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Note dapplication AN-145FR

Avantages des relais statiques par rapportaux relais lectromcaniques

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1. IntroductionCette note dapplication dtaille les avantages dun relaisstatique, dnomm dans ce document SSR (Solid StateRelay) sur un relais lectromcanique (EMR, ElectroMechanical Relay). Elle contient galement des rfren-ces aux composants fournis par IXYS ICD ainsi que desinformations utiles au concepteur. Parmi les avantagesdes relais statiques citons :

Leur taille plus rduite qui permet une conomie de place apprciable sur les circuits imprims.

Une bien meilleure fiabilit en raison de labsence de parties mobiles ou de contacts susceptibles de se dgrader

Des performances ltat de lart qui ne requirent aucun module dinterfaage et garantissent une commutation exempte de rebond

Des cots optimaliss tous les stades du cycle de vie. Cela se vrifie tant au niveau de la facilite de conception et de la faible puissance de commande ncessaire quen ce qui concerne la dissipation thermique

Lutilisation de composants monts en surface (SMT, Surface Mount Technology) qui contribuent la rduction des cots ainsi qu la simplification de la production des circuits imprims

2. Domaines dapplication du SSRLe relais statique peut avantageusement remplacer lerelais lectromcanique dans bon nombre dapplicationsdont :

Tlcommunications:- Carte E/S- Panneau de contrle de central tlphonique- Commutateur dantenne pour rseau UMTS- Station de base GSM- Commutateur de charge- Station radio de base- Commutateur de jonction- Remplacement dun relais de ligne dabonn- Ground start- Test de boucle de courant- Test in / Test out

Communications de donnes:- Equipement de raccordement au rseau avec modem

incorpor - Equipement de raccordement au rseau dun modem

PC - Commutation de ligne pour modem V92

Industrie:- Compteur dimpulsions pour appareil de mesure- Multiplexeurs- Signalisation ferroviaire- Relais dcodeur- Systmes industriels de contrle- Surveillance distance- Isolation galvanique- Multiplexage dentres des automates

programmables- Relais de sortie des automates programmables

Systme de scurit:- Commutateur pour circuit dalarme- Relais pour capteur

3. Les relais SSR de IXYS IC DivisionLa gamme de relais statiques OptoMOS utilisela technologie des semi-conducteurs pour fournir dessolutions de commutation de signaux faibles dans le res-pect des contraintes disolation. Les relais statiquesd'OptoMOS disposent des trois fonctions principales decommutation de circuit. Ils utilisent quatre puces discr-tes semi-conducteur pour obtenir des performancesoptimales. Le circuit d'entre, compos d'une LED, convertit le signal de commande d'entre en lumireinfrarouge. Celle-ci est couple optiquement un circuitde conversion form dun ensemble de cellules photo-voltaques (PV) et des circuits de pilotage associs. Lacellule PV gnre la tension ncessaire au contrle duMOSFET haute tension qui commute la charge de sortie.

Les circuits LED et PV sont coupls au travers d'unmatriau translucide qui laisse passer la lumire sanstransfert de chaleur ni remise en cause de la rsistanced'isolement. Ce dilectrique optique fournit l'isolementlectrique.

La gamme de produits LCAS ( Line Card Access Switch)de IXYS ICD dispose des fonctionnalits ncessaires pourremplacer l'ensemble des relais EMR 2-Form-C (2RT)utiliss traditionnellement sur les cartes ligne pour voixainsi que voix et donnes dans les centraux tlphoni-ques publics et privs. Dans ce genre dapplication, lesfonctions de base des relais sont la coupure de ligne, l'injection du courant de sonnerie, l'essai de la ligne d'abonn (test de sortie), l'essai des circuits (test d'entre). Toutes ces fonctions exigent de pouvoir traiterdes signaux haute tension et de rsister aux svrescontraintes lies la commutation de circuits de puis-sance ainsi quaux surtensions provoques par la foudre.Les produits LCAS sont des circuits intgrs monolithi-ques fabriqus selon le procd exclusif 320V BCDMOSde IXYS ICD. Le procd est bas sur la technologie SOI(Silicon-On-Insulator).


Note dapplication AN-145FRLes relais statiques OptoMOS, les commuta-teurs statiques pour courant alternatif ainsi que les pro-duits LCAS peuvent traiter des tensions de blocage jus-qu' 600 V et des courants de charge de 1 A.Figure 1. Les relais statiques de IXYS IC Division

4. dun SSR4.1 Un EMR surdimensionnCette section dcrit la tendance utiliser un EMR surdi-mensionn. Cette attitude se rpercute invitablementdans le prix du produit final qui cote plus qu'il ne devrait.

L'utilisation de relais EMR surdimensionns prsentedeux inconvnients majeurs au niveau conceptuel. Danscertains cas, on utilise un relais surdimensionn auniveau du courant maximum quil est mme de commuter car il n'existe pas de relle alternative. Mais leplus souvent, le surdimensionnement a pour but d'anticiper l'invitable usure des contacts tout au long deleur cycle de vie. Cette usure a pour consquence d'augmenter la rsistance de contact ou de laisser lescontacts anormalement ferms ce qui se traduit par unedfaillance du relais.

En revanche, le relais SSR peut tre choisi en confianceselon les spcifications de tensions et courants rels decharge. Lusure des contacts n'est pas un souci car il n'ya aucun contact. Les relais SSR sont disponibles dansune vaste gamme de courants, ce qui garantit une excellente adquation aux besoins de lapplication. Voir galement les domaines dapplication du SSR reprisen page 2.

4.2 Capacit de commutation et dgradation des performancesLes fabricants classent leurs relais EMR en fonction de lacapacit maximum de commutation. Habituellementexprime en Volt-Amps ou Watts, elle est prcise dansla fiche technique du relais. Les donnes sont fourniessous forme de diagrammes tels que reprsents lafigure 2. La capacit maximum de commutation d'un relais EMR diminue sensiblement en fonction de la

tension ou du courant maximum support. De plus, lesutilisateurs de relais tiennent compte dune dgradationsuprieure aux recommandations du constructeur danslespoir de prolonger la vie des contacts du relais.

Bien souvent, cette volont de limiter la sollicitation d'unrelais EMR tend ramener sa plage de fonctionnementcompatible avec celle d'un SSR. Aucune mesure de prcaution n'est ncessaire au niveau des contacts d'unrelais SSR puisqu'il n'y a pas de contact.

Figure 2: Courbes de dgradation des performances du relais

5. Avantages de la compacit du SSRLe caractre compact du relais SSR constitue un avan-tage considrable par rapport au relais EMR. Aujourd'hui,l'encombrement reprsente un critre de choix essentiellors de la conception de circuits imprims.

Le tableau 1 reprend une comparaison de l'encombre-ment des relais SSR et EMR en terme de surface requise sur le circuit imprim par ple (par contact).Cette information permet de comparer l'espace requispar une solution EMR celle dune solution SSR. Ladensit des canaux est d'une importance capitale pourles cartes de ligne analogiques. En pratique, lespacedisponible est strictement limit et la diffrence dencombrement peut tout simplement permettre de raliser une carte 32 canaux au lieu de 16.

A titre dexemple, l'utilisation d'un relais IXYS IC DivisionCPC7581MA permet une rduction de 43% de l'espacencessaire sur le circuit imprim par rapport au relaisEMR de quatrime gnration 2-Form-C. L'utilisationdun LCAS rduit galement le besoin en circuits damortissement (RC) ncessaires pour un EMR. Unrelais statique tel que le CPC1035 ne requiert que16% de l'espace requis par le relais Reed quivalent, ilsindique tout particulirement pour quiper les modemsintgrs.

1.25

1.00

0.75

0.50

0.25

050 100 150 200 250 300 350 400 500 600

Cur

rent

Han

dlin

g (A

)

Blocking Voltage (V)

OptoMOSSolid State Relays

LCAS

ACSolid StateSwitches

Ope

ratin

g C

urre

nt (

A)

Imax

I1

EMR Switchingcapacity Wmax

VAmax

SSR OperatingRange

EMRPermissableOperating

Range

0 V1 VmaxOperating Voltage (V)


Note dapplication AN-145FRFigure 3. Contraintes de positionnement d'un relais EMR

Cette interaction engendre des cots supplmentaires auniveau du circuit imprim puisqu'il convient de prvoirenviron 5mm tout autour du relais EMR. Il s'agit d'un cotcach li au choix d'un relais EMR. Les exigences des relais EMR sont reprsentes lafigure 3 de mme que l'effet sur les tensions d'activationet de relchement.

L'interaction magntique n'existe pas avec un relais SSRpuisque aucun champ magntique n'est employ pourcommuter la sortie.

6.2 Gnration de bruit et Isolation la diffrence du relais SSR, le relais EMR gnre dubruit lectrique et audible qui se rvle problmatiquelors de sa mise en uvre sur un circuit imprim.

Les considrations suivantes sont extraites de notesd'application EMR :

Le relais peut constituer une source de bruit pour un circuit lectronique. Ceci doit tre pris en compte lors du positionnement du relais et d'autres composants semi-conducteurs sur la carte lectronique

Eloigner au maximum les relais des autres composantslectroniques.

Positionner lcrteur de la bobine aussi prs que possible du relais.

Ne pas faire transiter de signaux audio sensibles au bruit sous le relais

Concevoir le plus court chemin possible L'utilisation de circuits blinds permet de sparer la

source d'alimentation et le relais d'autres composants lectroniques.

Les relais SSR sont des circuits intgrs. Ils ne constituent donc pas une source de bruit lectrique ou de bruit audible. Leur positionnement ne requiert aucuneprcaution par rapport d'autres semi-conducteurs.

Tableau 1: Comparaison de la taille des relais statiques etlectromcaniques

Composant Botier Nombre Surface de ples par ple

(mm2)

CPC7581BA LCAS 16 SOIC 4 54726SACL AB2857CPC

CPC7583BA LCAS 28 SOIC 10 32CPC7581MA LCAS 16 MLP 4 21

5 .016SACL AM2857CPCCPC7583MA LCAS 28 MLP 10 13LCA110 OptoMOS 6-pin SMT 1 53LAA110 OptoMOS 8-pin SMT 2 30. 5CPC1035 OptoMOS 4-pin SOP 1 16Relais Reed 4-pin SIP 1 97Relais Reed SMT 4-pin Gull 1 1161-2 Form C EMR 3ime Gnration 4 771-2 Form C EMR 4ime Gnration 4 36. 5

Il est noter que ces ne tiennent pas compte des tolrances considrer au niveau de l'encom-brement des relais sur un circuit imprim.Pour de plus amples informations, se rfrer au chapitre " Gnration de bruit et Isolation" en page 4 ainsi quau chapitre " Interactions magntiques et susceptibilit" en page 4.

6. Les avantages d'un SSR pour la conceptiondes circuits imprimsLe relais SSR mis en uvre sur un circuit imprim offreplusieurs avantages distinctifs. Il s'agit notamment de : Absence dinteraction magntique Aucun bruit lectrique gnr Meilleure immunit aux chocs et aux vibrations Aucune gnration dinterfrences lectromagntiques

ni de sensibilit ces interfrences Mise en oeuvre semblable aux circuits intgrs utiliss

dans les chanes de production de cartes lectroniques.

Ce chapitre dcrit en dtails les avantages lis l'utilisation de relais statiques dans la conception de cartes lectroniques.6.1 Interaction magntique et susceptibilitLe relais EMR utilise les champs magntiques. Ces derniers ne restent malheureusement pas confins auseul relais, ce qui oblige tenir compte lors de la conception du produit de la prsence proximit d'autres composants lectromagntiques.

Les recommandations suivantes sont extraites des notesd'application de relais EMR:

Eviter de placer le relais un endroit expos de nombreuses particules magntiques ou de la poussire

Eviter l'emploi dans un champ magntique de plus de 8.000 A/m

Respecter l'intervalle minimum requis lorsque plusieurstypes de relais sont placs cte cte.

AdjacentRelay

Relay UnderTest


Note dapplication AN-145FR6.3 Chocs et VibrationsLe relais EMR est moins bien rsistant que le relais SSRcontre les chocs et vibrations. De plus, il est indispen-sable de choisir avec soin l'orientation du relais par rap-port aux chocs et vibrations susceptibles de se produire.

Idalement, le relais EMR doit tre positionn de tellemanire que le choc ou la vibration soit appliqu perpendiculairement la direction de mouvement de l'armature. Quand la bobine d'un EMR n'est pas active,la rsistance aux chocs et l'immunit au bruit dpendentfortement de l'axe de montage. Typiquement, un EMR nedispose que d'une rsistance fonctionnelle aux chocs de50 G, et d'une rsistance fonctionnelle aux vibrations d'peine 20 G.

Le choix dlicat de l'orientation de l'armature d'un EMRcomplique sensiblement une mise en oeuvre base detels relais. De plus, certains constructeurs conoivent desrelais dont les mouvements ne se ralisent pas toujours 90. La cohabitation de relais provenant de diffrentsconstructeurs complique encore la conception d'un produit soumis aux chocs et vibrations.

Par contre, un SSR n'a pas de pices mobiles, ce qui lerend insensible aux chocs et vibrations. Les tests ralisssur les relais SSR de IXYS ICD ont mis en vidence unersistance fonctionnelle aux chocs de 500G et une durede 0.5 milliseconde. La position du relais par rapport l'axe du choc n'a par ailleurs aucune importance.

6.4 Impact sur la fabrication

6.4.1 Cot d'utilisation de technologies mixtesPour un montage en surface, l'utilisation de relais EMRqui exigent un trou de passage ou un placement manuelentranent des cots supplmentaires.

Les cots de fabrication varient considrablement.Certains constructeurs avancent un cot compris entre0.01$ et 0.03$ par insertion d'un composant SMT. Tousles relais SSR de IXYS ICD sont des produits SMT. Enrevanche, bon nombre de relais EMR ne sont pas SMTet exigent un trou de passage ou un placement manuelsur un circuit imprim par ailleurs pourvu de circuits SMT.Les mmes constructeurs avancent dans ce cas descots dinsertion ou de placement manuel compris entre0.05$ et 0.1$. Les cots inhrents une nouvelle phasede soudure sont de 0.15$ 1.00$ par composant.

Ces cots "cachs" sont souvent ignors des concep-teurs qui se focalisent sur le cot du composant au lieud'valuer le prix de revient global. Il n'en reste pas moinsvrai que l'utilisation de relais SSR sur des cartes quipsde modules SMT contribue une rduction substantielledes cots d'exploitation.

6.4.2 Limitations des relais EMR dans un processus de soudure par refusion.

Bien qu'il soit possible d'utiliser des relais EMR de typeSMT, le relais SSR SMT reste toutefois, et pour plusieursraisons, une meilleure solution lors d'un processus desoudure par refusion.

Les relais EMR sont pourvus de ressorts, d'armatures,d'un solnode et on observe galement la prsence d'airemprisonn dans le module. Ils sont ainsi plus sensiblesaux contraintes thermiques inhrentes ce type de soudure.Les relais OptoMOS ne sont pas quips de picesmobiles et sont entirement compatibles avec le proces-sus de soudure par refusion. Ils peuvent tre souds la vague. IXYS ICD recommande la normeIPC9502 niveau 7 qui fixe les limites d'un processus desoudure. Les relais OptoMOS de IXYS ICD peuvent tremonts indiffremment de chaque ct de la carte et treimmergs dans la soudure liquide pendant quelquesinstants. La gamme LCAS de IXYS ICD est compatible avecles procds de soudure standardiss par l'industrie.

Il arrive que les relais EMR de type SMT subissent descontraintes mcaniques excessives lors du positionne-ment du composant. Dans ce cas, leurs performances nesont plus garanties. De plus, la technologie THT(Through Hole Technology = traversante) applique auxEMR exige presque toujours un placement manuel. Il n'ya gnralement aucune corrlation entre l'emplacementdes extrmits des contacts et l'extrieur du botier EMR.En technologie THT, les fils de sortie des circuits intgrssont courbs vers l'extrieur selon un angle de 5 10.Le mcanisme de placement automatique des compo-sants pousse les connexions vers l'intrieur afin de fairecorrespondre, avant insertion, les trous avec les contactsdu circuits. Les relais EMR sont saisis au niveau du bo-tier et non au niveau des contacts. Ils doivent par cons-quent tre placs la plupart du temps manuellement. Enoutre, un EMR de type SMT constitue souvent le compo-sant le plus encombrant sur la carte lectronique. Cecipeut provoquer un chauffement excessif du sommet durelais et un effet dombre sur les autres composants.

6.4.3 Fiabilit et rendementBien qu'il soit particulirement malais d'avancer deschiffres prcis, un certain consensus des industrielsadmet que le placement manuel dgrade les performan-ces de fabrication et rduit la Temps Moyen EntrePannes (MTBF = Mean Time Between Failures).

A l'inverse, l'utilisation de relais SSR qui n'exigent pas lacohabitation de diffrentes technologies conduit unefiabilit accrue et de meilleures performances.


Note dapplication AN-145FR7. Avantages des relais SSR au niveau de l'isolation Entre/SortieLes solutions SSR sont particulirement indiques pourles applications qui exigent une grande isolation entre lescircuits d'entre et de sortie. Il s'agit, par exemple descircuits d'interface de ligne tlphonique. Ce chapitrecompare les caractristiques d'isolation des solutionsEMR et SSR.

Les relais SSR OptoMOS de IXYS ICD sont tests 100%en ce qui concerne la tension de claquage d'entre/sortie(input-to-output breakdown voltage, IOBDV). La valeurminimum est de 1500 VRMS appliqus pendant 60 secondes un relais SSR 4-pin (tat stable). Les autresproduits SSR de IXYS ICD sont classs de 3.750V 5.000 VRMS appliqus pendant 60 secondes.

Pour un EMR, l'isolation entre/sortie est gnralementexprime en terme de rsistance d'isolation. Cette dernire dfinit la valeur de la rsistance entre toutes lesparties isoles du relais. Elle doit, en principe, inclure l'isolation entre la bobine et les contacts, travers lescontacts ouverts ainsi qu'entre le contact et tout lmentmtallique mis la masse. En raison des contraintesphysiques de construction (par exemple lintervalle decontact) ainsi que le matriau employ, les relais EMRne sont gnralement certifis qu' 1000 VRMS .

8. Modes de dfaillanceTous les composants lectroniques ont des modes dedfaillance. Les relais EMR, avec leurs pices mobiles,surfaces de contact, et bobines ont un taux de pannegnralement plus lev que les relais SSR. Dans lesfaits, la fiabilit des relais SSR a t considrablementamliore ces dernires annes au niveau des LED etde l'isolation optolectronique des sous-ensembles.

8.1 Dgration de loptocoupleurPar le pass, les dispositifs optolectroniques discretsintgrs dans les SSR pour en assurer l'isolement ontconnus divers problmes lis leur fabrication ou ladrive des paramtres optolectroniques dans le temps.Ces problmes ont amen beaucoup d'utilisateurs suspecter la fiabilit d'un SSR quip doptocoupleurs et conclure qu'ils se dgradaient au fil du temps. Les testsraliss sur les composants optiques utiliss par IXYS ICDont toutefois prouv que le MTBF des LED tait respectivement de 290 875 heures, ou 33.20 ans, pourun facteur de confiance de 90%. Ces calculs sont valables un courant nominal de LED de 10 mA.

Les test raliss sur le dtecteur photolectrique ont misen vidence une esprance de vie plus longue encore,de sorte que la limitation provient bien de la fiabilit de laLED.

8.2 Usure du Contact EMR Les contacts sont les lments dterminants de la fiabilit d'un relais EMR. Leurs caractristiques sont significativement dpendantes de facteurs tels que lematriau utilis pour le contact, la tension et le courantappliqu, le type de charge, la frquence d'utilisation, l'atmosphre ambiante, la disposition des contacts et lerebond des contacts.La dgradation des contacts, lapparition de contactssouds, lusure ou encore la rsistance de contact augmentent rapidement lorsqu'un de ces paramtres s'carte des normes prvues.

La dgradation du contact dpend des caractristiquesde la charge. Des arcs se crent durant l'ouverture et lafermeture des contacts. Les tensions continues sont particulirement dommageables tant donn l'absencede passage par zro de la tension contrairement ce quise passe en courant alternatif. Il est, en d'autres mots,trs difficile dteindre un arc qui s'est form. La grandeuret la dure de l'arc peuvent provoquer de srieux dommages. Le courant lors de l'tablissement et de lacoupure du courant joue galement un rle important surla dure de vie des contacts

Les charges continues prsentent dautres problmespour un EMR puisque les ples ngatifs et positifs ne sepermutent pas comme dans le cas dun courant alterna-tif. De ce fait, le transfert de matire ne se fait que dansun sens et provoque un pic sur un contact et un creuxsur l'autre. Cela peut conduire une modification de larsistance de contact, une dfaillance plus rapide ou uneadhrence des contacts.

Le tableau 2 de la page 6 " Courant de pointe en fonctiondu type de charge " fait correspondre le type de chargeavec le courant de pointe que le relais devra grer lorsde la commutation. En cas de charges ractives, le courant de pointe lors de la fermeture du circuit peut tresuffisamment important pour causer des dommages substantiels un relais us et, dans certains cas, le contact peut mme tre soud.De ce fait, les fabricants de relais EMR recommandentde prvoir un circuit additionnel conu pour protger lescontacts du relais. Cela signifie un cot supplmentaireau niveau des composants ainsi que l'utilisation d'unepartie de la carte lectronique qui pourrait servir implmenter dautres fonctionnalits supplmentaires. Tableau 2: Courant de pointe en fonction du type de charge

Type de charge Courant de pointe

Rsistive Courant ltat stableMoteur 5 10 fois le courant ltat stableLampe incandescence 10 15 fois le courant ltat stableLampe au mercure Jusqu 3 fois le courant ltat stableLampe vapeur 1 3 fois le courant ltat stablede sodiumCapacitive 20 40 fois le courant ltat stableTransformateur 5 10 fois le courant ltat stable


Note dapplication AN-145FRLe relais peut tre en court-circuit suite ladhrence descontacts. Elle survient en cas de prsence de trop grandeintensit voire par collage froid de contacts dors, soumis dimportantes vibrations.

Etant donn que les relais SSR n'ont pas de contact,aucun des problmes relatifs lusure dcrits ci-dessusne s'applique.

L'absence de contact et de partie mobile signifie que lesSSR ne sont pas sujets au phnomne d'arc et ne sedgradent pas. Sur certains relais EMR de dimensionsrespectables, il est possible de remplacer les contactsmais cette opration n'est pas du tout pratique lorsqu'ils'agit de circuits lectroniques quips de relais EMR ettraitant de faibles signaux.

8.3 Autres types de dfaillance des relais EMRDes bobines ouvertes ou en court-circuit peuvent galement tre l'origine de pannes de relais EMR. Des tempratures excessives sont susceptibles dendomma-ger l'isolant de la bobine et de provoquer un court-circuit.Des surtensions ou des courants levs peuvent aussiengendrer une coupure de la bobine.

Les circuits de pilotage d'un EMR peuvent provoquer unecoupure de la bobine si le circuit de pilotage est dfectueux ou est soumis des transitoires. Les relaisSSR peuvent tre pilots directement partir de circuitslogiques de sorte qu'un circuit de pilotage intermdiairen'est pas indispensable.

Les SSR qui contrlent spcifiquement des charges alternatives de fort courant (AC switch) exploitent enoutre le passage par zro de la tension pour effectuer lacommutation avec un minimum de bruit engendr dansles circuits.

9. Les solutions SSR aux imperfections desrelais EMR 9.1 Rebond du contact et arcLe temps maximum de rebond d'un relais EMR corres-pond au laps de temps compris entre la premire et ladernire ouverture ou fermeture selon l'tat dans lequelse trouvait le relais. Ces rebonds sont l'origine d'interruptions courtes. Ils rduisent la dure de vie ducontact et sont particulirement gnants dans des syst-mes de comptage d'impulsions. Dans ce cas de figure,cette dfaillance peut conduire des rsultats erronsdans la mesure o les contacts ralisent plusieurs cycles d'ouverture/fermeture. Ces rebonds ne se produisent pasavec des relais SSR. Il n'y a aucun contact susceptiblede rebondir.

Les applications d'acquisition de donnes constituent uncas prcis o les rebonds de contacts peuvent causerd'importantes erreurs de traitement. Lorsque l'on utilise

une solution EMR, il convient de prvoir certains dlais lors des mesures afin d'liminer l'effet de rebond. Lavaleur de 10 ms est rgulirement propose.

Le rebond de contact est galement particulirement malvenu lorsqu'il s'agit de compter des pointes de tensioncomme par exemple dans les compteurs ou les appareilsde mesure. Le phnomne de rebond engendre de fauxpics et diminue la fiabilit du compteur.

Figure 4: Rebond de contact EMR

La figure 4 reprsente la relation entre le temps de raction et le temps de rebond des relais EMR. Le tempsde raction correspond au temps compris entre l'application de la commande de pilotage la bobine et lafermeture du contact qui se trouvait l'tat ouvert.Lorsque l'quipement dispose de plusieurs ples, cetemps se calcule jusqu' fermeture du dernier ple. Letemps de rebond n'est pas compris dans le temps deraction. Le concepteur peut rduire le temps de ractiondu relais en utilisant un circuit de pilotage de la bobinesurdimensionn. Bien que cette approche rduise letemps de raction, il augmente la force de fermeture etdonc le nombre et la dure des rebonds. Inversement, lephnomne de rebond peut tre rduit en diminuant lapuissance du signal de commande. Il en rsulte bien srune augmentation du temps de raction. Les rebondsimpactent directement la dure de vie des contacts puisque chaque rebond connecte et dconnecte la charge en un intervalle de temps trs court. Le phnomne de rebond peut tre limin par l'adjonctionde circuits externes tels que reprsents dans le schmade la figure 5.Figure 5. Circuit anti-rebond


Note dapplication AN-145FRCes composants reprsentent un cot supplmentaire durelais EMR pouvant atteindre 0.25$. En Outre, ce chiffrene tient pas compte de l'espace supplmentaire occuppar cette lectronique additionnelle. Pour raliser lesoprations de commutation, les relais SSR utilisent desMOSFET en lieu et place des contacts mobiles. Par consquent, les rebonds n'existent pas et aucun circuitde compensation n'est ncessaire.

Il est possible, avec des relais EMR d'utiliser des contacts mouills au mercure mais cela induit certainesrestrictions au niveau du montage conformment aux loisde la pesanteur. Les proccupations environnementalesainsi que le cot constituent d'autres obstacles l'utilisa-tion de relais au mercure. Les relais de ce type ne consti-tuent plus une solution adquate compte tenu des risques levs d'utilisation du mercure. Les relais SSR,par contre, peuvent tre monts dans n'importe quelleposition tout en restant tout fait respectueux de l'environnement.

9.2 Dure de vie lectriqueLa dure de vie d'un relais EMR se dfinit en regard dunombre maximum d'oprations possibles sur une chargedonne et sur base d'une fiabilit de 95%.

La fin de vie se calcule en fonction du nombre d'opra-tions requises pour doubler la rsistance de contact initiale. Bon nombre de vendeurs de relais EMR tendentcette spcification en fixant la rsistance de contact finale 100 millohms alors que la valeur relle est plus prochede 15 milliohms. La dure de vie lectrique se situegnralement entre 100.000 et 500.000 oprations.

On peut estimer, en premire approximation que la durede vie d'un relais EMR est de 100.000 oprations. Cettedure dpend des caractristiques de la charge et laseule manire fiable de tester la dure de vie est de soumettre le relais aux cycles rels de commutation de lacharge effective. Les relais bipolaires peuvent avoir ptir d'un dpt de matire provenant d'un jeu de contacts et se fixant sur l'autre jeu de contacts. C'est particulirement vrai lorsque les charges sont trs faiblesou commandes par des sources diffrentes.

Les fiches techniques des relais SSR ne spcifient pasde dure de vie. Contrairement aux relais EMR dont ladure de vie dpend des conditions relles de commuta-tion de la charge et du nombre de cycles, la fiabilit desrelais SSR est dtermine par le temps de fonctionne-ment et non par le nombre de cycles de commutation. LeMTBF peut atteindre 19 millions d'heures sous rservedu respect des spcifications techniques publies.

9. 3 ConsommationLes relais EMR doivent activer une bobine pour raliserl'opration de commutation. L'nergie ncessaire doit, enoutre, tre maintenue pour garder le relais dans la posi-tion dsire. On admet qu'un relais EMR requiert une

puissance de 80mW pour activer la bobine. L'approchede principe est comparable pour un SSR. Toutefois, il s'a-git dans ce cas d'un courant appliqu la LED, ce quicorrespond une puissance requise nettement plus fai-ble de l'ordre de 3mW. Ainsi, le pilotage d'un relais EMRncessite environ 25 fois plus d'nergie que celui d'unrelais SSR. Une consommation rduite signifie unerduction des contraintes thermiques ainsi que des co-nomies, souvent occultes, au niveau du travail des con-cepteurs. Une solution SSR peut se rvler nettementplus compacte sans pour cela engendrer des proccupa-tions majeures au niveau de la dissipation thermique.Enfin, le circuit de commande, qui requiert moins depuissance, se rvle lui aussi plus petit et moins cher.

Il est certes possible d'utiliser des relais EMR bistablespour contourner les exigences de puissance.Malheureusement, ces systmes peuvent changer dtatsous l'action de vibrations et de contraintes mcaniquesou thermiques. Cela impose au concepteur l'ajout de cir-cuits d'initialisation du relais EMR dans un tat connu.

Cette remise zro s'avre indispensable lors du dmar-rage et suite une micro-coupure. Ces cas doivent tretraits sparment ce qui augmente d'autant le cot et lacomplexit de l'application EMR.

9.4 Faible consommation du SSRLa consommation d'un EMR est suprieure la puissance d'activation car il convient dappliquer un facteur de scurit qui tienne compte des phnomnesdusure, des influences de l'environnement et des tolrances de fabrication. Les commutateurs statiques nerequirent que la puissance de commande laquelle s'ajoute une marge de scurit et la dissipation du collec-teur. La consommation des relais SSR augmente plusrapidement en fonction du courant du collecteur que nele fait la consommation des relais EMR en fonction ducourant traversant le contact. A titre d'exemple, la puis-sance de commande minimale d'un relais EMR polarispeut atteindre 80 mW alors qu'un relais SSR consommeenviron 3 mW.

9.5 Faible tension de commande du SSRUn SSR n'a nul besoin d'nergie pour commander unebobine ou un contact ouvert, la tension requise pour lacommutation est ds lors beaucoup plus faible. Un EMRse commande l'aide de tensions de 5 48V DC. Parcontre, un SSR se contente de 1.5V DC.

9.6 Pilotage par circuit logiqueLa faible consommation des relais SSR permet de lescommander directement partir de circuits logiques telsque la famille 74xxx. Cela permet lconomie dune couche d'interface.

Les relais EMR requirent des tensions de commandepour les bobines qui sont largement suprieures celles


Note dapplication AN-145FRfournies par les circuits logiques. Le schma de la figure6 dcrit les composants supplmentaires ncessairespour raliser l'interfaage entre le relais EMR et le circuitlogique. Pas moins de 4 lments supplmentaires sontncessaires pour rpondre aux exigences d'un relaisEMR.

Ces dsavantages poussent les ingnieurs utiliser bonnombre de pratiques de compensation considrescomme globalement acceptables. L'utilisation d'une bobine en entre d'un relais lectromcanique engendreinvitablement une pointe inductive lors de la dsactiva-tion. Cette pointe, applique au circuit de commande,suffit dans la plupart des cas lui causer des dommagesirrparables. Pour liminer ce risque, il convient d'utiliserune diode rapide en parallle la bobine.

Figure 6. Comparaison des circuits de pilotage EMR et SSR

Dans le circuit en droite du schma, le relais EMR est activ par le courant qui traverse la bobine d'entre lorsque Q1 est mis l'tat ON par le circuit logique.Lorsque Q1 est mis l'tat OFF pour dsactiver le relais,le pic inductif rsultant est canalis et dissip au traversde la diode D1. Dans la solution SSR reprsente audessus du schma, vous remarquerez que la bobine estremplace par une simple LED et que la diode de protection et le transistor de commande n'existent pas.La rsistance de limitation qui contrle le courant fourni la LED constitue en fait le seul ajout requis.

10. Cot rel de dun EMRConcrtement, la fiabilit plus faible des relais EMR setraduit par une augmentation des cots de sauvegardedu cycle de vie. Ce chapitre dcrit les avantages lis l'utilisation de relais SSR en termes de MTBF et de cotsgnrs.

Aux fins de comparaison, les chiffres MTBF de la "Telecordia Reliability Procedure for Electronic Equipment" TR-332 ont fait office de rfrence.

Ils se concentrent sur les quipements lectroniques. On dispose destimations prvisionnelles au niveau ducomposant, du systme ou du projet pour des produits disponibles sur le march (COTS, Commercial Off-The-Shelf)

Telcordia utilise trois mthodes dvaluation de la fiabilitdun produit I. Comptage des composants II. Comptage des composants et estimation sur base

de donnes recueillies en laboratoire III. Estimations prvisionnelles bases sur les donnes

recueillies sur le terrainIXYS ICD utilise les mthodes I et II pour calculer le MTBFdun produit. Dans lexemple suivant, le MTBF est calculselon la mthode II et sur base de 1000 heures de testsrels temprature leve.

On peut tablir une relation pertinente entre le cot et lafiabilit. Pour les relais EMR, des dfaillances vont seproduire mais la frquence doccurrence sera proportion-nelle au taux de dfaillance dmontr. Le plus petit tauxde dfaillance correspondra la plus petite frquencedoccurrence. Le cot supplmentaire dun relais peut secalculer en amortissant le cot prvisionnel des dfaillan-ces qui se produiront durant la dure de vie estime.Lexemple du tableau 3 compare un relais unipolaireEMR avec un relais unipolaire SSR ( LCA110).

La prennit dun EMR selon le graphique de la fichetechnique est de 900.000 oprations. Selon ces donnes, commuter 100 relais selon les conditions decharge du tableau devrait produire une dfaillance. Lafiabilit dun SSR ne se dtermine pas en fonction dunombre de cycles de commutation mais bien en fonctiondu temps global de fonctionnement. De ce fait, le nombrede cycles de commutations supports par un SSR estvirtuellement illimit. Nous avons choisi, dans lexemple,5.000.000 de cycles fin de comparaison.

Il est possible de calculer le taux de panne par 10.000oprations. Le prix dachat des relais est identique et lecot de dfaillance est de 100$. Le cot par dfaillancese calcule facilement pour les quipements qui peuventtre rpars en clientle. Il est plus difficile destimer lescots cachs lis par exemple la perte de clientsmcontents. Compte tenu de la quantit et du nombre decycles exigs par une application, il est facile de calculerle cot additionnel du relais.

Le cot additionnel ajust est le rsultat de la multiplica-tion du facteur dutilisation par le cot additionnel. Cenombre reprsente le cot additionnel par relais li lamdiocre fiabilit du relais EMR. Il suffit dajouter le cotajust au prix dachat initial du relais pour obtenir le prixrel ajust du relais. En multipliant ce rsultat par lenombre total de relais et en soustrayant le prix global dachat, on obtient le cot additionnel imputable lamauvaise fiabilit du relais EMR. Ce cot sera pris encharge par le client ou le fabricant selon les accords passs au niveau des cots de dfaillances et du serviceprest sur le produit final.

PV

R Limit

To LoadSNxxxx

VCC

SSRD1

Q1

R2

R1

C1

VCC

SNxxxx

EMR

To Load


Note dapplication AN-145FRune utilisation 100% serait double. Afin de comparervalablement les chiffres de fiabilit, lquation suivanteest utilise :nombre maximal dopration EMR/ nombre doprationpar heure (= 100% MTBF SSR/facteur dutilisation)

Pour fixer les ides, un relais EMR commutant 3600 foispar heure avec un facteur dutilisation de 10% devraitsupporter 698.400.000.000 cycles pour galer la valeurdu MTBF du relais SSR LCA110 de IXYS ICD.

12. Conclusions

Cette note dapplication dmontre clairement la supriori-t des relais statiques sur les relais lectromcaniquesdans bon nombre dapplications. En guise de synthse,on peut avancer les avantages spcifiques suivants desrelais SSR : Cot dutilisation infrieur Couplage logique direct Faible consommation Plus basse tension de commande Fiabilit plus leve Dure de vie lectrique plus grande Meilleure isolation entre entre et sortie Aucun rebond de contact ni gnration darc Plus compact Meilleure immunit aux chocs et vibrations Aucun champ magntique ou bruit lectrique gnr Plus facile implmenter dans une fabrication de type

SMT sur circuit imprim

13. IXYS ICD Design Resources

Le site Internet de IXYS ICD est une source prcieuse dinformations techniques ladresse des concepteursqui mettent en uvre les composants de IXYS ICD. Il contient des notes dapplication et des exemples deconception de produits. Les fiches techniques des produits contiennent galement des informations complmentaires concernant les applications et la conception du produit.Nous vous recommandons les liens suivants :

Solid-state RelaysLine-card Access Switch ProductsMaster Product SelectorSolid-state Relay Parametric SelectorApplication Note 100 Design Surge and Power FaultProtection for Subscriber Line InterfacesApplication Note 108 Current Limited Solid-State RelaysApplication Note 144 Impulse Noise Benefits of LineCard Access Switches

Tableau 3: Avantages du SSR au niveau du cot de la prennit

Facteur de cot EMR LCA110 SSR

Dure de vie 250 V, 120 mA, charge rsistive, nombre de cycles 900, 000 5, 000, 000Nombre de dfaillances 1 0Taux de dfaillances par 10.000 cycles 0. 01% 0. 00%Cot initial dachat $0. 50 $0. 50Cot de dfaillance $100. 00 $100. 00Utilisation escompte, nombre de cycles 100, 000 100, 000Cot additionnel (cot de dfaillance x dfaillances par opration x nombre de cycles) $1. 00 $0. 00Facteur dutilisation (temps dutilisation /prennit) 11% 2%Cot additionnel ajust (Facteur dutilisation x cot additionnel) $0. 11 $0. 00Cot total ajust (Prix dachat + cots additionnels) $0. 61 $0. 50Cot dutilisation pour 100.000 units (Cot rel ajust x nombre de pices achetes) $61, 111. 11 $50, 000. 00Avantage li la

11 .111 ,11$RSS noitulos enud

11. Analyse de la comparaison de abilit desrelaisAu niveau dun EMR, la commutation mcanique et ladgradation des contacts qui en dcoule dterminent lusure et les dfaillances. Le MTBF dun EMR nest pasune valeur significative tant donn que cest le nombrede cycles qui dtermine en grande partie la dure de viedu composant.

Les relais SSR, quant eux nont pas de parties mobilesni de contacts sujets lusure. Le nombre de cycles decommutation na pas dincidence sur une dfaillance duSSR. Par contre, la dure globale de fonctionnement sereflte bien dans le MTBF.

Si lon considre une application EMR donne, lquationsuivante sapplique lorsque le facteur dutilisation estconnu : MTBF = nombre maximal dopration/ nombredopration par heure.

Pour les applications SSR, la valeur du MTBF est pond-re par le temps effectif dutilisation de lapplication selonla formule : MTBF =100% MTBF/Facteur dutilisation

Exemple : Pour une application dont le facteur dutilisation est de 50%, la valeur du MTBF base sur


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Copyright 2014, IXYS Integrated Circuits DivisionAll rights reserved. Printed in USA.4/21/2014


13.1 Informations de tierces partiesLes documents suivants contiennent galement desinformations utiles aux concepteurs utilisant les relaisSSR.

Engineer s Relay Handbook , Fifth Edition, NationalAssociation of Relay Manufacturers, Milwaukee,Wisconsin, USA, 1996.

Pour de plus amples informations, nous vous invitons consulter notre site Internet : www.ixysic.com

Specication: AN-145FR-R03

an-145fr

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