有哪些方法可以更有效地使用继电器?

电器工程 中继
2022-01-09 07:53:48

我们似乎经常使用微控制器来控制继电器,而 5 V 微控制器通常与 12 V 继电器一起使用。继电器可能需要比微控制器多几倍的功率。如果您可以使用 SSR,这不是问题,您可以以几毫安的电流驱动它,但在某些情况下您确实需要机电继电器。什么时候,是另一个讨论。在这里,我将重点介绍机电。那么,有哪些方法可以更有效地使用这些继电器呢?

4个回答

这是一个很长的答案,但是我添加了很多漂亮的图片,这应该可以防止您入睡;-)

我知道双稳态继电器,它们是最省钱的,但在这里我将讨论同一个非闭锁继电器的不同解决方案,以防你不想使用闭锁继电器。例如,这可能是出于反馈或更复杂的驱动原因。(获得反馈的一种方法是使用双极继电器的一个触点,然后将其减少为单极继电器。存在三极继电器,但价格昂贵。)
无论如何,这是关于您常见的低成本非稳定器中继。我将使用此继电器作为参考。

串联电阻
一种廉价而简单的降低功率的方法,适用于大多数继电器。注意数据表中的必须工作电压,有时称为“拉入电压”。对于 8.4 V 的上述继电器的 12 V 标准版本。这意味着如果您对其施加最小 8.4 V 的电压,12 V 继电器也将工作。这种宽裕度的原因是继电器的 12 V 通常不受监管,并且可能会有所不同,例如电源电压容差。在执行此操作之前检查 12 V 上的边距。
让我们保留一些余量并选择 9 V。继电器的线圈电阻为 360 Ω,然后 120 Ω 串联电阻将导致 3 V 压降,继电器剩余 9 V。功耗为 300 mW 而不是 400 mW,仅使用一个串联电阻即可 节省 25% 的功率。

在此处输入图像描述

在此图和其他图中,常见解决方案的功率以蓝色显示,针对 12 V 输入进行了标准化,而我们改进的解决方案以紫色显示。x 轴显示输入电压。

LDO 稳压器
使用串联电阻器,功率节省恒定为 25%,即我们的电阻器的比率。如果电压上升,功率将呈二次方上升。但是如果我们能够保持继电器电压恒定,独立于我们的电源电压,功率只会随着输入电压的上升而线性上升。我们可以通过使用 9 V LDO 为继电器供电来做到这一点。请注意,与串联电阻相比,这在输入电压较高时可节省更多功率,但在输入电压降至 12 V 以下时会节省更多功率。
省电:25 %。

在此处输入图像描述

敏感继电器
这是大幅降低功率的最简单方法:使用继电器的敏感版本。我们的继电器有需要 400 mW 的标准版本和对一半感到满意的敏感版本。
那么为什么不总是使用敏感继电器呢?首先,并非所有继电器都属于敏感类型,当它们出现时,它们通常有限制,例如没有转换 (CO) 触点或有限的开关电流。它们也更贵。但是,如果您能找到适合您的应用程序的一个,我当然会考虑它。
省电:50%。

在此处输入图像描述

5 V 时的 12 V 继电器
这里我们了解 Real Savings™。首先,我们必须解释 5 V 操作。我们已经看到我们可以在 9 V 下操作继电器,因为“必须操作的电压”是 8.4 V。但 5 V 远低于此值,因此不会激活继电器。然而,似乎只需要“必须操作电压”来激活继电器;一旦它被激活,即使在低得多的电压下它也会保持激活状态。你可以很容易地尝试这个。打开继电器并在线圈上施加 5 V 电压,您会发现它没有激活。现在用铅笔尖关闭触点,您会看到它保持关闭状态。伟大的。

有一个问题:我们怎么知道这对我们的接力有效?它没有在任何地方提到5 V。我们需要的是继电器的“保持电压”,它给出了保持激活的最小电压,不幸的是,数据表中经常省略。所以我们必须使用另一个参数:“必须释放电压”。这是继电器将保证关闭的最大电压。对于我们的 12 V 继电器,它是 0.6 V,非常低。“保持电压”通常只高一点,例如 1.5 V 或 2 V。在许多情况下,5 V 值得冒险。如果您想在不咨询继电器制造商的情况下运行 10k/年的设备生产,则不是你可能有很多回报。

所以我们只需要很短时间的高压,然后我们就可以适应 5 V。这可以通过与继电器串联的并联 RC 电路轻松实现。当继电器打开时,电容器放电,因此使并联电阻短路,从而使整个 12 V 电压通过线圈并激活。然后电容器被充电,电阻器上会出现电压降,从而降低电流。

这就像在我们的第一个示例中一样,然后我们选择了 9 V 线圈电压,现在我们想要 5 V。计算器!线圈 360 Ω 上的 5 V 为 13.9 mA,则电阻器应为 (12 V - 5 V)/13.9 mA = 500 Ω。在我们找到电容器的值之前,我们必须再次查阅数据表:最大工作时间最长为 10 毫秒。这意味着电容器的充电速度应该足够慢,以便在 10 毫秒后仍有 8.4 V 电压通过线圈。这是线圈电压随时间变化的样子:

在此处输入图像描述

由于 Thévenin,RC 时间常数的 R 值为 500 Ω,与线圈的 360 Ω 平行。那是 209 Ω。该图的方程是

VCOIL=5V+7VetRC

VCOIL= 8.4 伏,t= 10 毫秒和R= 209 Ω 我们可以解决C我们发现最小值为 66 µF。让我们取 100 µF。

所以在稳定状态下,我们有一个 860 Ω 的电阻而不是 360 Ω。我们节省了 58%

在此处输入图像描述

5 V 时的 12 V 继电器,重复
以下解决方案在 12 V 时为我们提供了相同的节省,但使用稳压器,即使输入电压会增加,我们也会将电压保持在 5 V。

在此处输入图像描述

当我们关闭开关时会发生什么?C1 通过 D1 和 R1 快速充电至 4.3 V。同时 C2 通过 R2 充电。当达到模拟开关的阈值时,IC1 中的开关将切换,C1 的负极将连接到 +5 V,使正极变为 9.3 V。这足以激活继电器,C1 放电后继电器由 5 V 通过 D1 供电。

那么我们的收获是什么?我们通过继电器有 5 V / 360 Ω = 14 mA,通过 LM7805 或类似设备来自 12 V,即 167 mW 而不是 400 mW。
省电:58%。

在此处输入图像描述

5 V 时的 12 V 继电器,重复 2
通过使用 SMPS 从我们的 12 V 电源获得 5 V,我们可以做得更好。我们将使用与模拟开关相同的电路,但我们会节省更多。在 90% 的 SMPS 效率下,我们可以节省 80%(!) 的电力

在此处输入图像描述

(用 Mathematica 制作的图表)

stevenvh 给出了一个很好的答案,但是有一个没有列出的解决方案我每次都可以使用:步进继电器。

它们仅在更改继电器状态时才消耗功率。

当然,它使电子设备更加复杂,因为您需要一种方法来了解微控制器启动时的继电器状态,但在许多情况下,它可以节省大量电力。在我的家庭自动化系统中,用步进继电器替换 24 个“标准”继电器可以节省微控制器板近 98% 的功耗。

在此处输入图像描述

那么,有哪些方法可以更有效地使用这些继电器呢?

以下描述了原则上可以与“正常”非闭锁继电器一起使用的最有效系统。该电路将与 Steven 的参考继电器或任何其他继电器一起使用。

  • 下面的电路使用继电器线圈作为降压转换器中的电感器,与最佳线性调节方案相比,节能效果好几倍到多倍。它无法与机械锁存继电器或步进继电器解决方案的零电流效率长期竞争,但可以使用任何标准且未经修改的继电器实现。

    如果转换效率是唯一的衡量标准,那么这个方案优于任何可以实现的保持电压低于大约 50% 电源的方案,并且在大多数情况下会更胜一筹。

    组件数量高于简单的电阻或基于稳压器的方案,但在节能至关重要时数量不多。如下所示的要求是2个“果冻豆”晶体管、8个电阻、2个二极管、1个齐纳二极管和2个电容器。可以小心地稍微减少。

    如果需要,可以使用基于 IC 的降压稳压器系统,但仍使用继电器线圈作为电感器。

下面这个非常出色的电路是由 Richard Prosser 为应对我发布的低成本开关稳压器设计挑战而贡献的?8年前。虽然组件数量略高于许多其他节能解决方案,但这种解决方案通常比典型的替代方案更高效,并且在继电器保持电压 V_hold_in 远低于电源电压时真正脱颖而出。在所示示例中,电源电压为 20V 至 70V,但电路可以设计用于任何合理的电压范围。

如图所示,电路以恒定电流驱动继电器。可以很容易地更改通电特性以最初提供更高的驱动电流,但所示电路通常是非常可接受的。

该电路的关键亮点在于使用继电器电感本身作为降压稳压器中的电感器来实现对继电器线圈的恒流驱动。施加的电压被降压到提供所需驱动电平所需的任何电压。这可以被设计为以定义的电压或定义的电流驱动线圈。

即使在效率较低的非常高的施加电压下(在非常高的 Vin 下可能低至约 50%),功率节省也是可观的。
考虑 - 如果继电器保持电压为 5V,电源电压为 30V。串联电阻器或线性稳压器无法实现比 Vrelay/Vsupply = 5/30 ~= 16% 更好的效率。但这需要由 30V 电源提供 5V 的继电器保持电流,因此功耗 = Iholdin x 30。当使用降压转换器时,功率 = Vrelay x Iholdin x 100% / 效率%。
效率为 50% 时,增益为 30V/5V x 50/100 = 3:与非开关系统可能达到的最佳值相比。

  • 功率降低因数 = Vsupply/Vholdin x 效率%/100%

同样,这是相对于可能实现的最佳线性系统的增益。

在此处输入图像描述

简化的操作说明 - 如果需要,可提供更多详细信息:

调用齐纳 Z1。齐纳电压 Vz1。

通过 Vz1 除以 R9、R2,Q1 基极保持在参考电压。
当 Irelay = 0 时,Q1_E = ) 所以 Q1 开启,Q2 开启,所以 I_relay 上升。
随着 Irelay 上升,V_R7 上升,直到 Q1E 高到足以开始关闭 Q1。
Q1 关闭会关闭 Q2 和继电器电流“通过 D3、R7 续流
。R1、C2 在 I_relay 下降时在感应 V_R7 下降时形成时间延迟,从而提供滞后。
发生各种其他相互作用,但它们是上述主要影响的次要因素。


“Black Switchjing Regulator” - Roman Black:

由于设计挑战,相对知名的“黑色开关稳压器”源自该电路。

Cicruit 链接断开但

讨论

此处未经测试的 PCB 布局- 过于敏锐的人可以相对容易地从中得出电路。

嗯。
下面是我保存在磁盘上的 ASCII 艺术版本,可能是原始网页的副本。性能在负载或输入电压下的效率或 Vout 下降并不出色,但它很便宜:-)。“我的”GSR 使用了更多的晶体管,因此在组件成本方面并不那么简单,但通常具有更好的规格。但是,那是另一回事了。

在此处输入图像描述


Axeman 提到了步进继电器。

还有双稳态闭锁继电器

可以很容易地设计一个电路来存储电力,并在从主输入断开电源时将其应用于解锁线圈,从而使外部操作与普通单线圈继电器相同。

下面 - 一个版本的自锁继电器 - 有些有一个单独的断电线圈:

在此处输入图像描述

您可能想查看最近的EDN 设计理念

高效电磁驱动器

本质上,您最终会得到一个直流乘法器和一个晶体管来打开和关闭它。乘法器给出了你需要的初始“踢”,但它的稳态电压要低得多。电路中没有任何关键的东西,它几乎可以适用于任何继电器或螺线管。