Apa saja cara menggunakan relay yang lebih efisien?

Kita sering menggunakan mikrokontroler untuk mengontrol relay, dan mikrokontroler 5 V sering digunakan dengan relay 12 V. Relay mungkin membutuhkan daya beberapa kali lebih banyak daripada mikrokontroler. Bukan masalah jika Anda dapat menggunakan SSR, yang dapat Anda kendarai dengan kecepatan beberapa mA, tetapi ada situasi di mana Anda memang membutuhkan relai elektromekanis. Kapan, adalah diskusi lain. Di sini saya akan fokus pada elektromekanis. Jadi, apa beberapa cara untuk menggunakan relay tersebut secara lebih efisien?

Ini menjadi jawaban yang cukup panjang, tetapi saya menambahkan banyak gambar cantik, yang seharusnya membuat Anda tidak tertidur ;-)

Saya mengetahui relay bistable, dan mereka adalah penabung besar, tetapi di sini saya akan membahas solusi yang berbeda untuk relai non-latch yang sama, jika Anda tidak ingin menggunakan relay latching. Misalnya, untuk umpan balik, atau alasan drive yang lebih rumit. (Salah satu cara untuk mendapatkan umpan balik adalah dengan menggunakan satu kontak relai kutub ganda, tetapi kemudian Anda menguranginya menjadi relai kutub tunggal. Ada tiga relai kutub, tetapi mahal.)
Bagaimanapun, ini adalah masalah umum Anda, astable berbiaya rendah menyampaikan. Saya akan menggunakan relay ini untuk referensi.

Seri resistor
Cara murah dan sederhana untuk mengurangi daya, dan berlaku untuk sebagian besar relay. Carilah voltase yang harus dioperasikan dalam datasheet, kadang-kadang disebut "pull-in voltage". Untuk versi standar 12 V dari relai di atas adalah 8,4 V. Itu berarti relai 12 V juga akan berfungsi jika Anda menerapkan minimum 8,4 V untuk itu. Alasan untuk margin lebar ini adalah bahwa 12 V untuk relay sering tidak diatur, dan dapat bervariasi, misalnya dengan toleransi tegangan listrik. Periksa margin pada 12 V sebelum melakukan ini.
Mari kita menjaga margin dan pergi untuk 9 V. Relai memiliki resistansi kumparan 360 Ω, maka resistor seri 120 will akan menyebabkan penurunan 3 V, dan 9 V tersisa untuk relai. Disipasi daya adalah 300 mW, bukan 400 mW, penghematan daya 25%, hanya dengan resistor seri.

Dalam grafik ini dan lainnya, kekuatan solusi umum ditunjukkan dengan warna biru, dinormalisasi untuk input 12 V, dan solusi kami yang ditingkatkan dalam warna ungu. Sumbu x menunjukkan tegangan input.

Regulator LDO
Dengan resistor seri penghematan daya adalah konstan 25%, rasio resistor kami. Jika tegangan naik, daya akan naik secara kuadrat. Tetapi jika kita dapat menjaga voltase relai konstan, independen dari voltase catu daya kita, daya hanya akan naik secara linear dengan meningkatnya voltase input. Kita dapat melakukan ini dengan menggunakan 9 V LDO untuk menyalakan relay. Perhatikan bahwa dibandingkan dengan resistor seri, ini menghemat lebih banyak daya pada tegangan input yang lebih tinggi, tetapi lebih sedikit jika tegangan input turun di bawah 12 V.
Penghematan daya: 25%.

Relai sensitif
Ini adalah cara paling sederhana untuk mengurangi daya secara drastis: gunakan relai versi sensitif. Relay kami tersedia dalam versi standar yang membutuhkan 400 mW, dan versi sensitif yang puas dengan setengahnya.
Jadi mengapa tidak selalu menggunakan relay sensitif? Pertama, tidak semua relay datang dalam tipe sensitif, dan ketika mereka melakukannya mereka sering memiliki batasan, seperti tidak ada kontak pergantian (CO), atau arus switching yang terbatas. Mereka juga lebih mahal. Tetapi jika Anda dapat menemukan satu yang sesuai dengan aplikasi Anda, saya pasti akan mempertimbangkannya.
Hemat daya: 50%.

12 V relay pada 5 V
Di sini kita sampai ke Real Savings ™. Pertama kita harus menjelaskan operasi 5 V. Kita sudah melihat bahwa kita dapat mengoperasikan relai pada 9 V, karena "harus beroperasi tegangan" adalah 8,4 V. Tapi 5 V jauh lebih rendah dari itu, sehingga tidak akan mengaktifkan relai. Tampaknya, "voltase yang harus dioperasikan" hanya diperlukan untuk mengaktifkan relai; setelah diaktifkan itu akan tetap aktif bahkan pada tegangan yang jauh lebih rendah. Anda dapat dengan mudah mencoba ini. Buka relai dan tempatkan 5 V di koil, dan Anda akan melihatnya tidak aktif. Sekarang tutup kontak dengan ujung pensil dan Anda akan melihat bahwa itu tetap tertutup. Besar.

Ada satu hal: bagaimana kita tahu ini akan berfungsi untuk relay kita? Itu tidak menyebutkan 5 V di mana saja. Yang kita butuhkan adalah "hold voltage" relai, yang memberikan tegangan minimum untuk tetap diaktifkan, dan sayangnya itu sering dihilangkan dalam lembar data. Jadi kita harus menggunakan parameter lain: "harus melepaskan tegangan". Itulah tegangan maksimum di mana relai dijamin akan mati. Untuk relay 12 V kami yang 0,6 V, yang sangat rendah. "Hold voltage" biasanya hanya sedikit lebih tinggi, seperti 1,5 V atau 2 V. Dalam banyak kasus 5 V sepadan dengan risikonya. Tidak jika Anda ingin menjalankan produksi perangkat 10k / tahun tanpa berkonsultasi dengan pabrikan relay; Anda mungkin memiliki banyak pengembalian.

Jadi kita hanya perlu tegangan tinggi untuk waktu yang sangat singkat, dan kemudian kita bisa puas dengan 5 V. Ini dapat dengan mudah dicapai dengan rangkaian RC paralel dalam seri dengan relay. Ketika relai dinyalakan kapasitor dilepaskan dan oleh karena itu hubung singkat resistor paralel, sehingga 12 V penuh berada di seluruh koil dan dapat diaktifkan. Kapasitor kemudian diisi dan akan ada penurunan tegangan pada resistor yang mengurangi arus.

Ini seperti pada contoh pertama kami, hanya kemudian kami pergi untuk tegangan kumparan 9 V, sekarang kami ingin 5 V. Kalkulator! 5 V di seluruh koil 360 Ω adalah 13.9 mA, maka resistor harus (12 V - 5 V) /13.9 mA = 500 Ω. Sebelum kita dapat menemukan nilai untuk kapasitor kita harus berkonsultasi dengan lembar data sekali lagi: waktu operasi maksimum adalah 10 ms maksimum. Itu berarti kapasitor harus mengisi cukup lambat untuk masih memiliki 8,4 V di seluruh kumparan setelah 10 ms. Beginilah seharusnya tegangan koil dari waktu ke waktu:

Nilai R untuk konstanta waktu RC adalah 500 Ω paralel dengan 360 coil koil, karena Thévenin. Itu 209 Ω. Persamaan grafik adalah

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

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

Jadi dalam kondisi mantap kami memiliki resistansi 860 instead, bukan 360 Ω. Kami menghemat 58% .

Relai 12 V pada 5 V, reprise
Solusi berikut memberi kita penghematan yang sama pada 12 V, tetapi dengan regulator tegangan kita akan menjaga tegangan pada 5 V, bahkan jika tegangan input akan meningkat.

Apa yang terjadi ketika kita menutup sakelar? C1 dengan cepat dibebankan ke 4.3 V melalui D1 dan R1. Pada saat yang sama C2 dibebankan melalui R2. Ketika ambang sakelar analog tercapai, sakelar di IC1 akan berganti, dan kutub negatif C1 akan terhubung ke +5 V, sehingga kutub positif beralih ke 9.3 V. Cukup untuk relai untuk mengaktifkan, dan setelah C1 dilepaskan, estafet ditenagai oleh 5 V hingga D1.

Jadi, apa keuntungan kita? Kami memiliki 5 V / 360 Ω = 14 mA melalui relai, dan berasal dari 12 V melalui LM7805 atau sejenisnya yang 167 mW, bukan 400 mW.
Hemat daya: 58%.

Relai 12 V pada 5 V, reprise 2
Kita dapat melakukan lebih baik lagi dengan menggunakan SMPS untuk mendapatkan 5 V dari catu daya 12 V. Kami akan menggunakan sirkuit yang sama dengan sakelar analog, tetapi kami akan menghemat lebih banyak. Pada SMPS efisien 90% kami memiliki penghematan daya 80% (!) .

(grafik dibuat dengan Mathematica)

stevenvh memberikan jawaban yang bagus, tetapi ada solusi yang tidak terdaftar yang saya gunakan setiap kali saya bisa: step relay.

Mereka mengkonsumsi daya hanya ketika mengubah keadaan relay.

Tentu saja, itu membuat elektronik lebih kompleks karena Anda perlu cara untuk mengetahui keadaan relai ketika mikrokontroler dimulai, tetapi dalam banyak kasus, ini menghemat banyak daya. Dalam sistem otomasi rumah saya, penggantian 24 "standar" relay dengan langkah yang menghemat hampir 98% daya yang dikonsumsi oleh papan mikrokontroler.

Jadi, apa beberapa cara untuk menggunakan relay tersebut secara lebih efisien?

Berikut ini menjelaskan sistem yang paling efisien pada prinsipnya yang dapat digunakan dengan relay non latching "normal".Sirkuit ini akan bekerja dengan relai referensi Steven - atau relai lainnya.

• Rangkaian di bawah ini menggunakan koil relay sebagai induktor dalam konverter buck untuk mencapai penghematan daya beberapa kali lebih baik daripada yang dapat dicapai oleh skema regulasi linear terbaik. Ini tidak dapat bersaing dalam jangka waktu lama dengan efisiensi nol-saat ini dari solusi latching-relay mekanis atau stepper-relay TETAPI dapat diimplementasikan dengan standar & relay yang tidak dimodifikasi.

  Jika efisiensi konversi adalah satu-satunya metrik maka skema ini lebih unggul dari apa pun yang dapat dicapai untuk tegangan tahan kurang dari sekitar 50% dari pasokan, dan akan lebih unggul dalam banyak kasus.

  Jumlah komponen lebih tinggi daripada skema resistif atau regulator sederhana tetapi sederhana ketika penghematan daya sangat penting. Persyaratan seperti yang ditunjukkan di bawah ini adalah untuk 2 transistor "jellybean", 8 resistor, 2 dioda, satu dioda zener dan 2 kapasitor. Ini bisa dikurangi sedikit dengan hati-hati.

  Jika diinginkan, sistem regulator uang berbasis IC dapat digunakan sebagai gantinya, masih menggunakan koil relay sebagai induktor.

Sirkuit yang benar-benar brilian di bawah ini disumbangkan oleh Richard Prosser dalam menanggapi tantangan desain regulator switching berbiaya rendah yang saya keluarkan? 8 tahun yang lalu. Sementara jumlah komponen sedikit lebih tinggi daripada banyak solusi hemat daya lainnya, yang satu ini biasanya akan lebih efisien untuk lebih efisien daripada alternatif khas, dan benar-benar menonjol ketika relai yang menahan tegangan V_hold_in jauh lebih kecil daripada tegangan suplai. Dalam contoh yang ditunjukkan, tegangan suplai adalah 20V hingga 70V tetapi rangkaian dapat dirancang untuk rentang tegangan yang masuk akal.

Seperti yang ditunjukkan di sini, rangkaian drive estafet pada arus konstan. Karakteristik penyalaan dapat dengan mudah diubah agar pada awalnya memberikan arus drive yang lebih tinggi, tetapi sirkuit seperti yang ditunjukkan biasanya akan sangat dapat diterima.

Kecemerlangan utama dari rangkaian adalah penerapan drive arus konstan ke koil relay menggunakan induktansi relay itu sendiri sebagai induktor dalam regulator uang. Tegangan yang diterapkan diturunkan ke tegangan apa pun yang diperlukan untuk memberikan tingkat drive yang diperlukan. Ini bisa jadi dan dirancang sebagai penggerak koil pada tegangan atau arus yang ditentukan.

Bahkan pada tegangan yang diterapkan sangat tinggi di mana efisiensi lebih rendah (mungkin serendah sekitar 50% pada Vin sangat tinggi) penghematan daya sangat besar.
Pertimbangkan - jika relay tahan tegangan 5V dan tegangan suplai 30V katakanlah. Sebuah resistor seri atau pengatur linier tidak dapat mencapai efisiensi yang lebih baik daripada Vrelay / Vsupply = 5/30 ~ = 16%. TETAPI ini membutuhkan relai yang menahan arus pada 5V untuk dipasok dari suplai 30V sehingga disipasi daya = Iholdin x 30. Ketika konverter buck digunakan daya = Vrelay x I holdin x 100% / efisiensi%.
Pada efisiensi 50%, keuntungan adalah faktor 30V / 5V x 50/100 = 3: dibandingkan dengan yang terbaik yang dapat dicapai dengan sistem non-switching.

• Faktor reduksi daya = Vsupply / Vholdin x efisiensi% / 100%

Sekali lagi, ini adalah keuntungan relatif terhadap sistem linear terbaik yang mungkin dapat dicapai.

Deskripsi operasi yang disederhanakan - detail lebih lanjut tersedia jika diperlukan:

Hubungi zener Z1. Tegangan zener Vz1.

Basis Q1 ditahan pada tegangan referensi oleh Vz1 membagi oleh R9, R2.
Ketika Irelay = 0, Q1_E =) jadi Q1 pada begitu Q2 pada begitu I_relay naik.
Saat Irelay naik, V_R7 naik hingga Q1E cukup tinggi untuk mulai mematikan Q1.
Q1 mematikan mematikan Q2 dan menyampaikan arus "freewheels via D3, R7.
R1, C2 membentuk keterlambatan tiome dalam penginderaan drop V_R7 saat I_relay jatuh sehingga memberikan histeresis.
Berbagai interaksi lain terjadi tetapi keduanya merupakan sekunder dari efek utama di atas.

"Black Switchjing Regulator" - oleh Roman Black:

"Black Switching Regulator" yang relatif terkenal berasal dari rangkaian ini sebagai konsekuensi dari tantangan desain.

Tautan kru rusak tetapi

Diskusi

Tata letak PCB yang belum teruji di sini - yang terlalu tajam dapat menurunkan sirkuit dari ini dengan relatif mudah.

Um
Di bawah ini adalah versi seni ASCII yang saya simpan di disk, yang mungkin merupakan salinan dari halaman web asli. Performa tidak luar biasa efisiensi atau Vout terkulai dengan beban atau Vin, tapi murah :-). GSR "saya" menggunakan satu transistor lagi sehingga tidak seminimal mungkin dalam biaya komponen, tetapi umumnya memiliki spesifikasi yang jauh lebih baik. Tapi, itu cerita lain.

Relay langkah disebutkan oleh Axeman.

Ada juga relai penahan yang dapat ditutup .

Sebuah sirkuit dapat dengan mudah dirancang untuk menyimpan daya dan menerapkannya pada kumparan penghapusan ketika daya dikeluarkan dari input utama, sehingga membuat operasi secara eksternal identik dengan relay kumparan tunggal normal.

Bawah - satu versi latching relay - beberapa memiliki coil de-energize yang terpisah:

Anda mungkin ingin memeriksa Ide Desain EDN baru-baru ini .

Pada dasarnya Anda berakhir dengan pengganda DC dan satu transistor untuk menghidupkan dan mematikannya. Pengganda memberikan "tendangan" awal yang Anda butuhkan, tetapi tegangan mapannya jauh lebih rendah. Tidak ada sesuatu yang penting dalam rangkaian, dan dapat disesuaikan untuk hampir semua relai atau solenoida.

Relai masih memiliki banyak manfaat dibandingkan SSR dan kriteria pemilihan akan berbeda ketika memilih untuk volume tinggi atau keandalan tinggi untuk kebutuhan otomotif. Pergantian waktu hidup adalah sebanyak 10e5 dan 10e6, bila digunakan secara konservatif.

Bagi mereka yang belum mahir dalam pilihan menyampaikan, peningkatan kesadaran akan fitur umum akan membantu mengoptimalkan pencocokan kinerja yang efisien dengan kebutuhan.

• Relay pabrikan membutuhkan pengalaman puluhan tahun, memilih sumber yang dapat diandalkan membutuhkan uji tuntas pada kualitas pemasok.

• Relay secara efektif memiliki kekuatan dan penguatan arus seperti halnya transistor.

  • Pertimbangkan sakelar transistor daya, dengan HFE 100, saat dioperasikan dalam mode jenuh, seseorang perlu merancang dengan penguatan arus 5 hingga 10 di sirkuit.
  • Relai tidak memiliki masalah offset atau ESD dengan insulasi> 1 kV tipikal dan penguatan arus 50 hingga 100 adalah umum. Lebih banyak keuntungan tersedia pada relai efisien tegangan koil yang berkurang.

• Relai memiliki deskripsi Faktor Bentuk umum untuk SPST, SPDT, 2P2T ... 6P2T (alihkan contoh)

  • Relai dapat ditentukan oleh jumlah kutub dan kontak atau "lemparan" tetapi deskripsi standar menggunakan faktor Formulir.
  • Double Throw atau DT datang dalam 3 bentuk, tergantung di mana dari 3 lokasi yang ditetapkan sebagai "kutub" & dua lainnya sebagai "lemparan" yang ditunjuk sebagai Biasanya Ditutup atau Terbuka (NC / NO) dan disebut Formulir A, Formulir B, Bentuk C.
  • Salah satu contoh DPDT dalam Formulir A disebut "2-Bentuk A" kadang-kadang disingkat 2FA
  • Formulir ini memiliki pin # atau lokasi standar untuk DIP-14, Otomotif, Relai Daya (tujuan umum) ", relai sinyal (mis. Telepon), Relai RF, Relai Reed,> = Relai 100A (alias Kontaktor) dll.

Cara-cara salah menggunakan Relai (baca .. kurangi MTBF)

• Gunakan kontak terukur 1 A untuk 10mA. Sinyal arus rendah memerlukan kontak berlapis emas untuk mencegah oksidasi, yang membuat kontak yang baik menjadi insulator.
• Gunakan relai sinyal 100mA dengan pelapisan Au pada desain berdaya rendah tetapi memiliki Caps besar yang menciptakan lonjakan besar untuk plat emas flash dan membakar melalui.
• Gunakan tutup ESR kecil tapi rendah. melintasi kontak kontak daya yang jarang digunakan atau jarang digunakan. Insulasi dielektrik oksida terbakar dari setiap penutupan kontrak tutup. dan sinyal Anda dapat dinyalakan pada relai daya yang diperingkat (baca ... tidak berlapis emas). Ini adalah solusi hebat bagi saya pada tahun 1977 ketika saya mendesain sebuah kotak dengan 96x 15 ~ 30A masing-masing dengan kontak ekstra untuk merasakan keadaan relay jarak jauh. Arus TTL tidak cukup untuk "membasahi" kontak indra, tetapi penambahan tutup tantalum kecil ditarik ke V + dengan R besar, memperbaiki masalah keandalan kontak cadangan.
• Gunakan suplai yang lemah untuk menggerakkan koil. Hal ini dapat menyebabkan koil relay turun di bawah tegangan minimum yang diperlukan dan jika ada beban reaktif dengan lengkung yang signifikan dan bouncing kontak yang berlebihan dari drive kumparan yang lemah menyebabkan "obrolan kontak"
• jangan lupa untuk menempatkan dioda penjepit pada kumparan dengan nilai> 2x tegangan suplai.
• jangan letakkan koil relay pada saluran Analog Power V + yang sensitif.
• jangan gunakan relai yang tidak tertutup di dekat sirkuit magnetik sensitif, mis. radio, dll. tanpa kesadaran akan gangguan EMC.

• Ketika Anda mempertimbangkan metode rumit untuk menghemat disipasi tegangan kumparan, uji seratus untuk keandalan dan tambahkan 6sigma untuk lepas / kegagalan produksi pada setiap desain untuk MTBF dan pertimbangkan semua faktor stres seperti suhu, getaran, ketinggian, kelembaban dll ...

• satu penggunaan relay yang bagus adalah untuk memutus sirkuit "permulaan" satu detik atau lebih setelah power up untuk meningkatkan efisiensi dan menghindari lonjakan. Ini dapat mencegah lonjakan selama gangguan daya sesaat menggunakan hanya PTC untuk soft-start. Ini menyebabkan efisiensi sesaat yang lebih rendah tetapi melindungi komponen-komponen penting atau spesifikasi jalan keluar. dengan arus lonjakan input yang rendah.

Silakan menambahkan ke daftar saya.

Anda dapat membagi dua arus relai dengan kapasitor dan resistor. kapasitor memberi makan relai saat startup, resistor mengurangi arus yang ditahan.