Pourquoi les prises intelligentes bon marché sont-elles si encombrantes ?

Les prises intelligentes sont encombrantes car le courant secteur nécessite un espace physique pour être manipulé en toute sécurité. À l'intérieur de ce boîtier en plastique, votre prise intelligente doit convertir le courant alternatif haute tension en courant continu basse tension, abriter un interrupteur mécanique physique, isoler les pistes de puissance élevée de la logique de faible puissance et dissiper la chaleur résiduelle sans prendre feu.

Les modèles bon marché sont particulièrement agaçants car la miniaturisation de ces composants électroniques coûte cher en ingénierie.

Points clés à retenir

• Les règles de dégagement haute tension obligent les circuits imprimés à maintenir un espace physique de plusieurs millimètres entre les pistes du secteur et les microcontrôleurs.
• Un relais électromécanique doit être suffisamment grand pour actionner un contact en cuivre à travers un espace d'air de 15 ampères sans arc électrique.
• Les prises bon marché utilisent des transformateurs et des condensateurs radiaux génériques, prêts à l'emploi, plutôt que des composants planaires empilés sur mesure.
• La dissipation thermique nécessite un volume d'air vide à l'intérieur du boîtier de la prise pour éviter l'accumulation de chaleur lors de charges continues.

Qu'est-ce qui est réellement emballé à l'intérieur du boîtier ?

Une prise intelligente n'est pas juste un adaptateur. C'est un ordinateur entier, une station de radio et un interrupteur industriel cramponnés dans un seul boîtier.

Lorsque vous ouvrez une prise intelligente typique et bon marché, vous trouverez deux sections opérationnelles distinctes :

1. Le côté haute tension : Il gère le courant alternatif brut de 120 V (Amérique du Nord) ou 230 V (Europe et ailleurs) directement depuis votre mur. Il comporte des barres omnibus en cuivre épaisses conçues pour supporter en continu un courant de 10 à 15 ampères.
2. Le côté logique basse tension : Il exécute un microcontrôleur de 3,3 V, tel qu'une puce Espressif Systems ESP8266 ou ESP32, ainsi qu'un module radio Wi-Fi ou Zigbee.

Passer de 120 V CA à 3,3 V CC nécessite du matériel. La prise a besoin d'un mini transformateur, d'un pont redresseur pour convertir le CA en CC, de condensateurs de filtrage pour lisser les ondulations électriques et d'un régulateur de tension.

Même les alimentations à découpage miniatures ont des limites physiques strictes. Les noyaux magnétiques et les enroulements en cuivre des transformateurs ne peuvent pas être réduits au-delà d'un certain point sans saturer et surchauffer sous charge.

Pourquoi les normes de sécurité imposent-elles des distances physiques ?

L'électricité peut sauter à travers l'air ou ramper à la surface d'une carte de circuit imprimé si le chemin de moindre résistance le permet. Les laboratoires de tests de sécurité tels que UL Standards imposent des règles strictes pour les distances de dégagement et les distances d'isolement.

Le dégagement est la distance la plus courte dans l'air entre deux parties conductrices. L'isolement est la distance la plus courte le long de la surface d'un matériau isolant entre elles.

Pour les appareils électroniques grand public exposés aux tensions du secteur, les règles de sécurité électrique exigent couramment des distances de fuite de 3 à 6 millimètres entre les broches haute tension et les circuits basse tension accessibles à l'utilisateur. Les concepteurs créent souvent des fentes de routage physiques directement dans la carte de circuit imprimé en fibre de verre pour éviter le cheminement de surface.

Vous ne pouvez pas compresser ces conceptions de cartes indéfiniment. Si une surtension frappe le câblage de votre maison, une prise qui aurait placé ces pistes à un demi-millimètre plus près pourrait créer un arc électrique, un court-circuit et faire fondre votre prise murale.

Pourquoi utilisent-ils toujours des relais mécaniques ?

Presque toutes les prises intelligentes à moins de vingt dollars utilisent un relais électromécanique pour allumer et éteindre l'alimentation. Vous pouvez l'entendre fonctionner : ce clic mécanique net lorsque vous actionnez l'interrupteur est un levier physique qui bascule à l'intérieur d'un cube en plastique scellé.

Les interrupteurs à semi-conducteurs comme les triacs ou les MOSFET existent et prennent peu de place, mais ils entraînent une pénalité sévère pour les prises domestiques simples. Les interrupteurs à semi-conducteurs génèrent une chaleur constante proportionnelle au courant qui les traverse. Sous une charge de 12 ampères provenant d'un radiateur portable, un interrupteur à semi-conducteurs génère une puissance thermique notable qui ferait cuire une prise en plastique scellée sans un énorme dissipateur thermique en aluminium.

Un relais physique, en revanche, utilise des contacts à ressort en argent-nickel ou en oxyde d'étain argenté. Une fois fermés, la résistance de contact est pratiquement nulle, générant très peu de chaleur à pleine charge.

Le hic, c'est le volume. Un relais capable d'interrompre un circuit standard de 15 ampères à 125 V CA a une empreinte physique standardisée. Ce petit bloc relais en plastique à lui seul consomme environ 15 par 20 par 15 millimètres de volume mort à l'intérieur du boîtier.

Pourquoi les prises économiques sont-elles beaucoup plus épaisses que les prises haut de gamme ?

L'outillage et la sélection des composants dictent le volume extérieur. La miniaturisation est un choix de fabrication coûteux.

Les marques économiques s'approvisionnent en composants standard, prêts à l'emploi. Elles utilisent des condensateurs électrolytiques hauts et cylindriques qui doivent être placés verticalement ou assis maladroitement sur le côté sur une carte plate.

Pour réduire les coûts de production des cartes multicouches, les fabricants économiques s'en tiennent à des circuits imprimés simples, simple face ou double face. Cela nécessite d'étaler les pièces horizontalement sur un large plan.

Les prises plus compactes divisent les composants internes sur deux ou trois petites cartes empilées les unes sur les autres comme un petit sandwich. Une carte gère le relais haute tension et la conversion de puissance ; une autre contient la radio Wi-Fi et le microcontrôleur.

L'empilage de cartes nécessite des câbles plats personnalisés, des connecteurs à broches, des processus de refusion de soudure spécialisés et des transformateurs plats sur mesure. Cette ingénierie double facilement le coût de fabrication de l'assemblage interne.

Le placement de la radio aggrave-t-il le problème ?

Une prise intelligente est encapsulée dans des matériaux à forte interférence. Les broches épaisses en cuivre, les pistes de commutation denses et le bruit électromagnétique du transformateur interne nuisent tous aux signaux radiofréquences.

Pour éviter que votre connexion Wi-Fi 2,4 GHz ou Thread ne se coupe chaque fois que le relais s'active, l'antenne sans fil a besoin d'un espace dégagé. L'antenne à circuit imprimé doit être éloignée des plans d'alimentation en cuivre et des composants sous tension secteur.

Les ingénieurs poussent fréquemment l'antenne vers le bord extérieur du boîtier, près de la face avant. Cela étend le boîtier en plastique vers l'avant et vers l'extérieur dans votre salon, vous laissant avec une brique disgracieuse accrochée à votre prise murale.

Comment acheter une prise qui ne bloquera pas vos autres prises

Si vous en avez assez de perdre l'accès à la deuxième prise sur une prise double standard, arrêtez d'acheter des prises rondes ou purement carrées.

Recherchez spécifiquement des conceptions rectangulaires horizontales. Une prise mesurant 38 millimètres (environ 1,5 pouce) ou moins en hauteur verticale peut se placer sur la prise supérieure sans empiéter sur la broche de terre de la prise située en dessous.

Alternativement, évitez complètement la prise intelligente. Si vous avez l'assurance nécessaire en matière de câblage, installez plutôt une prise intelligente murale. Les unités murales cachent le transformateur, le relais et les radios directement à l'intérieur de la boîte de jonction électrique derrière votre cloison sèche, laissant des prises standard et encastrées sur votre mur.