Quali sono alcuni modi per utilizzare i relè in modo più efficiente?

Spesso sembriamo utilizzare microcontrollori per controllare i relè e un microcontrollore da 5 V viene spesso utilizzato con relè da 12 V. Un relè può richiedere più volte più potenza del microcontrollore. Non è un problema se puoi usare un SSR, che puoi guidare a pochi mA, ma ci sono situazioni in cui è necessario un relè elettromeccanico. Quando, è un'altra discussione. Qui mi concentrerò sull'elettromeccanico. Quindi, quali sono alcuni modi per utilizzare quei relè in modo più efficiente?

Questa sta diventando una risposta piuttosto lunga, ma ho aggiunto molte belle immagini, che dovrebbero impedirti di addormentarti ;-)

Sono a conoscenza di relè bistabili, e sono i grandi risparmiatori, ma qui discuterò diverse soluzioni tutte per lo stesso relè non a ritenuta, nel caso in cui non si desideri utilizzare un relè a ritenuta. Questo potrebbe essere per feedback, o per motivi di guida più complicati, per esempio. (Un modo per ottenere feedback è usare un contatto di un relè bipolare, ma poi lo si riduce a un relè unipolare. Esistono relè a tre poli, ma sono costosi.)
Comunque, si tratta del vostro comune, a basso costo astable relè. Userò questo relè come riferimento.

Resistore serie
Un modo economico e semplice per ridurre la potenza e applicabile alla maggior parte dei relè. Fare attenzione alla tensione deve funzionare nel foglio dati, a volte chiamata "tensione pull-in". Per la versione standard da 12 V del relè sopra 8,4 V. Ciò significa che il relè da 12 V funzionerà anche se si applicano almeno 8,4 V ad esso. La ragione di questo ampio margine è che spesso i 12 V per i relè non sono regolati e possono variare, ad esempio con tolleranze di tensione di rete. Controllare i margini sulla 12 V prima di procedere.
Manteniamo un po 'di margine e andiamo per 9 V. Il relè ha una resistenza della bobina di 360 Ω, quindi un resistore serie 120 Ω provocherà una caduta di 3 V e 9 V rimanenti per il relè. La dissipazione di potenza è di 300 mW invece di 400 mW, con un risparmio di energia del 25%, con un solo resistore in serie.

In questo e negli altri grafici, la potenza della soluzione comune è mostrata in blu, normalizzata per l'ingresso a 12 V e la nostra soluzione migliorata in viola. L'asse x mostra la tensione di ingresso.

Regolatore LDO
Con il resistore serie i risparmi energetici sono costanti del 25%, il rapporto dei nostri resistori. Se la tensione aumenta, la potenza aumenta in modo quadratico. Ma se possiamo mantenere costante la tensione del relè, indipendentemente dalla nostra tensione di alimentazione, la potenza aumenterà in modo lineare solo con l'aumento della tensione di ingresso. Possiamo farlo usando un LDO a 9 V per alimentare il relè. Si noti che rispetto alla resistenza in serie ciò consente di risparmiare più energia a tensioni di ingresso più elevate, ma inferiore se la tensione di ingresso scende al di sotto di 12 V.
Risparmio energetico: 25%.

Relè sensibile
Questo è il modo più semplice per ridurre drasticamente la potenza: utilizzare la versione sensibile del relè. Il nostro relè è disponibile in una versione standard che richiede 400 mW e una versione sensibile che ne è contenta per metà.
Quindi perché non utilizzare sempre relè sensibili? Innanzitutto, non tutti i relè sono di tipo sensibile e quando lo fanno spesso hanno delle restrizioni, come nessun contatto di scambio (CO) o una corrente di commutazione limitata. Sono anche più costosi. Ma se riesci a trovarne uno adatto alla tua applicazione, lo prenderei sicuramente in considerazione.
Risparmio energetico: 50%.

Relè 12 V a 5 V
Qui arriviamo al Real Savings ™. Innanzitutto dovremo spiegare l'operazione a 5 V. Abbiamo già visto che possiamo far funzionare il relè a 9 V, poiché la "tensione di funzionamento obbligatoria" era 8,4 V. Ma 5 V è notevolmente inferiore a quello, quindi non attiverà il relè. Sembra, tuttavia, che "la tensione deve funzionare" è necessaria solo per attivare il relè; una volta attivato rimarrà attivo anche a tensioni molto più basse. Puoi facilmente provare questo. Apri il relè e posiziona 5 V attraverso la bobina, e vedrai che non si attiva. Ora chiudi il contatto con la punta di una matita e vedrai che rimane chiuso. Grande.

C'è un problema: come sappiamo che funzionerà per la nostra staffetta? Non menziona il 5 V da nessuna parte. Ciò di cui abbiamo bisogno è la "tensione di mantenimento" del relè, che fornisce la tensione minima per rimanere attivata, e sfortunatamente ciò viene spesso omesso nei fogli di dati. Quindi dovremo usare un altro parametro: "deve rilasciare la tensione". Questa è la tensione massima alla quale il relè verrà disattivato. Per il nostro relè 12 V è 0,6 V, che è davvero basso. La "tensione di mantenimento" è di solito solo un po 'più alta, come 1,5 V o 2 V. In molti casi vale la pena di 5 V. Non se si desidera eseguire una produzione di 10k / anno del dispositivo senza consultare il produttore del relè; potresti avere molti ritorni.

Quindi abbiamo bisogno dell'alta tensione solo per un tempo molto breve, e quindi possiamo accontentarci di 5 V. Ciò può essere facilmente ottenuto con un circuito RC parallelo in serie con il relè. Quando il relè è acceso, il condensatore viene scaricato e quindi cortocircuita la resistenza parallela, in modo che i 12 V completi si trovino attraverso la bobina e possano attivarsi. Il condensatore viene quindi caricato e ci sarà una caduta di tensione attraverso la resistenza che riduce la corrente.

Questo è come nel nostro primo esempio, solo allora abbiamo optato per una tensione della bobina da 9 V, ora vogliamo un calcolatore da 5 V. 5 V attraverso 360 Ω della bobina è 13,9 mA, quindi la resistenza dovrebbe essere (12 V - 5 V) / 13,9 mA = 500 Ω. Prima di trovare il valore per il condensatore, è necessario consultare nuovamente la scheda tecnica: il tempo massimo di funzionamento è massimo di 10 ms. Ciò significa che il condensatore dovrebbe caricarsi abbastanza lentamente da avere ancora 8,4 V attraverso la bobina dopo 10 ms. Ecco come dovrebbe apparire la tensione della bobina nel tempo:

Il valore R per la costante di tempo RC è il 500 Ω parallelo alla 360 Ω della bobina, dovuto a Thévenin. Sono 209 Ω. L'equazione del grafico è

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

$V_{COIL}$$t$$R$$C$

Quindi allo stato stazionario abbiamo una resistenza di 860 Ω invece di 360 Ω. Stiamo risparmiando il 58% .

Relè 12 V a 5 V, ripresa
La seguente soluzione ci offre gli stessi risparmi a 12 V, ma con un regolatore di tensione manterremo la tensione a 5 V, anche se la tensione di ingresso aumentasse.

Cosa succede quando chiudiamo l'interruttore? C1 viene rapidamente caricato a 4,3 V tramite D1 e R1. Allo stesso tempo, C2 viene caricato tramite R2. Quando viene raggiunta la soglia dell'interruttore analogico, l'interruttore in IC1 commuta e il polo negativo di C1 verrà collegato a +5 V, in modo che il polo positivo vada a 9,3 V. Questo è sufficiente per l'attivazione del relè e dopo che C1 è stato scaricato il il relè è alimentato da 5 V a D1.

Quindi qual è il nostro guadagno? Abbiamo 5 V / 360 Ω = 14 mA attraverso il relè e provengono da un 12 V tramite un LM7805 o simile che è 167 mW anziché 400 mW.
Risparmio energetico: 58%.

Relè 12 V a 5 V, ripresa 2
Possiamo fare ancora meglio usando un SMPS per ottenere i nostri 5 V dal nostro alimentatore a 12 V. Useremo lo stesso circuito con l'interruttore analogico, ma risparmieremo molto di più. Con un SMPS efficiente al 90% abbiamo un risparmio energetico dell'80% (!) .

(grafici realizzati con Mathematica)

stevenvh ha dato una risposta meravigliosa, ma c'è una soluzione non elencata che uso ogni volta che posso: i relè a gradino.

Consumano energia solo quando si cambia lo stato del relè.

Naturalmente, rende l'elettronica più complessa perché è necessario un modo per conoscere lo stato del relè all'avvio del microcontrollore, ma in molti casi consente di risparmiare molta energia. Nel mio sistema di automazione domestica, la sostituzione di 24 relè "standard" con quelli a gradino ha permesso di risparmiare quasi il 98% dell'energia consumata dalla scheda del microcontrollore.

Quindi, quali sono alcuni modi per utilizzare quei relè in modo più efficiente?

Di seguito viene descritto il sistema più efficiente in linea di principio che può essere utilizzato con un relè "normale" senza blocco. Questo circuito funzionerà con il relè di riferimento di Steven - o con qualsiasi altro relè.

• Il circuito in basso utilizza la bobina del relè come induttore in un convertitore buck per ottenere risparmi di energia diverse da molte volte migliori di quanto si possa ottenere dai migliori schemi di regolazione lineare possibili. Non può competere a lungo con l'efficienza a corrente zero delle soluzioni di relè a ritenuta meccanica o di relè passo-passo, MA può essere implementata con qualsiasi relè standard e non modificato.

  Se l'efficienza della conversione è l'unica metrica, questo schema è superiore a tutto ciò che può essere ottenuto per una tensione di mantenimento inferiore a circa il 50% dell'alimentazione e nella maggior parte dei casi sarà superiore.

  Il conteggio dei componenti è più elevato rispetto ai semplici schemi resistivi o basati su regolatori, ma è modesto quando il risparmio energetico è vitale. Il requisito mostrato di seguito è per 2 transistor "jellybean", 8 resistori, 2 diodi, un diodo zener e 2 condensatori. Questo potrebbe essere leggermente ridotto con cura.

  Se lo si desidera, è possibile utilizzare un sistema di regolazione buck basato su IC, che utilizza comunque la bobina del relè come induttore.

Il circuito assolutamente brillante di seguito è stato contribuito da Richard Prosser in risposta a una sfida di progettazione del regolatore di commutazione a basso costo che ho lanciato? 8 anni fa. Mentre il conteggio dei componenti è un po 'più alto rispetto a molte altre soluzioni di risparmio energetico, questo sarà in genere più efficiente a molto più efficiente delle alternative tipiche, e si distingue davvero quando la tensione di mantenimento del relè V_hold_in è molto inferiore alla tensione di alimentazione. Nell'esempio mostrato la tensione di alimentazione è compresa tra 20 V e 70 V, ma il circuito può essere progettato per qualsiasi intervallo di tensione sensibile.

Come mostrato qui, il circuito aziona un relè a corrente costante. Le caratteristiche di accensione potrebbero essere facilmente modificate per fornire inizialmente una corrente di pilotaggio più elevata, ma il circuito come mostrato sarà generalmente molto accettabile.

La brillantezza chiave del circuito è l'implementazione di un convertitore di corrente costante alla bobina del relè w utilizzando l'induttanza del relè stesso come induttore in un regolatore buck. La tensione applicata viene ridotta a qualsiasi tensione richiesta per fornire il livello di azionamento richiesto. Questo può essere pensato e progettato come il pilotaggio della bobina a tensione o corrente definite.

Anche a tensioni applicate molto elevate in cui l'efficienza è inferiore (probabilmente fino a circa il 50% a Vin molto elevato) i risparmi energetici sono sostanziali.
Considerare: se la tensione di mantenimento del relè è di 5 V e la tensione di alimentazione è di 30 V, dire. Un resistore in serie o un regolatore lineare non possono raggiungere un'efficienza migliore di Vrelay / Vsupply = 5/30 ~ = 16%. MA ciò richiede che la corrente di mantenimento del relè a 5 V sia fornita dall'alimentazione a 30 V, quindi la dissipazione di potenza = Iholdin x 30. Quando viene utilizzato un convertitore buck potenza = Vrelay x I holdin x 100% / efficienza%.
Con un'efficienza del 50%, il guadagno è un fattore di 30 V / 5 V x 50/100 = 3: rispetto al meglio che si può ottenere con un sistema senza commutazione.

• Fattore di riduzione della potenza = Vsupply / Vholdin x efficienza% / 100%

Ancora una volta, questo è il guadagno relativo al miglior sistema lineare che è possibile ottenere.

Descrizione operativa semplificata - ulteriori dettagli disponibili se richiesti:

Chiama zener Z1. Tensione di Zener Vz1.

La base Q1 è mantenuta ad una tensione di riferimento da Vz1 divide per R9, R2.
Quando Irelay = 0, Q1_E =), allora Q1 su così Q2 su così I_relay in aumento.
Quando Irelay sale, V_R7 aumenta fino a quando Q1E è abbastanza alto da iniziare a disattivare Q1.
Lo spegnimento di Q1 disattiva Q2 e trasmette le "ruote libere di corrente tramite D3, R7.
R1, C2 formano un ritardo nel rilevamento della caduta di V_R7 quando I_relay cade fornendo quindi isteresi.
Varie altre interazioni si verificano ma sono secondarie agli effetti principali sopra.

"Black Switchjing Regulator" - di Roman Black:

Il relativamente noto "Black Switching Regulator" è stato derivato da questo circuito come conseguenza della sfida progettuale.

Collegamento ciclici interrotto ma

Discussione

Layout PCB non testato qui : l'eccessivo acuto può derivare il circuito da questo con relativa facilità.

Um.
Di seguito è una versione di arte ASCII che avevo salvato su disco, che è probabilmente una copia dalla pagina Web originale. Le prestazioni non sono meravigliose effiicncy wrt o Vout droop con carico o Vin, ma è economico :-). "My" GSR utilizza un altro transistor, quindi non è altrettanto minimalista in termini di costi dei componenti, ma ha specifiche molto migliori in generale. Ma questa è un'altra storia.

I relè a gradino sono stati citati da Axeman.

Esistono anche relè bistabili a ritenuta .

Un circuito potrebbe essere abbastanza facilmente concepito per immagazzinare energia e applicarlo alla bobina di ritardo quando l'alimentazione è stata rimossa dall'ingresso principale, rendendo l'operazione esternamente identica a un normale relè a bobina singola.

Sotto - una versione del relè di ritenuta - alcuni hanno una bobina di diseccitazione separata:

Potresti voler dare un'occhiata a una recente idea di design EDN .

In sostanza si finisce con un moltiplicatore DC e un singolo transistor per accenderlo e spegnerlo. Il moltiplicatore dà quel "calcio" iniziale di cui hai bisogno, ma poi la sua tensione allo stato stazionario è molto più bassa. Non c'è nulla di critico nel circuito e può essere adattato per quasi tutti i relè o solenoidi.

I relè hanno ancora molti vantaggi rispetto ai SSR e i criteri di selezione saranno diversi quando si sceglie un volume elevato o un'affidabilità elevata per le esigenze automobilistiche. Il cambio della durata della vita è di 10e5 e 10e6, se usato in modo conservativo.

Per coloro che non sono già esperti nelle scelte dei relé, aumentare la consapevolezza delle caratteristiche comuni aiuterà a ottimizzare l'adattamento efficiente delle prestazioni alle esigenze.

• I relè di produzione richiedono decenni di esperienza, la selezione di una fonte affidabile richiede la dovuta diligenza sulla qualità dei fornitori.

• I relè hanno effettivamente potenza e guadagno di corrente proprio come i transistor.

  • Considera gli interruttori a transistor di potenza, con un hFE di 100, quando azionati in modalità saturata, è necessario progettare con un guadagno di corrente da 5 a 10 nel circuito.
  • I relè non presentano problemi di offset o ESD con isolamento> 1 kV tipico e un guadagno di corrente da 50 a 100 è comune. Più guadagno è disponibile sui relè efficienti a tensione di bobina ridotta.

• I relè hanno descrizioni comuni del fattore di forma per SPST, SPDT, 2P2T ... 6P2T (esempi di switch)

  • Il relè può essere definito dal numero di poli e contatti o "passi", ma la descrizione standardizzata utilizza i fattori di forma.
  • Double Throw o DT è disponibile in 3 forme, a seconda di quale delle 3 posizioni è designata come "polo" e le altre due come "tiri" designate come Normalmente Chiuse o Aperte (NC / NO) e sono chiamate Modulo A, Modulo B, Modulo C.
  • Un esempio di DPDT nella forma A è chiamato "2-forma A" a volte abbreviato 2FA
  • Questi moduli hanno pin o posizioni standard per DIP-14, Automotive, relè di potenza (uso generale) ", relè di segnale (ad es. Telefonia), relè RF, relè reed,> = relè 100A (aka contattore) ecc.

Modi di uso improprio dei relè (leggi .. MTBF inferiore)

• Utilizzare un contatto da 1 A per 10 mA. I segnali a bassa corrente hanno bisogno di contatti dorati per prevenire l'ossidazione, il che rende perfettamente un contatto con un isolante.
• Usa un relè di segnale da 100 mA con placcatura Au su un design a bassa potenza ma ha tappi di grandi dimensioni che creano enormi sovratensioni per lastre dorate e bruciano.
• Utilizzare un cappuccio ESR piccolo ma basso. attraverso i contatti di contatti di potenza usati di rado o leggermente usati. L'isolamento di ossido dielettrico viene bruciato da ogni chiusura contrattuale del cappuccio. e i tuoi segnali possono essere attivati ​​su relè di potenza nominale (leggi ... non placcati in oro). Questa è stata un'ottima soluzione per me nel 1977 quando ho progettato una scatola con relè 96x 15 ~ 30A ciascuno con contatti extra per il rilevamento remoto dello stato dei relè. La corrente TTL non era sufficiente per "bagnare" i contatti di rilevamento, ma l'aggiunta di un piccolo tappo di tantalio tirato su V + con una grande R, risolveva un problema di affidabilità dei contatti di riserva.
• Utilizzare un'alimentazione debole per guidare la bobina. Ciò può causare la caduta della bobina del relè al di sotto della tensione minima necessaria e in presenza di un carico reattivo con archi significativi e rimbalzo eccessivo dei contatti dall'azionamento della bobina debole che causa "chiacchiere di contatto"
• non dimenticare di mettere i diodi a pinza sulle bobine classificate per> 2 volte la tensione di alimentazione.
• non collocare bobine di relè su linee sensibili V + di potenza analogica.
• non utilizzare relè non schermati vicino a circuiti magnetici sensibili, ad esempio radio ecc. senza la consapevolezza dell'orientamento del disturbo elettromagnetico.

• Quando si considerano metodi complicati per risparmiare la dissipazione della tensione della bobina, testarne cento per l'affidabilità e aggiungere 6sigma per fughe / guasti di produzione su qualsiasi progetto per MTBF e considerare tutti i fattori di stress come temperatura, vibrazioni, altitudine, umidità ecc ...

• un ottimo uso dei relè è quello di shuntare un circuito "a soft start" un secondo o più dopo l'accensione per migliorare l'efficienza ed evitare picchi di corrente. Può impedire gli sbalzi di tensione durante l'interruzione momentanea dell'alimentazione utilizzando semplicemente PTC per l'avvio graduale. Ciò causa una minore efficienza momentanea ma protegge i componenti critici o le specifiche di uscita. con basse correnti di sovracorrente in ingresso.

Sentiti libero di aggiungere alla mia lista.

è possibile dimezzare la corrente del relè con un condensatore e una resistenza. il condensatore alimenta il relè all'avvio, il resistore riduce la corrente in attesa.