fournit une couche de sécurité supplémentaire. Cela rend les SSR particulièrement avantageux dans les environnements où les interférences électromagnétiques pourraient perturber les électroniques de commande sensibles.

Réputés pour leur fonctionnement silencieux, leurs temps de réponse rapides et leur grande durabilité, les SSR sont particulièrement efficaces dans les applications où la précision et la longue durée de vie sont essentielles, comme les systèmes de chauffage électrique et le contrôle de l’éclairage.

2-Principaux avantages des relais statiques monophasés

Avantages dans les applications de chauffage et d’éclairage

Dans les applications de chauffage, les SSR monophasés peuvent commuter rapidement la puissance vers les éléments chauffants pour maintenir une température constante, évitant ainsi les dépassements et chutes de température souvent observés avec des relais mécaniques plus lents dans leur fréquence de commutation. Pour l’éclairage, en particulier avec des lampes à incandescence ou halogènes, les SSR peuvent fournir un contrôle en mode gradateur grâce à une technique appelée contrôle à angle de phase, qui module la quantité de puissance fournie à la lampe. Le fonctionnement silencieux, la longue durée de vie et l’absence d’arc électrique en font un excellent choix pour les environnements résidentiels et industriels, améliorant à la fois les performances du système et la sécurité.

Avantages par rapport aux relais électromécaniques (EMR)

Pour les applications de chauffage et d’éclairage nécessitant un contrôle précis, les SSR monophasés offrent plusieurs avantages clés par rapport aux EMR :

Plus longue durée de vie : Sans pièces mobiles sujettes à l’usure ni contacts susceptibles d’arc ou de dégradation, les SSR peuvent durer des millions de cycles. C’est un avantage crucial dans les systèmes qui exigent des commutations fréquentes pour maintenir une température stable.
Commutation plus rapide : Les SSR peuvent commuter en quelques millisecondes, beaucoup plus rapidement que les 10–20 ms typiques d’un EMR. Cette rapidité est essentielle pour des méthodes de contrôle sophistiquées comme le contrôle proportionnel-intégral-dérivé (PID), qui module rapidement la puissance vers le chauffage afin d’éliminer les fluctuations de température.
Fonctionnement silencieux : L’absence de contacts mécaniques signifie que les SSR fonctionnent silencieusement, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans les environnements résidentiels, médicaux et autres environnements sensibles au bruit.
Réduction des EMI : La commutation au passage par zéro réduit considérablement les interférences électromagnétiques (EMI) et les interférences radiofréquences (RFI), qui peuvent être un problème majeur avec les EMR.

3-Caractéristiques techniques

celduc® relais offre une gamme complète de relais statiques monophasés.

Les relais statiques monophasés possèdent des spécifications qui varient selon les modèles, mais certaines caractéristiques restent communes. Ils sont idéaux pour contrôler des charges résistives, bien que certains modèles puissent également gérer des charges inductives. En termes de tension nominale, les SSR monophasés sont généralement compatibles avec des plages allant de 24 à 660 VAC, offrant une grande polyvalence pour diverses applications électriques. Le courant nominal des SSR varie en fonction du modèle, avec des plages standard allant de 10 à 125 ampères, ce qui permet de s’adapter à des besoins spécifiques en fonction de la charge à contrôler.

Pour garantir une dissipation thermique efficace et éviter la surchauffe, les SSR nécessitent l’utilisation de dissipateurs thermiques et d’une interface thermique. Ces éléments sont essentiels pour maintenir une température de fonctionnement optimale et prolonger la durée de vie des relais. Enfin, concernant la tension de commande, les SSR sont généralement conçus pour fonctionner avec une plage de 3 à 32 VDC, ce qui les rend compatibles avec des systèmes de contrôle tels que les automates programmables (PLC) et d’autres types de contrôleurs.

4-Applications de contrôle de température

Fonctionnement des SSR pour les applications « chauffage »

La plupart des SSR conçus pour les applications de chauffage utilisent une fonctionnalité appelée commutation au passage par zéro. Cela signifie que le relais ne s’active que lorsque la forme d’onde de la tension AC traverse la ligne de zéro volt. Cela minimise le courant d’appel et le bruit électrique haute fréquence pouvant être générés lors de la commutation de charges résistives, prolongeant ainsi la durée de vie de l’élément chauffant et protégeant les autres équipements sensibles du système.

Dans les systèmes de chauffage électrique (comme les fours, chauffages industriels et chauffages de sol), les SSR contrôlent les charges résistives en activant et désactivant l’élément chauffant en fonction des signaux d’un régulateur de température ou d’un automate programmable (PLC). Voir l’exemple de schéma ci-dessous :

Exemples d’applications pour le pilotage d’éléments chauffants monophasés

Les SSR sont utilisés dans une large gamme d’applications de chauffage où un contrôle de température stable, précis et fiable est nécessaire, telles que :

Fours et étuves industriels

Dans des industries comme le plastique, la céramique et l’agroalimentaire, les fours et étuves industriels nécessitent un contrôle de température extrêmement précis pour assurer une qualité constante des produits. Un SSR, contrôlé par un régulateur de température, peut commuter rapidement un élément chauffant monophasé pour maintenir un point de consigne précis, évitant les dépassements et chutes de température.

Injection plastique

Le cylindre et la buse des machines d’injection plastique sont équipés de zones de chauffe nécessitant une régulation précise de la température. Les SSR monophasés sont utilisés pour contrôler ces éléments chauffants, garantissant que le matériau plastique est à la température exacte requise pour le moulage sans dégradation.

Systèmes HVAC

Dans les systèmes modernes de chauffage, ventilation et climatisation (HVAC), les SSR monophasés sont souvent utilisés pour contrôler les éléments chauffants électriques dans les conduits d’air. Leur commutation rapide et leur fonctionnement silencieux permettent un chauffage efficace et confortable. Ils peuvent également être utilisés dans les plinthes chauffantes résidentielles et les systèmes de chauffage au sol haute tension.

Équipements alimentaires professionnels

Les SSR monophasés sont largement utilisés dans les appareils de cuisine professionnels tels que les cafetières commerciales, les friteuses et les grills. Ils offrent un contrôle de température fiable et précis, indispensable pour garantir des résultats de cuisson constants et une efficacité énergétique.

5- Applications de contrôle de l’éclairage

Fonctionnement des SSR dans les applications d’éclairage

Deux méthodes de commutation courantes sont utilisées avec les SSR monophasés dans l’éclairage :

Commutation au passage par zéro : Ce type de SSR ne s’active que lorsque la forme d’onde de tension AC traverse la ligne de zéro volt. C’est idéal pour la simple mise sous/hors tension des lampes. En s’activant au passage par zéro, il minimise le courant d’appel courant avec les lampes à incandescence et halogènes. Ce courant d’appel peut atteindre 10 à 15 fois le courant nominal de fonctionnement d’une lampe, et la commutation au passage par zéro permet de réduire le stress sur le filament de la lampe, prolongeant sa durée de vie.

Contrôle à angle de phase : Cette méthode est utilisée pour les applications de gradation. Un SSR contrôlé à angle de phase, souvent appelé « SSR à contrôle analogique », n’attend pas le passage par zéro. Au lieu de cela, il est déclenché à un point spécifique de chaque demi-cycle de la forme d’onde AC. En contrôlant le moment de ce déclenchement, on peut faire varier la quantité de puissance fournie à la lampe, contrôlant ainsi sa luminosité. Une petite tension ou un petit courant de commande (0–10 VDC ou 4–20 mA) est utilisé pour contrôler précisément le point de déclenchement. Voir l’exemple de schéma ci-dessous :

Exemples d’applications d’éclairage utilisant des relais statiques monophasés

Les SSR monophasés sont utilisés dans une variété d’applications d’éclairage, allant de la simple mise sous/hors tension aux systèmes de gradation complexes tels que :

Éclairage résidentiel et commercial

Dans les systèmes domotiques et les bâtiments intelligents, les SSR sont utilisés pour contrôler des groupes de lampes. Leur longue durée de vie et leur fonctionnement silencieux en font une alternative fiable aux interrupteurs muraux traditionnels ou aux contacteurs. Pour l’éclairage gradable, un SSR à contrôle d’angle de phase peut être intégré à un variateur ou une unité de contrôle centrale pour offrir des ajustements de luminosité fluides et précis.

Éclairage théâtral et scénique

Pour les productions théâtrales et les concerts, les SSR sont essentiels pour contrôler les effets lumineux. Leur vitesse de commutation rapide permet des effets de poursuite et de stroboscopie parfaitement synchronisés. Le contrôle à angle de phase permet aux concepteurs lumière de créer une large gamme d’ambiances et d’effets visuels grâce à un contrôle granulaire de la luminosité.

Éclairage public et industriel

Dans les espaces publics comme les rues, les aéroports et les entrepôts, de larges bancs de lampes peuvent être contrôlés efficacement avec des SSR. La commutation au passage par zéro est souvent utilisée ici pour gérer les courants d’appel élevés de nombreuses lampes à décharge ou LED simultanément. La fiabilité des SSR garantit que les systèmes d’éclairage public sont moins sujets aux défaillances et nécessitent peu de maintenance.

Systèmes d’éclairage de secours

Les SSR peuvent être utilisés dans les systèmes d’éclairage de secours pour activer immédiatement l’éclairage de secours en cas de panne de courant. Leur temps de réponse rapide et leur fiabilité sont essentiels dans les applications critiques pour la sécurité.

Conclusion

Les relais statiques offrent une solution robuste, fiable et efficace pour les applications modernes de chauffage et d’éclairage. Leur précision et leur durée de vie en font un choix privilégié dans les environnements industriels, commerciaux et résidentiels. À mesure que la demande pour des systèmes écoénergétiques et contrôlés numériquement augmente, les SSR continueront d’être un composant essentiel dans l’automatisation et les infrastructures intelligentes.