Contrôlez des appareils AC avec un relais à semi-conducteurs

Dans ce tutoriel, vous apprendrez à contrôler des appareils en courant alternatif (AC) tels que des lumières, des ventilateurs ou des moteurs avec un module relais à semi-conducteurs et un Arduino UNO. Comparés aux relais mécaniques, les relais à semi-conducteurs (SSR) sont silencieux et peuvent commuter beaucoup plus rapidement et fréquemment.

Cependant, notez que ce type spécifique de relais ne peut être utilisé que pour commuter des appareils AC, par exemple des lumières fonctionnant sous ~110V ou ~220V courant alternatif (AC). Vous ne pouvez pas l’utiliser pour contrôler des appareils fonctionnant en courant continu (DC).

J’utiliserai une lampe LED COB comme exemple d’appareil AC pouvant être contrôlé par un module relais à semi-conducteurs. Vous pouvez choisir votre propre appareil. Assurez-vous simplement que la consommation électrique soit inférieure à 400 Watts, car c’est à peu près la charge maximale que le relais à semi-conducteurs utilisé ici peut commuter.

Pièces requises

Voici les pièces nécessaires pour ce projet. Évidemment, vous aurez besoin d’un module relais à semi-conducteurs. Mais attention, il existe des modules à déclenchement bas niveau et haut niveau. Bas niveau signifie que le relais s’active lorsque le signal d’entrée est bas. C’est le type que nous utilisons dans ce tutoriel. Si vous achetez un module relais à semi-conducteurs, lisez bien la description pour être sûr d’avoir le bon modèle.

En plus du relais à semi-conducteurs, vous aurez besoin d’un microcontrôleur. J’ai choisi un Arduino UNO, mais vous pouvez utiliser n’importe quel autre Arduino. Si vous souhaitez utiliser un ESP32, c’est possible, mais il vous faudra une carte fournissant une sortie d’alimentation 5V.

Pour l’appareil AC, j’ai voulu commuter une lampe LED COB. Elles fonctionnent sous ~110V ou ~220V. J’ai listé le modèle ~110V ci-dessous. Vous devez choisir un modèle adapté à la tension secteur de votre pays.

Notez que les lampes LED COB sont très lumineuses et chauffent beaucoup. Si vous voulez les allumer plus d’une seconde, vous devez utiliser un dissipateur thermique, de préférence avec un ventilateur de refroidissement ! J’ai listé un dissipateur ci-dessous.

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Relais mécaniques versus relais à semi-conducteurs

Parlons rapidement des différences entre les relais mécaniques courants et le relais à semi-conducteurs utilisé dans ce tutoriel.

Relais mécanique

Un relais mécanique est le type traditionnel qui utilise un électroaimant pour déplacer physiquement un ensemble de contacts. Lorsque le courant traverse sa bobine, un champ magnétique est créé, ce qui attire une petite armature et ferme ou ouvre les contacts du commutateur. Comme la commutation est mécanique, on entend souvent un « clic » distinct à chaque changement d’état du relais.

Les relais mécaniques sont assez polyvalents, peuvent gérer des charges AC et DC, et sont généralement moins chers que leurs homologues à semi-conducteurs. Ils sont aussi très robustes pour commuter des tensions et courants élevés, ce qui en fait un choix populaire dans les systèmes de contrôle industriels, l’électronique automobile et les appareils domestiques.

Cependant, les pièces mobiles introduisent des limites. Les contacts s’usent avec le temps à cause des arcs électriques lors de la commutation de charges inductives, ce qui réduit leur durée de vie. Le mouvement mécanique les rend aussi plus lents, avec des temps de commutation généralement entre 5 et 15 millisecondes. De plus, ils génèrent du bruit électrique lors de la commutation, ce qui peut parfois perturber des circuits sensibles.

Si vous voulez en savoir plus sur les relais mécaniques, consultez nos How To Use A Relay With Arduino et les Interfacing a Relay Module With ESP32 – A Complete Guide tutoriels.

Relais à semi-conducteurs

Un relais à semi-conducteurs (SSR), en revanche, n’a pas de pièces mobiles. Au lieu de contacts physiques, il utilise des composants semi-conducteurs tels que des optocoupleurs, TRIACs, thyristors ou MOSFETs pour effectuer la commutation.

Cette conception les rend beaucoup plus rapides que les relais mécaniques, avec des temps de commutation souvent en microsecondes plutôt qu’en millisecondes. Comme il n’y a pas de contacts physiques, ils fonctionnent silencieusement et ont une durée de vie beaucoup plus longue, car il n’y a pas d’usure mécanique ni d’arc électrique.

Ils sont aussi plus résistants aux vibrations et aux chocs, ce qui les rend adaptés aux environnements où la fiabilité et la durabilité sont cruciales. Un autre avantage est leur faible consommation de puissance de commande : beaucoup de SSR peuvent être déclenchés directement depuis les sorties logiques d’un microcontrôleur comme un Arduino sans besoin d’un transistor externe.

Malgré ces avantages, les relais à semi-conducteurs ont leurs compromis. Comme ils utilisent des dispositifs semi-conducteurs, ils introduisent généralement une petite chute de tension en sortie, ce qui génère de la chaleur. Cela signifie que les SSR nécessitent souvent des dissipateurs thermiques lorsqu’ils pilotent des charges à fort courant.

Ils peuvent aussi laisser passer un très faible courant même lorsqu’ils sont éteints, ce qui peut poser problème dans des applications nécessitant un circuit vraiment ouvert. De plus, alors que les relais mécaniques peuvent commuter facilement AC et DC, la plupart des SSR sont optimisés soit pour AC soit pour DC, pas les deux. Ils sont aussi généralement plus chers que les relais mécaniques.

Résumé

En pratique, le choix entre relais mécanique et relais à semi-conducteurs dépend beaucoup de l’application. Si vous devez commuter de forts courants occasionnellement, souhaitez une solution économique et ne craignez pas le clic, un relais mécanique est généralement le bon choix.

Si vous avez besoin d’une commutation rapide, silencieuse et fiable, surtout dans des environnements où le relais sera sollicité très fréquemment ou où la longévité est importante, alors un relais à semi-conducteurs est préférable.

Module relais à semi-conducteurs

Vous pouvez contrôler un relais à semi-conducteurs directement, mais pour faciliter l’utilisation avec un microcontrôleur et pour des raisons de sécurité, on préfère généralement utiliser quelques composants supplémentaires et un module relais à semi-conducteurs, plutôt que le relais « nu ». La photo ci-dessous montre le module relais à semi-conducteurs utilisé dans ce tutoriel :

Le gros bloc noir au centre est le relais à semi-conducteurs (SSR) proprement dit. C’est un G3MB-202P avec une tension d’entrée de 5V DC capable de commuter des charges AC jusqu’à 240VAC et 2 ampères :

Notez qu’il existe plusieurs variantes du G3MB avec différentes tensions d’entrée et de charge, comme indiqué dans le tableau suivant :

Pour plus de détails, consultez le Datasheet for the G3MB Solid State Relay.

Circuit du module

Comme mentionné, un module relais à semi-conducteurs contient des composants supplémentaires autour du relais proprement dit. Le schéma ci-dessous montre le circuit typique d’un module basé sur le G3MB-202P :

Examinons de plus près le circuit : la diode 1N4007 (D1) protège le circuit d’entrée et le SSR G3MB-202P d’une connexion d’entrée en polarité inversée.

Le transistor pilote S8050 (T1) active le SSR lorsqu’un signal logique haut (H) est appliqué à la broche SIG de l’entrée. Il existe une autre version (celle que nous utilisons ici), avec une entrée de commutation active basse (L) qui utilise le transistor S8550. Si vous regardez attentivement le bas du module, vous pouvez lire « Low Level Trigger » :

Le module nécessite une alimentation 5V DC via la broche 5V de l’entrée et le courant de fonctionnement typique est d’environ 10mA.

La tension du signal de commande (SIG) doit être comprise entre 0-2,5V pour le niveau bas (relais ÉTEINT) et entre 3-5V pour le niveau haut (relais ALLUMÉ). C’est pour la version à déclenchement bas niveau que nous utilisons ici. Le circuit contient aussi une LED rouge (LED1) qui s’allume lorsque le relais est en état ON.

Les contacts de commutation (SW-1 & SW-2) servent à commuter des charges AC 240V jusqu’à 2A et le fusible (F1) protège la sortie. Cela signifie que vous pouvez commuter des appareils AC jusqu’à 240V×2A=480W, mais pour être prudent, limitez-vous à 400 Watts.

Composants du module relais à semi-conducteurs

Vu du dessus, vous pouvez identifier les parties principales du circuit sur le module relais à semi-conducteurs :

Un dernier mot sur la disposition du module. Vous constaterez que la partie haute tension est très proche des broches et pistes basse tension. Il aurait été préférable d’orienter différemment le G3MB-202P sur le PCB pour éloigner davantage les parties haute et basse tension.

Connexion du module relais à semi-conducteurs à l’Arduino

Dans cette section, nous allons connecter le module relais à semi-conducteurs à un Arduino UNO. Commencez par connecter le 5V de l’Arduino à l’entrée DC+ du module SSR et le GND à l’entrée DC-. L’entrée signal CH1 du module peut être connectée à n’importe quelle broche de sortie numérique de l’Arduino. J’ai choisi le GPIO 13, mais n’importe quel autre GPIO numérique fonctionnera aussi.

Du côté haute tension, vous devez connecter votre source de tension AC à la charge AC, par exemple une lampe, via la partie commutation du module. Soyez très prudent lors de la manipulation de hautes tensions !

Pour les tests, j’ai connecté une lampe LED COB 220V, 50 Watts comme charge, comme montré ci-dessous :

Comme je n’ai pas utilisé de dissipateur thermique, j’ai dû m’assurer d’allumer la LED COB seulement pour de très courtes périodes ! Le code de l’exemple suivant active donc la LED COB seulement pendant 100 millisecondes. Comme mentionné, si vous voulez allumer la LED COB plus longtemps, vous devez utiliser un dissipateur thermique – de préférence avec un ventilateur !

Code pour contrôler des appareils AC avec un relais à semi-conducteurs

Le code suivant montre comment contrôler un appareil AC avec le relais à semi-conducteurs. C’est essentiellement le programme Blink simple. Il allume la sortie (lampe) pendant 100 millisecondes puis l’éteint pendant 1 seconde :

const byte relayPin = 13;

void setup() {
  pinMode(relayPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Relay ON    
  digitalWrite(relayPin, LOW);   
  delay(100);    

  // Relay OFF
  digitalWrite(relayPin, HIGH); 
  delay(1000);  
}  

Notez que la logique est inversée (LOW signifie ON) et (HIGH signifie OFF), car nous utilisons un module SSR à déclenchement bas niveau. Si vous avez un SSR à déclenchement haut niveau, inversez simplement la logique.

Avec ce code et une LED COB, vous obtenez essentiellement un flash lumineux très puissant qui pourrait être utilisé dans un système d’alarme pour effrayer les intrus. L’effet stroboscopique est très dérangeant et aveuglant.

Conclusions et commentaires

Dans ce tutoriel, vous avez appris à contrôler une LED COB avec un relais à semi-conducteurs G3MB-202P et un Arduino. Comme le G3MB-202P considère un niveau d’entrée entre 3V et 5V comme haut, vous pourriez utiliser un ESP32 pour le contrôler. Cependant, le G3MB-202P nécessite aussi 5V pour l’alimentation, donc vous aurez besoin d’un ESP32 avec une broche d’alimentation 5V.

Les relais à semi-conducteurs sont excellents si vous avez besoin d’une commutation rapide, silencieuse et fréquente. Mais ils sont plus chers que les relais mécaniques et commutent généralement soit des charges AC soit DC, mais pas les deux.

Si vous devez commuter de forts courants occasionnellement, les relais mécaniques sont souvent un meilleur choix. Pour en savoir plus sur les relais mécaniques, consultez nos How To Use A Relay With Arduino et les Interfacing a Relay Module With ESP32 tutoriels.

Si vous avez des questions, n’hésitez pas à les poser dans la section commentaires.

Bon bricolage ; )