Un relais de puissance 220 Vca 13 A sans contact pour tableau électrique

Ce relais statique permet de commander toute charge alimentée en 220 Vca et consommant jusqu’à 13 A, au moyen d’un triac à couplage optique. Comme un relais classique, il réclame une tension de commande comprise entre 12 et 24 V, continue ou alternative. Il est conçu pour être monté sur une barre DIN dans un tableau électrique comme un module standard.


Dans les installations électriques destinées à la commande d’appareils consommant de forts courants, les commutations sont confiées à des relais de puissance commandés par des basses tensions de l’ordre de 12 V, obtenues, bien sûr, par les contacts de relais plus petits montés sur platines électroniques.
C’est là (relais + servo-relais) la méthode la plus simple car elle limite le circuit à un seul composant électromécanique pour chaque charge, et la plus sûre, puisque l’enroulement de commande du relais est électriquement isolé du contact.
Malgré tout, nous savons bien que la meilleure technique, la plus fiable, est la technique statique (sans pièce mobile).
En effet, les contacts électromécaniques s’usent, en particulier à cause de la fermeture et de l’ouverture des circuits avec charges réactives (ou inductives). Aussi, remplace-t-on le plus souvent ces relais classiques par des triacs qui sont des interrupteurs électroniques compacts et sans contacts d’usure, capables de fermer et d’ouvrir des circuits en alternatif en commutant des courants allant de la centaine de milliampères à quelques milliers d’ampères.

Notre montage
Le montage que cet article vous propose de réaliser en est un bon exemple : c’est un dispositif électronique que l’on peut considérer comme un véritable relais bien qu’il ne comporte aucune pièce en mouvement. Cela lui confère, d’ailleurs, une durée de vie beaucoup plus longue que celle de son cousin électromécanique.
En revanche, la commande est la même : la sortie se ferme si le circuit d’entrée reçoit une tension de “trigger” (déclencheur) de 12 à 2 V, en continu ou en alternatif. Il s’agit donc d’un interrupteur statique à mettre en oeuvre quand il faut commander des charges alimentées par le secteur 220 Vca. Autre particularité : la platine de l’appareil a été montée sur un dissipateur servant aussi de support, dimensionné pour se cliquer sur un rail DIN (en oméga) comme on en trouve dans tous les tableaux électriques de nos habitations ou ateliers, bureaux, etc. Il trouvera donc sa place, comme n’importe quel autre module, à côté d’un disjoncteur magnétothermique, des fusibles, différentiels, télérupteurs, etc.

Le schéma électrique
Comme vous pouvez le voir figure 1, le circuit est parmi les plus simples qui se puissent concevoir, quoiqu’il mette en oeuvre un procédé très original : le triac servant d’interrupteur statique est en série avec le circuit de sortie et il est déclenché par un opto-coupleur, à son tour polarisé en entrée par la tension continue fournie par un pont redresseur. Ce dernier constitue l’interface vers le circuit de commande, que celui-ci soit un relais ou un transistor, fournissant la basse tension de contrôle. Mais, procédons par ordre et voyons le schéma de principe afin d’en comprendre le fonctionnement.
La tension activant le triac de sortie est appliquée entre les points IN 12 à 24 V correspondant aux entrées du pont de diodes PT1. Ce composant restitue entre les points + et – une tension dont la polarité est toujours positive sur le + indépendamment du sens de celle de l’entrée. Ce qui veut dire qu’entre les électrodes du condensateur C1 se trouve une tension de la même polarité non seulement en continu mais aussi si l’on alimente l’entrée en alternatif. Dans ce cas, le condensateur électrolytique est indispensable car il doit lisser les impulsions positives présentes à la sortie du pont redresseur pour donner une tension vraiment continue.
Quoi qu’il en soit, la différence de potentiel obtenue alimente la LED d’entrée de l’optocoupleur FC1 à travers un circuit original utilisé pour maintenir constant le plus possible le courant. Celui-ci correspond au régulateur U1 alors que la LED LD1 joue le rôle de signalisation optique et indique, quand elle s’allume, que la tension de contrôle est bien présente et que le relais statique est en marche et ferme la charge.
La configuration particulière du régulateur 78L05 nous permet d’en exploiter une caractéristique peu connue : le fait que le courant allant de la broche d’entrée I à celle de référence M est constant car il dépend du circuit interne prévoyant des générateurs de courant constant et de tension de référence.
Cette dernière est, en effet, indépendante de la charge connectée entre U et M (dans notre cas une résistance) et par conséquent elle consomme un courant constant lui aussi.
Du fait de la configuration adoptée, nous avons donc un courant constant dû à la somme de celui de polarisation du régulateur et de celui traversant R1, soit une valeur constante et automatiquement régulée quand la tension d’entrée varie.
La conséquence est qu’entre 12 V en continu (c’est la différence de potentiel minimum applicable à l’entrée du relais statique) et 24 Vca (ce qui donne environ 33 V continu aux bornes du condensateur électrolytique C1), la LED LD1 et celle se trouvant à l’intérieur de l’optocoupleur FC1, sont traversées par un courant à peu près constant d’une dizaine de milliampères.
A propos de FC1, nous devons préciser qu’il s’agit d’un opto-isolateur dont l’élément d’entrée est une simple LED et l’étage de sortie un phototriac de faible puissance, avec son circuit de “zero-crossing detector” : ce dernier est composé d’un réseau électronique capable de détecter le passage de la tension alternative du circuit de sortie par zéro volt et de produire, au moment du passage par zéro, une impulsion de commande du triac de sortie.
Si l’utilité de ce procédé vous échappe, considérez le fonctionnement d’un triac normal en courant alternatif : il est pratiquement en court-circuit entre les deux “Main Terminal” quand entre l’A1 et la gâchette est appliquée une tension continue d’environ 2 volts. Si cette condition se vérifie sans qu’on le sache, il peut arriver que la diode contrôlée entre en conduction quand la tension du secteur est sur un pic (positif ou négatif). Dans ce cas, le semiconducteur est fortement sollicité car il doit commuter le courant maximum.
Ceci produit un effet indésirable : si on travaille avec des charges à forte composante inductive, l’application du courant maximum détermine l’accumulation d’une grande énergie ensuite restituée sous forme d’impulsions de haute tension.
Ces impulsions se propagent le long de la ligne d’alimentation et déterminent de sérieuses interférences pour les autres utilisateurs du secteur. En effet, ces interférences, rayonnées par les câbles, peuvent aller jusqu’à perturber les éventuels radiorécepteurs fonctionnant dans le voisinage.
C’est la raison pour laquelle nous avons choisi un phototriac avec détecteur de “zero-crossing”. Chaque fois qu’il est déclenché, le dispositif de sortie de FC1 ferme le circuit entre “IN 220 V” et la gâchette de TR1, lequel est excité lui aussi et entre en conduction complète, ce qui ferme la ligne sur la charge. Notez bien le réseau C4/R3 servant à désamorcer d’éventuels pics de tension produits par des commutations de charges inductives.
Le relais statique est connecté en série avec la ligne d’alimentation, de telle manière qu’une extrémité du réseau entre par la borne “IN 220 V” et que de la borne “OUT 220 V” sorte le courant allant à la charge. L’autre contact de la charge doit être connecté directement au conducteur restant de la ligne secteur 220 V. C’est uniquement dans cette configuration que l’on obtient un bon fonctionnement.

Figure 1 : Schéma électrique du relais statique modulaire pour tableau électrique.

Figure 2 : Synoptique interne, aspect du boîtier et table des caractéristiques de l’optocoupleur MOC3042.

Figure 3 : Schéma d’implantation des composants du relais statique modulaire pour tableau électrique.

Figure 4 : Photo d’un des prototypes.

Figure 5 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du relais statique modulaire pour tableau électrique.
Il pourra être réalisé par la méthode décrite dans l'article "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".


Liste des composants
R1 = 470 Ω
R2 = 100 Ω
R3 = 100 Ω 1/2 W
C1 = 10 μF 50 V électrolytique
C2 = 330 nF multicouche
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 100 nF 275 V polyester
U1 = Régulateur 78L05
LD1 = LED rouge 3 mm
FC1 = Optocoupleur MOC3042
PT1 = Pont redresseur 200 V 1 A
TR1 = Triac BTA26-600B ou équ.

Divers :
1 Support 2 X 3
1 Bornier enfichable 3 pôles
1 Bornier enfichable 2 pôles
1 Dissipateur (voir texte)
1 Etrier pour guide DIN
3 Entretoises plastique 12 mm
3 Vis 3MA 10 mm


Figure 6 : Représentation symbolique, aspect du boîtier et table des caractéristiques du triac BAT26-600B.

Figure 7 : La platine complète prête à être montée dans le logement du dissipateur sur lequel a déjà été fixé le triac de puissance (le dessin en donne le brochage).
Ne pas oublier de replier les broches à 90° vers le haut et de les souder dans les trous correspondants du circuit imprimé. Pour améliorer la transmission thermique entre le dos métallique du triac et le dissipateur, on pourra interposer une fine couche de graisse blanche au silicone. Par contre, aucun mica isolant n’est nécessaire.


Figure 8 : En ajoutant un étrier sur le fond du dissipateur supportant la platine et son couvercle plastique, le relais statique constituera un “module” pouvant très facilement être monté dans un boîtier électrique mural, aux côtés des disjoncteurs, fusibles et autres télérupteurs.
Cet étrier se trouve chez les distributeurs de matériel électrique ou dans les grandes surfaces spécialisées.
Il se fixe par une ou deux vis selon le modèle. Les borniers enfichables, placés verticalement, permettent un câblage compatible avec l’installation du module dans un tableau électrique.


La réalisation pratique
Eh bien, nous pouvons maintenant passer à la réalisation pratique en nous accompagnant des figures 3 et 4 d’abord puis 7 et 8 ensuite. Le petit circuit imprimé, dont la figure 5 donne le dessin à l’échelle 1, pourra être réalisé par la méthode décrite dans l'article "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?". Comme le montrent la figure 7 et la photo de première page, il sera ensuite fixé sur le dissipateur et coiffé d’un couvercle de protection plastique, le dissipateur étant rendu lui-même solidaire d’un étrier pour rail DIN (figure 8).
Mais nous n’en sommes pas là. Quand le circuit imprimé est gravé et percé, montez tous les composants qui doivent y prendre place (tous, sauf le triac de puissance allant, lui, directement sur le dissipateur : voir figure 7) en commençant par les plus bas de profil.
Les trois résistances et les deux condensateurs multicouches, le condensateur électrolytique (attention à la polarité : la patte la plus longue est le +).
La LED (patte la plus longue = + ou anode, à relier au M du régulateur : après soudure, repliez-la parallèlement au circuit imprimé pour qu’elle soit visible quand le module sera monté verticalement).
Le régulateur 78L05 (méplat vers le centre de la carte), le pont de diodes (repère détrompeur en U vers le centre de la carte. Servez-vous aussi des + et –).
Le support de l’optocoupleur MOC3042 2 X 3 broches (repère-détrompeur en U vers la droite) et le condensateur polyester.
Les borniers enfichables à deux et à trois pôles pour circuit imprimé au pas de 5 mm avec sorties horizontales (permettant de sortir les fils par le côté plutôt que par-dessus, afin de ne pas empêcher la fixation modulaire sur rail DIN dans une armoire électrique).
Rappel : le triac BTA26-600B, en boîtier SOT93, n’est pas monté sur le circuit imprimé mais directement sur le dissipateur comme le montre la figure 7.
En revanche, ses trois broches sont à souder sur ce même circuit imprimé aux points G, A2, A1 (A1 est relié à R3 : brochage figure 6) : une fois vissé sur le dissipateur, repliez à 90° vers le haut, sans les raccourcir, ses trois broches avant de les souder sur le circuit imprimé sans vous tromper de sens.
Procurez-vous un dissipateur en aluminium avec une RTh de 3 à 3,5 °C/W profilé comme celui de notre prototype (figure 7) : le nôtre a une partie plate aux dimensions du circuit imprimé. Procurez-vous aussi trois entretoises de mêmes longueurs en Téflon ou en plastique, fixez le circuit imprimé, côté composants vers l’extérieur, à l’aide de trois vis 3MA vissées dans le corps du dissipateur après l’avoir percé et fileté (avec un taraud de 3 mm).
Faites bien attention à la vis devant fixer le triac sur le dissipateur : l’entretoise doit prendre appui sur la partie métallique du composant de manière à obtenir un parfait contact de celui-ci avec le dissipateur. Pour améliorer l’échange thermique, enduisez le dos métallique du triac, avant de le plaquer contre le dissipateur, d’une fine couche de graisse thermique blanche au silicone. Le modèle de triac choisi n’ayant aucune de ses trois broches reliées au corps métallique, il est inutile de prévoir une feuille de mica pour l’isoler du dissipateur : c’est bien plus sûr et plus facile à monter.
Pour la fixation sur le rail DIN en oméga (figure 8), vous devez vous procurer un étrier à molette pour guide DIN (accessoire pour tableau électrique), le visser bien au centre de la partie postérieure (opposée à celle où se trouve le logement de la platine, voir photo de première page) du dissipateur, à l’aide d’une vis 3MA et d’un écrou ou d’une vis 3MA à tête plate.
Une dernière précision concernant la protection du circuit imprimé du contact accidentel avec les fils ou les doigts de l’usager : vous pouvez, à l’aide des trois vis de fixation du circuit imprimé et du triac, le protéger dans un boîtier plastique, un couvercle couvrant les composants. Il suffit, bien sûr, que les cotes du boîtier ne dépassent pas celles du dissipateur.
Aucun réglage n’est nécessaire, ni aucune mise au point : montage terminé, reliez les sorties de l’interrupteur statique à une charge de puissance et l’entrée de contrôle à une tension continue ou alternative comprise entre 12 et 24 V. En présence de cette tension, la charge sera activée alors que dans le cas contraire elle restera éteinte.

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