Les relais d'état solide sont des relais de commutation qui ne nécessitent aucune pièce mécanique. Cela leur donne généralement l'avantage d'avoir une durée de vie plus longue que celle d'un relais électromécanique commun, et bien que les relais d'état solide soient beaucoup plus rapides que les relais électromécaniques, ils ont certaines stipulations de conception.
Les relais d'état solide ont pris le monde d'assaut, révolutionnant la distribution d'énergie dans tous les secteurs, de l'agriculture à l'automatisation en passant par l'aérospatiale. Mais vous vous demandez peut-être… « Comment fonctionne exactement un relais d'état solide ? » Cet article couvre tous les aspects, des notions de base sur les relais d'état solide aux opto-isolateurs, opto-coupleurs et photodiodes, en passant par les jonctions PN.
Description de la conception de relais d'état solide
La conception d'un relais statique est généralement aussi simple qu'un interrupteur marche-arrêt avec une borne d'alimentation et une borne de charge qui commute lorsqu'un signal de commande externe est transmis au relais via une autre borne. Lorsque cela se produit, la commutation se produit très rapidement et la charge est alimentée, généralement au moyen d'un transistor de puissance MOSFET .
Les relais peuvent être conçus et utilisés avec une capacité de commutation CA ou CC, mais la configuration interne doit être modifiée pour fonctionner dans l'un ou l'autre scénario. Les relais CC peuvent fonctionner avec un seul MOSFET, avec la source et le drain connectés à l'alimentation et à la charge du circuit principal et le signal de commande attaché à la porte de passage. Le signal de commande peut être de très faible puissance, ce qui permet au relais (et au circuit de charge massif) d'être contrôlé par quelque chose d'aussi petit qu'un Arduino. Les relais d'état solide peuvent avoir plusieurs transistors alignés en parallèle pour permettre un potentiel de flux de courant plus élevé, qui peut être évalué à des centaines d'ampères. Les commutateurs CA nécessitent au moins deux transistors car un MOSFET ne peut pas inhiber le courant dans les deux sens lorsque le relais est à l'état désactivé. Deux transistors, dont les sources sont connectées, servent à bloquer le courant lorsqu'ils sont désactivés, puis à laisser passer le courant lorsque le signal de commande est activé dans le relais.
Comment fonctionne un relais d'état solide ?
Vous vous demandez peut-être quel type d’interrupteur permet au signal de commande d’alimenter des centaines d’ampères ? La véritable beauté de la conception des relais d'état solide par rapport aux relais électromécaniques réside en fin de compte dans la différence entre les mécanismes de commutation. Les relais d'état solide utilisent ce que l'industrie appelle des opto-isolateurs ou des opto-coupleurs. En langage courant, cela signifie « séparateur de lumière ». En effet, l'interrupteur à l'intérieur d'un relais d'état solide n'est qu'un faisceau lumineux ! En général, il s'agit d'une LED de très faible puissance qui projette un faisceau lumineux sur une photodiode, ce qui permet presque instantanément de transmettre de l'énergie à travers elle – ou de la « mettre » sous tension.
Figure 1 : Il s’agit d’un exemple de schéma d’une photodiode typique. Le schéma représente une LED éclairant un transistor à photodiode. Cette action est ce qui permet au courant de circuler à travers le transistor.
Les opto-isolateurs sont essentiels dans la conception de relais d'état solide car ils séparent les deux ou plusieurs circuits du relais. Étant donné que les relais utilisent de faibles signaux de tension pour contrôler de très grands signaux de tension, il est extrêmement important de garder ces signaux séparés. La beauté et la caractéristique révolutionnaire des opto-isolateurs sont qu’ils ne comportent aucune pièce mobile. Par exemple, dans les relais électromécaniques, cette séparation de circuit est rendue possible par un champ électromagnétique, qui est également celui utilisé pour compléter finalement le circuit de grande charge.
Dans un relais d'état solide, la photodiode est l'élément qui complète la connexion au sein du circuit de charge. Alors, qu'est-ce qu'une photodiode ? Il s'agit d'un transistor très spécialisé qui utilise des photons pour alimenter la grille, plutôt qu'un signal électrique typique. Comment est-ce que ça marche ? Il utilise une jonction P-N en silicium hautement spécialisée.
Qu'est-ce que la jonction P-N et comment fonctionne-t-elle ?
Une jonction P-N est présente dans toutes sortes de composants en silicium différents pour une variété d'applications et c'est ce qui permet essentiellement au « silicium » de fonctionner comme un semi-conducteur. En tant qu’élément autonome, le silicium a une très faible conductivité électrique. Cependant, lorsque le silicium est dopé avec d’autres éléments tels que le phosphore et le bore, le silicium de type p et de type n devient beaucoup plus conducteur d’électricité. La zone du silicium où le silicium de type p et le silicium de type n se rencontrent est appelée jonction P-N. Dans un circuit opto-isolateur, cette jonction P-N est connue sous le nom de photodiode, qui a en fin de compte un objectif principal : générer du courant en présence de lumière.
Figure 2 : Cette image est une représentation artistique d’une jonction PN qui illustre la région d’appauvrissement de la photodiode.
La lumière est constituée de photons, ou particules porteuses d'énergie, qui constituent les éléments fondamentaux de la physique des photodiodes. En règle générale, la lumière à laquelle les photodiodes répondent le mieux est d’environ 200 nm (ultraviolet) ou 1 100 nm (infrarouge). Ces photons créent des paires électron-trou dans la région d'appauvrissement de la photodiode en silicium. La région d'appauvrissement se forme lorsque le silicium dopé de type p entre en contact avec le silicium de type n et que les électrons et les trous s'écoulent vers des zones de potentiel inférieur. Lorsque la lumière frappe le silicium, les photons sont absorbés, créant des paires électron-trou. Lorsque les paires électron-trou commencent à s’éloigner, elles sont balayées par le champ électrique de la zone d’appauvrissement. Ce mouvement des paires électron-trou est ce qui crée le flux de courant dans la photodiode tant que la jonction PN fonctionne dans une direction de polarisation inverse.
Maintenant qu'un signal est généré à l'extrémité de sortie de l'opto-isolateur, un transistor ou une série de transistors peut être utilisé pour amplifier ce signal afin de produire éventuellement des signaux très importants, une méthode mentionnée plus haut dans l'article. La capacité d'utiliser un signal de très faible puissance comme entrée de l'opto-isolateur et inversement de transformer ce signal en un signal de sortie très large est le but ultime de la conception du relais d'état solide.
Vous voulez en savoir plus ? Approfondissez vos connaissances sur les relais d'état solide vs. les relais électromécaniques.
