Blog - EXPERTISES & INNOVATIONS - Relais statiques - Relais statiques pour courant continu
Dans un relais statique pour courant continu (DC SSR), différentes technologies à semi-conducteurs sont utilisées pour commuter la charge en courant continu. Les principales technologies généralement employées dans ces relais sont les MOSFETs, les IGBTs (transistors bipolaires à grille isolée) et les BJTs (transistors bipolaires à jonction). Chacune de ces technologies présente ses propres avantages et inconvénients, et leur choix dépend des besoins spécifiques en termes de tension, de courant, de rapidité de commutation et d’efficacité.
Contrairement à un relais statique AC intégrant une fonction de verrouillage, le courant circule dans le circuit de commande d’un relais statique DC et le maintient actif jusqu’à la suppression du signal d’entrée. Le courant de sortie est continuellement proportionnel au courant de commande d’entrée traversant l’optocoupleur. La tension à l’état passant est similaire à celle d’un relais statique AC, ce qui est à l’origine de la chaleur générée qui doit être dissipée ; de ce fait, les exigences de dissipation thermique sont les mêmes que pour un relais statique AC.
celduc® relais offre une gamme complète de relais statiques pour courant continu jusqu’à 1700Vdc, 0 à 150A.
Explorons chacune de ces technologies en détail :
Les MOSFETs sont très efficaces pour faire passer le courant rapidement tout en consommant peu d’énergie. Ils sont particulièrement adaptés aux appareils à faible tension qui ont besoin de réponses rapides, comme les systèmes électroniques embarqués dans les voitures, les panneaux solaires ou les alimentations d’ordinateurs.
Les MOSFETs sont un type de transistor à effet de champ (FET) utilisés pour commuter des courants continus. Le courant y est contrôlé par la tension appliquée à la borne de grille, qui est isolée du reste du composant par une fine couche d’oxyde. Lorsqu’une tension suffisante est appliquée à la grille, le MOSFET devient conducteur et permet au courant de circuler entre le drain et la source.
Les MOSFETs sont capables de commuter très rapidement, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications à haute fréquence. Leur commande nécessite très peu de courant, ce qui simplifie les circuits de contrôle. Ainsi, ils sont privilégiés dans les relais statiques pour des applications à faible ou moyenne puissance, comme les alimentations à découpage, les systèmes de gestion de batterie, les interfaces microcontrôleurs, ou encore les dispositifs embarqués dans les véhicules et les systèmes solaires.
Voici quelques exemples d’applications :
Imaginez un chargeur de batterie solaire. Un relais statique DC avec MOSFET permet d’activer ou de désactiver la connexion entre la batterie et le chargeur, en fonction du niveau ou de la température de la batterie. Le tout, rapidement et silencieusement, sans contact mobile.
2-Relais statiques DC à IGBT (Transistor bipolaire à grille isolée)
Les IGBTs, eux, sont capables de gérer des puissances beaucoup plus importantes. Bien que leur vitesse de commutation soit inférieure à celle des MOSFETs, elle reste suffisante pour de nombreuses applications industrielles, en particulier celles où la priorité est donnée à la puissance plutôt qu’à la rapidité. Ces transistors sont couramment utilisés dans les relais statiques de forte puissance, notamment dans les variateurs de vitesse pour moteurs industriels, les onduleurs, les systèmes de conversion d’énergie pour véhicules électriques, ainsi que dans les réseaux de distribution d’énergie ou les installations de production renouvelable.
Lorsqu’une tension est appliquée à la grille, l’IGBT devient conducteur et permet au courant de passer entre le collecteur et l’émetteur. Les IGBTs sont connus pour leur capacité à gérer de grandes tensions et de forts courants.
Dans une borne de recharge pour véhicule électrique, un relais statique DC à base d’IGBT est utilisé pour connecter ou déconnecter l’alimentation courant continu haute tension de la batterie. L’IGBT assure une commutation fiable, gère les charges importantes en toute sécurité et fonctionne sans usure mécanique.
Enfin, les transistors bipolaires à jonction (BJTs) constituent une autre famille de composants encore utilisés dans certains relais statiques DC. Contrairement aux deux technologies précédentes, les BJTs sont commandés par un courant, qui doit être maintenu sur la base pour que le transistor reste conducteur entre le collecteur et l’émetteur. Ce type de transistor offre une excellente capacité de gestion du courant, ce qui le rend utile dans des applications nécessitant des intensités élevées sous de faibles tensions. Toutefois, leur vitesse de commutation est inférieure à celle des MOSFETs et IGBTs, et ils présentent généralement des pertes plus importantes lors des transitions entre les états de conduction et de blocage. Ces limitations les rendent moins adaptés aux applications à haute fréquence, mais ils conservent un intérêt dans des systèmes comme les chargeurs de batteries, les alimentations linéaires, ou encore certains circuits d’amplification de puissance et de commande de moteurs où la rapidité est moins critique.
Les relais statiques DC à technologie bipolaire utilisent des transistors bipolaires à jonction (BJTs). Leur fonctionnement est donc basé sur un transistor à trois couches (émetteur, base, collecteur). Lorsqu’un petit courant est appliqué à la base, cela permet à un courant beaucoup plus important de circuler entre le collecteur et l’émetteur. Ce sont des composants commandés en courant : un courant de base doit être maintenu pour que le transistor reste conducteur.
Les transistors agissent en effet comme des interrupteurs électroniques activés ou désactivés avec une petite tension.
Dans certains systèmes de convoyeurs industriels, la bande transporteuse doit se déplacer à la fois en avant et en arrière selon les besoins opérationnels (par exemple, pour repositionner des matériaux, éliminer des blocages ou effectuer des diagnostics). Cela nécessite d’inverser la polarité de l’alimentation du moteur à courant continu, ce qui entraîne un flux de courant bidirectionnel à travers le moteur. Comme le changement de direction ne se produit pas fréquemment pendant le fonctionnement, la vitesse de commutation n’est pas critique, ce qui fait des relais statiques DC bipolaires (SSR) une alternative économique et à semi-conducteurs aux relais électromécaniques ou aux circuits de commande de moteur complexes.
Alimentations continues (convertisseur type hacheur et onduleur, …)
Commutation de signaux (équipements de tests, …)
Electro-aimants (freins moteur asynchrone, …)
Résistances chauffantes (climatisation des trains, tramways, …)
Batteries (bateaux, énergie solaire, …)
Moteurs DC (ponts roulants, grues, engins de chantier, …)
En résumé, selon le type d’appareil et les exigences de puissance ou de rapidité, on choisira l’une ou l’autre de ces technologies pour la sélection d’un relais statique performant et fiable. Les MOSFETs conviennent bien aux charges à faible tension nécessitant des commutations rapides, les IGBTs sont parfaits pour les systèmes de puissance moyenne à élevée, tandis que les BJTs peuvent encore être pertinents dans les applications à forte intensité où la vitesse n’est pas le critère principal.
Voici un graphique comparatif simple et visuel qui résume les différences entre les trois technologies de relais statique pour courant continu :
Service commercial France :
+33 (0) 4 77 53 90 20
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Service commercial Export Asie :
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