Как можно более эффективно использовать реле?

Похоже, что мы часто используем микроконтроллеры для управления реле, а микроконтроллер 5 В часто используется с реле 12 В. Реле может потребоваться в несколько раз больше энергии, чем микроконтроллер. Не проблема, если вы можете использовать SSR, который вы можете использовать при нескольких мА, но есть ситуации, когда вам нужно электромеханическое реле. Когда, это другое обсуждение. Здесь я сосредоточусь на электромеханике. Итак, каковы некоторые способы более эффективного использования этих реле?

Это становится довольно длинным ответом, но я добавил много красивых картинок, которые не дадут вам уснуть ;-)

Я знаю о бистабильных реле, и они являются значительными сбережениями, но здесь я расскажу о различных решениях для одного и того же незапираемого реле, на случай, если вы не хотите использовать запирающее реле. Это может быть, например, для обратной связи или для более сложных причин. (Одним из способов получения обратной связи является использование одного контакта двухполюсного реле, но затем вы уменьшаете его до однополюсного реле. Трехполюсные реле существуют, но стоят дорого.) В
любом случае, речь идет о вашей обычной недорогой нестабильной реле. Я буду использовать это реле для справки.

Последовательный резистор Дешевый и простой способ снижения мощности, применимый к большинству реле. Обращайте внимание на то, что должно работать напряжение в техническом описании, иногда называемое «напряжением натяжения». Для стандартной версии 12 В вышеупомянутого реле это 8,4 В. Это означает, что реле 12 В также будет работать, если вы подадите на него минимум 8,4 В. Причина такого большого запаса заключается в том, что напряжение 12 В для реле часто не регулируется и может варьироваться, например, в зависимости от допустимого напряжения сети. Проверьте поля на 12 В, прежде чем делать это.
Давайте оставим некоторый запас и перейдем к 9 В. Реле имеет сопротивление катушки 360 Ом, тогда резистор серии 120 Ом вызовет падение напряжения 3 В, а для реле останется 9 В. Рассеиваемая мощность составляет 300 мВт вместо 400 мВт, что позволяет сэкономить 25% энергии при использовании только последовательного резистора.

На этом и других графиках мощность общего решения показана синим цветом, нормализовано для входа 12 В, а наше улучшенное решение - фиолетовым. Ось X показывает входное напряжение.

Регулятор LDO
С последовательным резистором экономия энергии составляет постоянные 25%, соотношение наших резисторов. Если напряжение возрастает, мощность будет расти квадратично. Но если мы сможем поддерживать постоянное напряжение реле независимо от напряжения нашего источника питания, мощность будет расти только линейно с ростом входного напряжения. Мы можем сделать это, используя 9 В LDO для питания реле. Обратите внимание, что по сравнению с последовательным резистором это экономит больше энергии при более высоких входных напряжениях, но меньше, если входное напряжение падает ниже 12 В.
Энергосбережение: 25%.

Чувствительное реле
Это самый простой способ радикально снизить мощность: используйте чувствительную версию реле. Наше реле доступно в стандартной версии, которой требуется 400 мВт, и в чувствительной версии, которая довольна половиной этого.
Так почему бы не всегда использовать чувствительные реле? Во-первых, не все реле относятся к чувствительным типам, и когда они это делают, они часто имеют ограничения, такие как отсутствие переключающих (CO) контактов или ограниченный ток переключения. Они также дороже. Но если вы можете найти тот, который подходит для вашего приложения, я бы, безусловно, рассмотрел его.
Энергосбережение: 50%.

Реле 12 В при 5 В
Здесь мы переходим к Real Savings ™. Сначала мы должны объяснить работу 5 В. Мы уже видели, что мы можем управлять реле при 9 В, поскольку «должно работать напряжение» было 8,4 В. Но 5 В значительно ниже, поэтому реле не будет активировано. Однако оказывается, что «должно работать напряжение» необходимо только для активации реле; после активации он останется активным даже при гораздо более низких напряжениях. Вы можете легко попробовать это. Откройте реле и подайте 5 В на катушку, и вы увидите, что она не активируется. Теперь закройте контакт с кончиком карандаша, и вы увидите, что он остается закрытым. Отлично.

Есть одна загвоздка: откуда мы знаем, что это сработает для нашей эстафеты? Это не упоминает 5 В нигде. Нам нужно «удерживающее напряжение» реле, которое дает минимальное напряжение, чтобы оставаться активным, и, к сожалению, это часто опускается в таблицах данных. Поэтому нам придется использовать другой параметр: «должен сбросить напряжение». Это максимальное напряжение, при котором реле гарантированно выключится. Для нашего реле 12 В это 0,6 В, что очень мало. «Удерживающее напряжение» обычно только немного выше, например 1,5 В или 2 В. Во многих случаях 5 В стоит риска. Нет, если вы хотите запустить 10к / год производства устройства без консультации с производителем реле; у вас может быть много возвратов.

Таким образом, нам нужно только высокое напряжение в течение очень короткого времени, и затем мы можем согласиться на 5 В. Это может быть легко достигнуто с помощью параллельной RC-цепи, включенной последовательно с реле. Когда реле включено, конденсатор разряжается и, следовательно, закорачивает параллельный резистор, так что все 12 В находятся на катушке, и он может активироваться. Затем конденсатор заряжается, и на резисторе падает напряжение, которое уменьшает ток.

Это как в нашем первом примере, только тогда мы пошли на напряжение катушки 9 В, теперь мы хотим 5 В. Калькулятор! 5 В на 360 Ом катушки составляет 13,9 мА, тогда резистор должен быть (12 В - 5 В) / 13,9 мА = 500 Ом. Прежде чем мы сможем найти значение для конденсатора, мы должны еще раз ознакомиться с таблицей данных: максимальное время срабатывания составляет максимум 10 мс. Это означает, что конденсатор должен заряжаться достаточно медленно, чтобы через 10 мс на катушке оставалось 8,4 В. Вот как должно выглядеть напряжение катушки с течением времени:

Значение R для постоянной времени RC составляет 500 Ом параллельно 360 Ом катушки, благодаря Тевенину. Это 209 Ом. Уравнение графа

$V_{COIL} = 5 V + 7 V \cdot e^{\dfrac{-t}{RC}}$

При = 8,4 В, = 10 мс и = 209 Ом мы можем решить для и находим минимум 66 мкФ. Давайте возьмем 100 мкФ. t R $V_{COIL}$$t$$R$$C$

Таким образом, в устойчивом состоянии мы имеем сопротивление 860 Ом вместо 360 Ом. Мы экономим 58% .

Реле 12 В при 5 В, повторное
включение. Следующее решение дает нам такую ​​же экономию при 12 В, но с помощью регулятора напряжения мы будем сохранять напряжение на уровне 5 В, даже если входное напряжение увеличится.

Что происходит, когда мы закрываем выключатель? С1 быстро заряжается до 4,3 В через D1 и R1. В то же время С2 заряжается через R2. Когда порог аналогового переключателя достигнут, переключатель в IC1 переключится, и отрицательный полюс С1 будет подключен к +5 В, так что положительный полюс перейдет к 9,3 В. Этого достаточно для активации реле, и после разряда С1 реле питается от 5 В до D1.

Так в чем же наша выгода? Мы имеем 5 В / 360 Ом = 14 мА через реле и поступаем от 12 В через LM7805 или аналогичный, что составляет 167 мВт вместо 400 мВт.
Энергосбережение: 58%.

Реле 12 В при 5 В, повтор 2
Мы можем добиться еще большего успеха, используя SMPS, чтобы получить 5 В от нашего источника питания 12 В. Мы будем использовать ту же схему с аналоговым коммутатором, но сэкономим гораздо больше. При эффективном SMPS 90% мы экономим 80% (!) .

(графики сделаны с помощью Mathematica)

Стивенвх дал прекрасный ответ, но в списке нет решения, которое я использую каждый раз, когда могу: пошаговые реле.

Они потребляют энергию только при изменении состояния реле.

Конечно, это делает электронику более сложной, потому что вам нужен способ узнать состояние реле при запуске микроконтроллера, но во многих случаях это экономит много энергии. В моей домашней системе автоматизации замена 24 «стандартных» реле на ступенчатые сэкономила почти 98% энергии, потребляемой платой микроконтроллера.

Итак, каковы некоторые способы более эффективного использования этих реле?

Ниже описана наиболее эффективная система в принципе, которую можно использовать с «обычным» реле без фиксации. Эта схема будет работать с эталонным реле Стивена или любым другим реле.

• Схема ниже использует катушку реле в качестве индуктора в понижающем преобразователе для достижения экономии энергии в несколько-много раз лучше, чем это может быть достигнуто наилучшими возможными схемами линейного регулирования. Он не может конкурировать в течение длительного периода времени с эффективностью нулевого тока механических решений с запирающим реле или шаговых реле, НО может быть реализован с любым стандартным и неизмененным реле.

  Если эффективность преобразования является единственным показателем, то эта схема превосходит все, что может быть достигнуто при удерживающем напряжении менее чем около 50% от источника питания, и будет превосходить в большинстве случаев.

  Количество компонентов выше, чем для простых резистивных или регулирующих схем, но скромно, когда энергосбережение жизненно необходимо. Требование, как показано ниже, касается 2 «желейных» транзисторов, 8 резисторов, 2 диодов, одного стабилитрона и 2 конденсаторов. Это может быть немного уменьшено с осторожностью.

  При желании вместо этого можно использовать систему стабилизатора напряжения на основе микросхемы, все еще используя катушку реле в качестве индуктора.

Чрезвычайно блестящая схема, представленная ниже, была предложена Ричардом Проссером в ответ на проблему недорогой конструкции переключающего регулятора, о которой я говорил? 8 лет назад. Хотя число компонентов немного выше, чем во многих других решениях по энергосбережению, оно, как правило, будет более эффективным и намного более эффективным, чем типичные альтернативы, и действительно выделяется, когда напряжение удержания реле V_hold_in намного меньше, чем напряжение питания. В показанном примере напряжение питания составляет от 20 до 70 В, но схема может быть рассчитана на любой допустимый диапазон напряжения.

Как показано здесь, схема управляет реле при постоянном токе. Характеристики включения можно легко изменить, чтобы изначально обеспечить более высокий ток возбуждения, но схема, как показано, обычно будет очень приемлемой.

Главным достоинством схемы является реализация привода постоянного тока для катушки реле W с использованием самой индуктивности реле в качестве индуктора в стабилизаторе напряжения. Подаваемое напряжение понижается до любого напряжения, необходимого для обеспечения требуемого уровня привода. Это может быть сделано и предназначено для возбуждения катушки при определенном напряжении или определенном токе.

Даже при очень высоких приложенных напряжениях, когда КПД ниже (вероятно, около 50% при очень высоких значениях Vin), экономия энергии значительна.
Рассмотрим - если напряжение удержания реле составляет 5 В, а напряжение питания - 30 В. Последовательный резистор или линейный регулятор не могут достичь эффективности лучше, чем Vrelay / Vsupply = 5/30 ~ = 16%. НО это требует, чтобы ток удержания реле при 5 В подавался от источника 30 В, поэтому рассеяние мощности = Iholdin x 30. При использовании понижающего преобразователя мощность = Vrelay x I, удержание x 100% / КПД%.
При КПД 50% коэффициент усиления составляет 30 В / 5 В x 50/100 = 3: по сравнению с самым лучшим, что может быть достигнуто с системой без коммутации.

• Коэффициент снижения мощности = Vsupply / Vholdin х КПД% / 100%

Опять же, это выигрыш относительно самой лучшей линейной системы, которая может быть достигнута.

Упрощенное описание работы - более подробная информация доступна при необходимости:

Звоните по стабилитрону Z1. Напряжение стабилитрона Vz1.

Q1 база удерживается на опорное напряжение по vz1 делит на R9, R2.
Когда Irelay = 0, Q1_E =) так Q1 включен, так Q2 включен, так что I_relay повышается.
Когда Irelay повышается, V_R7 повышается, пока Q1E не станет достаточно высоким, чтобы начать выключать Q1.
Отключение Q1 выключает Q2 и обороты «свободного хода» реле через D3, R7.
R1, C2 образуют временную задержку в восприятии падения V_R7, когда I_relay падает, обеспечивая гистерезис.
Различные другие взаимодействия происходят, но они вторичны по отношению к основным эффектам, описанным выше.

"Black Switchjing Regulator" - от Романа Блэка:

Относительно известный «черный импульсный регулятор» был получен из этой схемы как следствие проблемы проектирования.

Ссылка Cicruit не работает, но

обсуждение

Непроверенная схема печатной платы здесь - чрезмерно увлеченный может вывести схему из этого с относительной легкостью.

Um.
Ниже приведена художественная версия ASCII, которую я сохранил на диске, вероятно, копия с оригинальной веб-страницы. Производительность не изумительна по сравнению с эффективностью или падением Vout с нагрузкой или Vin, но это дешево :-). «Мой» GSR использует еще один транзистор, поэтому он не столь минималистичен по стоимости компонентов, но в целом имеет гораздо лучшие характеристики. Но это другая история.

Шаговые реле были упомянуты Аксеманом.

Есть также бистабильные реле блокировки .

Схема может быть достаточно легко разработана для накопления энергии и подачи ее на катушку отключения, когда питание отключено от основного входа, что делает работу внешне идентичной обычному реле с одной катушкой.

Ниже - один из вариантов запирающего реле - некоторые имеют отдельную обесточивающую катушку:

Вы можете проверить последние идеи дизайна EDN .

По сути, вы получаете умножитель постоянного тока и один транзистор для его включения и выключения. Множитель дает тот начальный «удар», который вам нужен, но затем его установившееся напряжение намного ниже. В схеме нет ничего критичного, и его можно адаптировать практически для любого реле или соленоида.

Реле по-прежнему имеют много преимуществ по сравнению с SSR, и критерии выбора будут отличаться при выборе большого объема или высокой надежности для автомобильных нужд. Время жизни переключения составляет 10e5 и 10e6 при консервативном использовании.

Для тех, кто еще не разбирается в выборе реле, повышение осведомленности об общих функциях поможет оптимизировать эффективное соответствие производительности потребностям.

• Производство реле требует многолетнего опыта, выбор надежного источника требует тщательной проверки качества поставщика.

• Реле эффективно имеют мощность и ток, как и транзисторы.

  • Рассмотрим силовые транзисторные переключатели с hFE 100, когда они работают в насыщенном режиме, необходимо проектировать с усилением тока от 5 до 10 в цепи.
  • Реле не имеют смещения или проблем с электростатическим разрядом при типичной изоляции> 1 кВ, а усиление тока от 50 до 100 является обычным. Большее усиление доступно на реле с низким напряжением катушки.

• Реле имеют общие описания форм-факторов для SPST, SPDT, 2P2T ... 6P2T (примеры переключения)

  • Реле может быть определено числом полюсов и контактов или «бросков», но стандартизированное описание использует Форм-факторы.
  • Double Throw или DT выпускаются в 3 формах, в зависимости от того, какое из 3 мест обозначено как "полюс", а два других - как "броски", обозначенные как нормально закрытые или открытые (NC / NO), и называются Форма A, Форма B, Форма С.
  • Один пример DPDT в форме A называется "2-Form A", иногда сокращенно 2FA
  • Эти формы имеют стандартный контактный номер или расположение для DIP-14, автомобильной техники, силовых реле (общего назначения) », сигнальных реле (например, телефонии), радиочастотного реле, герконового реле, реле> = 100A (контактор) и т. Д.

Способы неправильного использования реле (читай .. ниже MTBF)

• Используйте 1 A номинальный контакт для 10 мА. Для слабых токовых сигналов требуются позолоченные контакты для предотвращения окисления, что обеспечивает очень хороший контакт с изолятором.
• Используйте сигнальное реле 100 мА с Au-покрытием в конструкции с низким энергопотреблением, но с большими колпачками, которые создают огромные выбросы для вспышки золотой пластины и прожигания.
• Используйте маленький, но низкий ESR cap. через контакты редко используемых или слабо используемых силовых контактов. Изоляция из диэлектрического оксида сгорает при каждом закрытии крышки. и ваши сигналы могут быть включены на реле с номинальной мощностью (читай ... без позолоты). Это было отличное решение для меня в 1977 году, когда я спроектировал коробку с реле 96x 15 ~ 30A каждый с дополнительными контактами для дистанционного контроля состояния реле. Ток TTL был недостаточен для «смачивания» чувствительных контактов, но добавление небольшой танталовой крышки, вытянутой до V + с большим R, устранило проблему надежности запасных контактов.
• Используйте слабый источник питания для привода катушки. Это может привести к падению обмотки реле ниже минимального необходимого напряжения, и если есть реактивная нагрузка со значительным искрением и чрезмерным отскоком контакта от слабого привода катушки, вызывающим «дребезг контактов»
• не забудьте поставить зажимные диоды на катушки, рассчитанные на> 2x ​​напряжение питания.
• не ставьте катушки реле на чувствительные линии Analog Power V +.
• не используйте неэкранированные реле рядом с чувствительными магнитными цепями, например, радиоприемниками и т. д., не зная об ориентации электромагнитных помех.

• Когда вы рассматриваете хитрые методы, чтобы сохранить рассеяние напряжения в катушке, протестируйте сотню на надежность и добавьте 6sigma для аварийных ситуаций / сбоев производства в любой конструкции для MTBF и рассмотрите все факторы напряжения, такие как температура, вибрация, высота, влажность и т. Д. ...

• Одно из главных применений реле - это шунтирование цепи «плавного пуска» через секунду или более после включения, чтобы повысить эффективность и избежать скачков напряжения. Это может предотвратить скачки напряжения при кратковременном отключении питания, если использовать просто PTC для плавного пуска. Это приводит к кратковременному снижению эффективности, но защищает критические компоненты или характеристики выхода. с низкими входными импульсными токами.

Не стесняйтесь добавлять в мой список.

Вы можете вдвое уменьшить ток реле с помощью конденсатора и резистора. конденсатор питает реле при запуске, резистор уменьшает ток при удержании.