LES RELAIS STATIQUES.

Merveilles électroniques issues des technologies actuelles, ces dispositifs remplacent très allègrement les anciens composants électromécanique en éliminant radicalement les nombreux inconvénients que présentaient ces derniers. Nous n’allons pas ici refaire l’histoire, je vais me contenter d’expliciter le fonctionnement de ces nouveaux composants et insister sur leurs caractéristiques les plus notables. La Fig.2 présente le composant sélectionné pour ce montage élémentaire. En S se trouvent les deux grosses vis du bornier de puissance alternative du Secteur 220V. Elles matérialisent un commutateur de puissance C. (Voir le principe de fonctionnement d’un relais statique en Fig.3) Comme cet organe coupe ou établit des courants électriques qui peuvent aller jusqu’à 40 ampères en régime continu et encore bien plus considérables sur des transitoires, on se doute que le fil de cuivre pour la liaison électrique sera de diamètre important. Dans ces conditions il faut un bornier sérieux. En P se trouve le bornier de pilotage qui lui va être parcouru par des courants dérisoires sous des tensions inférieures à 32V. Il serait possible d’utiliser des vis de bridage bien plus modestes, mais comme nous sommes dans le domaine « industriel », les tout petits tournevis sont bannis. Il faut du costaud !
Entre l’électronique de puissance S et celle de pilotage P, en interne existe une isolation galvanique de sécurité. Cette isolation avoisine 1000MΩ de résistance, l’isolation optique pouvant résister à des tensions entre les deux circuits jusqu’à 4000V». Cette particularité relative à la sécurité électrique nous permettra de brancher le système sur le secteur, tout en programmant le dispositif à
microcontrôleur qui par une sortie binaire attaquera le bornier de pilotage. La sécurité électrique sera totale si on respecte pour les branchements et la réalisation de cette interface les protocoles d’utilisation prévus par le concepteur du relais statique. Au passage, notez que le qualificatif statique est employé car dans un tel dispositif il n’y a strictement aucune pièce mécanique en mouvement. Tout est figé sur une puce électronique interne. En revanche, pour la commutation on peut hacher à convenance à des cadences très élevées, ce n’est pas l’électronique qui ralentira le processus mais la synchronisation avec les ondulations du secteur, on va y revenir.

Principe de fonctionnement.

Considérons le schéma de base sur la Fig.3 qui illustre un tel dispositif en situation. De la fiche secteur on vient en 1 en ayant intercalé une Charge quelconque. En 2 on retourne vers la fiche. Les deux fils N et L peuvent librement être inversés, de même que l’on peut aussi intercaler la Charge entre 2 et L. Ces branchements externes sont indifférents électriquement, pourvu qu’un appareil quelconque limite le courant électrique si le commutateur C se ferme. Dans la réalité, ce commutateur C est constitué d’une électronique interne E qui « regarde » en permanence « et de loin » si la diode électroluminescente D est allumée ou éteinte. Si entre les deux petites bornes 3 et 4 de pilotage P on injecte un courant suffisant pour allumer D, le commutateur C se ferme et la Charge est alimentée. Si en P il n’y a pas de courant ou que ce dernier est insuffisant, C s’ouvre et la Charge n’est plus sous tension. La résistance R limitera le courant dans D en fonction de la tension de pilotage. Concrètement, l’optoélectronique E est constituée d’un phototransistor orienté vers D qui à son tour va piloter toute un circuit complexe en liaison galvanique avec la ligne secteur interne.

Améliorations fondamentales.

Plusieurs sources de problèmes ont été radicalement éliminées par ces dispositifs modernes. La première défaillance des relais électromécaniques résultait des étincelles de rupture qui à la longue faisaient charbonner les contacts du commutateur mécanique. La résistance électrique de passage du courant augmentait, avec pour conséquence un échauffement des « grains ». En outre les arcs électriques de commutation engendraient des parasites hertziens dans l’environnement proche des armoires électriques. Enfin, comme on coupait le contact à des instants quelconques, il s’en suivait des surtensions si la rupture s’effectuait sur des charges inductives.
L’usure et la détérioration des contacts n’existe plus, puisque ce sont des composants électroniques qui interposent des barrières de potentiel ou laissent brutalement passer les électrons. Plus de contact égal ni d’étincelles, ni d’usure. Il ne restait que deux inconvénients notables à éliminer.
Le composant électronique qui assure la commutation chauffe directement en fonction du courant qu’il commute. Les surtensions de rupture sur charges inductives sont d’autant plus violentes que la coupure électrique se fait à un courant important. On a définitivement éliminé ces deux inconvénients en effectuant les commutations à « énergie nulle », la Fig.4 va nous permettre de comprendre le principe de cette synchronisation.

L’oscillogramme présente en bleu le signal de pilotage P. En rouge on retrouve la sinusoïde de variation de la tension alternative du secteur 220V». La moitié gauche X est représentative d’une technologie un peu ancienne lorsque la synchronisation n’était pas intégrée dans l’électronique de commutation. Le signal de pilotage en A allume la diode électroluminescente, le commutateur électronique se ferme immédiatement en B. Comme la demande se fait aléatoirement, dans notre exemple on frise le pire des cas car la tension est presque maximale. Le dégagement de chaleur sur le circuit intégré sera maximal. Puis, toujours aléatoirement en C on désire la coupure. Pas de chance, cette dernière intervient en D lorsque l’alternance négative est presque à son maximum. Non seulement le dégagement de chaleur sera maximal, mais si la charge est inductive, la surtension de coupure S sera virulente. En Y nous avons la représentation du comportement d’un composant actuel. Toujours aléatoirement, le pilotage binaire en E commande une commutation. L’électronique interne surveille la tension du secteur. Ce n’est que lorsque cette dernière passe par zéro volts en F le la liaison électrique est établie. Comme on commute à courant nul, la chaleur dégagée dans le transitoire sera minimisée. Puis en G la diode électroluminescente est éteinte. Comme pour l’établissement de la conduction, l’électronique continue à surveiller la tension du secteur. Ce n’est qu’à l’annulation de cette dernière que l’électronique passe en isolation. On commute à courant nul, ce qui minimise la chaleur dégagée lors du transitoire, et surtout élimine toute surtension si la charge est inductive. Plus de pollution hertzienne à redouter, c’est un avantage incontestable. La Fig.5 reprend les repères de la Fig.3 et lui ressemble étrangement. Le commutateur C est symbolisé par un thyristor plus proche de la réalité. Quand à l’électronique E elle surveille D à droite, mais également la tension du secteur à gauche. Nous pouvons passer à l’étude du schéma complet.

Schéma électronique du projet complet.

Électronique est presque exagéré, car c’est surtout des fils électriques de forts diamètres que nous allons avoir à câbler. Examinons la Fig.7 qui expose dans toute sa complexité ce que nous allons devoir assembler. Il n’y a vraiment pas grand chose, pas la peine d’envisager un circuit imprimé pour si peu. Deux prises femelles servent à distribuer l’énergie sur deux appareils distincts pour des raisons de commodité. (Charge) Notez que pour assurer un maximum de sécurité chaque prise possède son propre fusible, ces derniers étant dans le retour de la phase L. Pour minimiser l’encombrement du coffret on évite un « fil à la patte » par l’usage d’une prise mâle qui sera reliée au secteur de distribution électrique au moyen d’une rallonge capable de conduire un courant de 16 ampères. Le radiateur sur lequel est immobilisé le module intégré D-38Z40 avec interposition d’une graisse conductrice de la chaleur est relié à la terre. Cette précaution n’est pas totalement inutile car les boulons de liaison entre le radiateur et le coffret dépassent sur le dessous. La résistance R ne fait que 47Ω car une diode électroluminescente de visualisation DV est intercalée en série.

Prévu pour des composants dont le boîtier est de type TO3 les radiateurs du commerce ont généralement autant d’ailettes de refroidissement sur le dessus que sur le dessous. C’était le cas pour celui qui équipe le prototype de l’interface. Un relais statique D-38Z40 est bien plus large et plus long qu’un encapsulage de type TO3. Pour la longueur c’est parfait car on peut ajouter deux trous de fixation et centrer le composant. En revanche, la largeur est trop importante. Comme montré sur la Fig.6, il a fallu enlever deux ailettes sur le dessus. Cette opération est aisée à pratiquer car l’aluminium se scie et se lime facilement. Pour améliorer le contact thermique entre le module électronique et son radiateur de refroidissement, de la graisse silicone est étalée sur les deux surfaces en contact. Ce n’est pas indispensable, mais si vous possédez un tube de ce matériau ce serait dommage de ne pas s’en servir.

Le maillon faible.

Pour des raisons de commodité, il est prévu deux prises pour distribuer l’énergie sur deux appareils différents. Chacune serait capable de fournir 16 ampères, mais le cordon secteur d’arrivée transporte le courant total. Il devient indispensable de dimensionner les fusibles indépendants pour chacune de ces deux prises en tenant impérativement compte de cette contrainte. On peut limiter à égalité de 8 ampères pour chaque sortie, mais ce n’est absolument pas une obligation. Par exemple il sera aisé de trouver des fusibles de 10A, 12A etc. On peut opter pour une prise à « forte puissance » capable de fournir 12A par exemple, l’autre étant limitée à 4A. Dans ce type de solution il faudra bien documenter le boîtier, car toute interversion des appareils branchés détruira le fusible le plus faible. Si un seul appareil dont la puissance frise les 3,5kW est connecté, on peut placer pour l’une des deux prises un fusible de 16A et condamner la deuxième. Par exemple on enlève le fusible qui la protège et l’on insère dans cette dernière un bouchon qui cache les prises quand dans la maison des petits garnements cherchent à insérer des objets divers partout ou c’est possible. Se cache évitera d’indiquer sur le coffret quelle est la prise actuellement active.

La suite est ici.

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