Які існують способи ефективнішого використання реле?

Ми часто, здається, використовуємо мікроконтролери для управління релеми, а мікроконтролер 5 В часто використовується з реле 12 В. Реле може знадобитися в кілька разів більше енергії, ніж мікроконтролер. Не проблема, якщо ви можете використовувати SSR, який можна керувати на кілька ма, але є ситуації, коли вам потрібно електромеханічне реле. Коли, інша дискусія. Тут я зупинюсь на електромеханічному. Отже, які існують способи ефективнішого використання цих реле?

Це стає досить довгою відповіддю, але я додав безліч гарних фотографій, які повинні утримувати вас від засипання ;-)

Мені відомо про бістабільні реле, і вони є великими накопичувачами, але тут я обговорю різні рішення для одного і того ж реле, яке не замикається, на випадок, якщо ви не хочете використовувати засувку реле. Наприклад, це може бути зворотним зв’язком або складнішими причинами приводу. (Один із способів отримати зворотний зв'язок - це за допомогою одного контакту двополюсного реле, але потім ви зменшите його до однополюсного реле. Три полюсні реле існують, але вони дорогі.)
У будь-якому випадку, це стосується вашої загальної, недорогих астабільних реле. Я буду використовувати це реле для довідки.

Серійний резистор
Дешевий і простий спосіб зменшити потужність і застосовно до більшості реле. Слідкуйте за тим, щоб в роботі аркуша напруги працювала напруга , яку іноді називають "напругою, що втягується". Для 12 В стандартної версії вищевказаного реле це 8,4 В. Це означає, що реле 12 В також буде працювати, якщо застосувати до нього мінімум 8,4 В. Причина такого широкого запасу полягає в тому, що 12 В для реле часто не регулюються і можуть змінюватись, наприклад, при допуску напруги в мережі. Перевірте межі на 12 В, перш ніж робити це.
Затримаємо деякий запас і підемо на 9 В. Реле має опір котушки 360 Ом, тоді резистор серії 120 Ом спричинить падіння 3 В, а реле залишиться 9 В. Розсіювання потужності становить 300 мВт замість 400 мВт, економія енергії на 25%, із резистором лише серії.

На цьому та інших графіках потужність загального рішення показана синім кольором, нормалізована для входу 12 В, а наше покращене рішення - фіолетовим. На осі x показана вхідна напруга.

Регулятор LDO
Серійний резистор, економія електроенергії становить постійну 25%, відношення наших резисторів. Якщо напруга зросте, потужність зросте квадратично. Але якщо ми зможемо підтримувати постійну напругу реле постійною, незалежно від нашої напруги живлення, потужність буде зростати лише лінійно із зростанням вхідної напруги. Це можна зробити, використовуючи 9 V LDO для живлення реле. Зауважте, що порівняно з серійним резистором це економить більше енергії при більш високих вхідних напругах, але менше, якщо вхідна напруга падає нижче 12 В.
Економія енергії: 25%.

Чутливе реле
Це найпростіший спосіб різко зменшити потужність: використовувати чутливу версію реле. Наше реле доступне в стандартній версії, що потребує 400 мВт, і чутливій версії, яка задоволена половиною цього.
То чому б не завжди використовувати чутливі реле? По-перше, не всі реле мають чутливі типи, і коли вони роблять, вони часто мають обмеження, як-от відсутність контактів перемикання (СО) або обмежений струм перемикання. Вони і дорожчі. Але якщо ви зможете знайти той, який відповідає вашій заявці, я, безумовно, вважаю це.
Енергозбереження: 50%.

12 В реле на 5 В
Тут ми переходимо до Real Savings ™. Спочатку нам доведеться пояснити 5-ти В-операцію. Ми вже бачили, що ми можемо працювати реле на напрузі 9 В, оскільки «напруга повинна працювати» 8,4 В. Але 5 В значно нижча за це, тому реле не активуватиметься. Однак виявляється, що "повинна працювати напруга" потрібна лише для активації реле; Після його активації він залишатиметься активним навіть при набагато нижчих напругах. Ви можете легко спробувати це. Відкрийте реле і поставте 5 В по всій котушці, і ви побачите, що воно не спрацьовує. Тепер закрийте контакт кінчиком олівця, і ви побачите, що він залишається закритим. Чудово.

Є одна уловка: як ми знаємо, що це буде працювати для нашої естафети? Ніде не згадується про 5 В. Нам потрібна "напруга утримування" реле, яка дає мінімальну напругу для активації, і, на жаль, це часто опускається в таблицях даних. Тож нам доведеться використовувати інший параметр: "повинен випустити напругу". Це максимальна напруга, при якому реле гарантовано вимкнеться. Для нашого 12 В реле це 0,6 В, що дуже мало. "Напруга утримування", як правило, лише трохи вище, як 1,5 В або 2 В. У багатьох випадках 5 В варто ризикувати. Ні, якщо ви хочете запустити 10-річне виробництво пристрою без консультації з виробником реле; у вас може бути багато прибутків.

Тому нам потрібна лише висока напруга дуже короткий час, і тоді ми можемо погодитися на 5 В. Це легко досягти паралельним RC ланцюгом послідовно з реле. Коли реле увімкнено, конденсатор розряджається і тому коротко замикається паралельний резистор, так що повні 12 В перебувають по всій котушці і він може активуватися. Потім конденсатор заряджається, і через резистор буде падіння напруги, що зменшує струм.

Це як у нашому першому прикладі, тільки тоді ми пішли на напругу котушки 9 В, зараз ми хочемо 5 В. Калькулятор! 5 В на котушці 360 Ом становить 13,9 мА, тоді резистор повинен бути (12 В - 5 В) / 13,9 мА = 500 Ом. Перш ніж ми зможемо знайти значення для конденсатора, ми повинні ще раз проконсультуватися з таблицею: максимальний час роботи - 10 мс. Це означає, що конденсатор повинен заряджатися досить повільно, щоб через 10 мс все ще було 8,4 В по всій котушці. Ось як має виглядати напруга котушки з часом:

Значення R для постійної часу RC - 500 Ом, паралельне котушці 360 Ом, завдяки Тевеніну. Це 209 Ом. Рівняння графіка дорівнює

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

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

Тож у стаціонарному стані маємо опір 860 Ом замість 360 Ом. Ми економимо 58% .

Реле 12 В на 5 В, репризуйте
Наступне рішення дає нам таку ж економію на 12 В, але за допомогою регулятора напруги ми будемо тримати напругу на рівні 5 В, навіть якщо напруга на вході зростатиме.

Що відбувається, коли ми закриваємо вимикач? С1 швидко заряджається до 4,3 В через D1 та R1. При цьому С2 заряджається через R2. При досягненні порогу аналогового вимикача перемикач в IC1 переключиться, і негативний полюс С1 буде підключений до +5 В, так що позитивний полюс перейде до 9,3 В. Цього достатньо, щоб реле активувалося, і після розрядки С1 реле живиться від 5 В до D1.

То який же наш прибуток? Ми маємо 5 В / 360 Ом = 14 мА через реле, а виходимо від 12 В через LM7805 або подібне, що становить 167 мВт замість 400 мВт.
Енергозбереження: 58%.

Реле 12 В на 5 В, репризація 2
Ми можемо зробити ще краще, використовуючи SMPS, щоб отримати наші 5 В від нашого 12 В джерела живлення. Ми будемо використовувати ту ж схему з аналоговим вимикачем, але ми заощадимо набагато більше. При 90% ефективних SMPS ми забезпечуємо економію енергії на 80% (!) .

(графіки, зроблені за допомогою Mathematica)

stevenvh дав чудову відповідь, але не вказано рішення, яке я використовую кожен раз, коли можу: крокові реле.

Вони споживають енергію лише при зміні стану реле.

Звичайно, це робить електроніку складнішою, оскільки вам потрібен спосіб пізнати стан реле при запуску мікроконтролера, але в багатьох випадках це економить багато енергії. У моїй системі домашньої автоматизації заміна 24 "стандартних" реле на ступінчасті економила майже 98% енергії, спожитої платою мікроконтролера.

Отже, які існують способи ефективнішого використання цих реле?

Далі описано найбільш ефективну систему в принципі, яку можна використовувати з "нормальним" реле, яке не фіксується. Цей ланцюг буде працювати з еталонним реле Стівена - або будь-яким іншим реле.

• Наведена нижче схема використовує котушку реле як індуктор у перетворювачі долара для досягнення економії електроенергії в кілька-багато разів кращої, ніж це можна досягти найкращими можливими схемами лінійного регулювання. Він не може конкурувати протягом тривалого періоду з ефективністю нульового струму механічного замикання-реле або крокового релейного рішення, АЛЕ можна реалізувати з будь-яким стандартним та немодифікованим реле.

  Якщо ефективність перетворення є єдиною метрикою, то ця схема перевершує все, що може бути досягнуто для напруги утримування менше ніж приблизно 50% живлення, і в більшості випадків буде вище.

  Кількість компонентів вище, ніж для простих резистивних або регуляторних схем, але скромна, коли енергозбереження життєво важливе. Вимога, як показано нижче, стосується 2 "желейних" транзисторів, 8 резисторів, 2 діодів, одного ценерового діода і 2 конденсаторів. Це можна обережно зменшити.

  За бажанням замість цього може бути використана система регулятора рівня баку на IC, все ще використовуючи котушку реле як індуктор.

Цілком блискучу схему нижче вніс Річард Проссер у відповідь на виклик дизайну регулятора з низькими витратами, про який я випустив? 8 років тому. Хоча кількість компонентів трохи вище, ніж у багатьох інших енергозберігаючих рішень, ця, як правило, буде більш ефективною, набагато ефективнішою, ніж типові альтернативи, і дійсно виділяється, коли напруга утримування реле V_hold_in значно менше напруги живлення. У наведеному прикладі напруга живлення від 20 до 70 В, але схема може бути розроблена для будь-якого розумного діапазону напруги.

Як показано тут, схема приводить в дію реле постійного струму. Характеристики включення можна легко змінити, щоб спочатку забезпечити більший струм приводу, але схема, як показано, зазвичай буде дуже прийнятною.

Ключовою яскравістю схеми є реалізація приводу постійного струму до котушки реле з використанням самої індуктивності реле як індуктора в регуляторі долара. Прикладена напруга знижується до тієї напруги, яка потрібна для забезпечення необхідного рівня приводу. Це може бути і розроблено як приведення котушки при визначеному напрузі або заданому струмі.

Навіть при дуже високих прикладних напругах, де ККД нижчий (ймовірно, низький приблизно 50% при дуже високому Вині), економія електроенергії значна.
Поміркуйте - якщо затримка реле напруга 5В, а напруга живлення 30В, скажімо. Серійний резистор або лінійний регулятор не можуть досягти ККД кращий, ніж Vrelay / Vsupply = 5/30 ~ = 16%. АЛЕ для цього потрібно подавати струм утримування струму на 5 В від джерела живлення 30 В, так що розсіювання потужності = Iholdin x 30. Коли використовується перетворювач долара потужність = Vrelay x I holdin x 100% / ефективність%.
При 50% ефективності коефіцієнт підсилення становить коефіцієнт 30 В / 5 В х 50/100 = 3: порівняно з найкращим, що можливо досягти за допомогою системи без комутації.

• Коефіцієнт зниження потужності = Vsupply / Vholdin x ККД,% / 100%

Знову ж таки, це виграш відносно найкращої лінійної системи, якого можливо досягти.

Спрощений опис роботи - при необхідності доступні більш детальні відомості:

Зателефонуйте в стаціонар Z1 Напруга зенера Vz1.

Основа Q1 утримується при опорній напрузі на Vz1, ділиться на R9, R2.
Коли Irelay = 0, Q1_E =), так Q1, так Q2, тому I_relay зростає.
Коли Irelay піднімається, V_R7 піднімається, поки Q1E буде досить високим, щоб почати вимикати Q1.
Вимикання Q1 вимикає Q2 та "
вільні реле струму" через D3, R7. R1, C2 утворюють затримку тиоми в зондуванні падіння V_R7, коли I_relay падає, забезпечуючи гістерезис.
Різні інші взаємодії відбуваються, але вони є вторинними для головних ефектів вище.

"Чорний регулятор перемикання" - Роман Блек:

Порівняно добре відомий "регулятор перемикання чорного кольору" був похідний від цієї схеми як наслідок проблеми проектування.

Посилання з цитрусовими розірвано, але

Обговорення

Тут неперевірена компонування друкованої плати - надмірно зацікавлений може вивести схему з цього відносно легко.

Гм.
Нижче представлена ​​версія мистецтва ASCII, яку я зберегла на диску, імовірно, це копія з оригінальної веб-сторінки. Продуктивність не чудова Wrt effiiccy або Vout droop з вантажем або Vin, але це дешево :-). "Мій" GSR використовує ще один транзистор, тому він не настільки мінімалістичний за вартістю компонентів, але має набагато кращі характеристики в цілому. Але, це вже інша історія.

Ступінчасті реле згадував Axeman.

Є також бістабільні засувки реле .

Схема може легко бути розроблена для зберігання живлення та подачі її на котушку деблокування, коли живлення відводиться від основного входу, таким чином, що робить роботу зовнішньо ідентичною звичайному реле однієї котушки.

Нижче - одна версія засувочного реле - деякі мають окрему котушку знеструмлення:

Ви можете перевірити нещодавню ідею дизайну EDN .

По суті, у вас є множник постійного струму та один транзистор, щоб увімкнути та вимкнути його. Множник дає той початковий «удар», який вам потрібен, але тоді його стабільна напруга набагато нижча. У ланцюзі немає нічого критичного, і він може бути адаптований під практично будь-яке реле або соленоїд.

Реле все ще мають багато переваг у порівнянні з SSR, і критерії вибору будуть різними при виборі високого обсягу або високої надійності для автомобільних потреб. Час життя перемикання становить 10e5 та 10e6, коли використовується консервативно.

Для тих, хто вже не має досвіду вибору ретрансляції, підвищення обізнаності про спільні риси допоможе оптимізувати ефективну відповідність продуктивності потребам.

• Виробництво реле вимагає багаторічного досвіду, а вибір надійного джерела вимагає належної ретельності щодо якості постачальників.

• Реле ефективно мають потужність і посилення струму так само, як транзистори.

  • Розглянемо транзисторні вимикачі потужності, з коефіцієнтом hFE 100, коли він працює в насиченому режимі, потрібно проектувати з посиленням струму від 5 до 10 в ланцюзі.
  • Реле не мають зсуву або проблем з ОУР із типовою ізоляцією> 1 кВ, а посилення струму від 50 до 100 є загальним явищем. Більшого виграшу можна отримати на ефективних реле напруги котушки.

• Реле мають загальні описи форм-фактора для SPST, SPDT, 2P2T ... 6P2T (приклади комутаторів)

  • Реле може визначатися кількістю полюсів і контактів або "кидків", але в стандартизованому описі використовуються форм-коефіцієнти.
  • Подвійний кидок або DT випускається в 3-х формах, залежно від того, яке з 3-х локацій позначено як "полюс", а інші два як "кидки", позначені як нормально закриті або відкриті (NC / NO) і називаються форма A, форма B, Форма С.
  • Один приклад DPDT у формі A називається "2-форма A", іноді скорочена 2FA
  • Ці форми мають стандартний контактний номер # або розташування для DIP-14, автомобільної, реле електроживлення (загального призначення) ", сигнальних реле (наприклад, телефонія), радіочастотного реле, релейного реле>> = 100A реле (він же контактор) тощо.

Способи неправильного використання реле (читайте .. нижній MTBF)

• Використовуйте 1-контактний контакт для 10mA. Сигналам низького струму потрібні золоті спалахувані контакти для запобігання окислення, що робить ідеально хороший контакт в ізолятор.
• Використовуйте сигнальне реле 100 мА з Au покриттям на низькій потужності конструкції, але має великі шапки, які створюють величезні сплески для спалаху золотої пластини і спалювання через.
• Використовуйте невеликий, але низький коефіцієнт ШОЕ. через контакти нечасто використовуваних або мало використовуваних силових контактів. Ізоляція діелектричного оксиду спалюється при кожному закритті ковпачка. і ваші сигнали можуть бути включені на реле потужності (читати ... не позолочені) реле. Це було чудовим рішенням для мене в 1977 році, коли я розробив коробку з релеми 96x 15 ~ 30А, кожна з додатковими контактами для дистанційного зондування стану реле. Струму TTL було недостатньо, щоб "змочити" сенсорні контакти, але додавання невеликого танталового ковпачка, підтягнутого до V + з великим R, вирішило проблему надійності запасних контактів.
• Використовуйте слабкий привід для приведення котушки. Це може призвести до того, що котушка реле опуститься нижче мінімальної напруги, необхідної, і якщо виникає реактивне навантаження зі значною дугою та надмірним відскоком контакту від слабкого приводу котушки, що спричиняє "контактну балаканину"
• не забудьте поставити затискачі діодів на котушки, розраховані на> 2х напруги живлення.
• не кладіть котушки реле на чутливі лінії Analog Power V +.
• не використовуйте незахищені реле поблизу чутливих магнітопроводів, наприклад, радіостанцій тощо без усвідомлення орієнтації порушення ЕМС.

• Якщо ви розглядаєте складні способи збереження розсіювання напруги котушки, протестуйте сотню на надійність і додайте 6-сигма для виробничих втеч / збоїв у будь-якій конструкції для MTBF та врахуйте всі фактори напруги, такі як температура, вібрація, висота, вологість тощо ...

• одне чудове використання реле - це для шунтування «м'якого старту» ланцюга на друге або більше після живлення для підвищення ефективності та уникнення сплеску. Це може запобігти перенапруги під час миттєвого переривання живлення, використовуючи просто ПТК для плавного пуску. Це призводить до зниження миттєвої ефективності, але захищає критичні компоненти або спекуляції. з низькими вхідними струмами напруги.

Не соромтеся додати до мого списку.

можна зменшити вдвічі реле струму за допомогою конденсатора та резистора. конденсатор подає реле при запуску, резистор зменшує струм на утриманні.