Jakie są sposoby wydajniejszego wykorzystania przekaźników?

Często wydaje się, że używamy mikrokontrolerów do sterowania przekaźnikami, a mikrokontroler 5 V jest często używany z przekaźnikami 12 V. Przekaźnik może potrzebować kilkakrotnie więcej mocy niż mikrokontroler. Nie ma problemu, jeśli możesz użyć przekaźnika SSR, który możesz napędzać przy kilku mA, ale są sytuacje, w których potrzebujesz przekaźnika elektromechanicznego. Kiedy jest kolejna dyskusja. Tutaj skupię się na elektromechanice. Jakie są zatem sposoby na bardziej efektywne wykorzystanie tych przekaźników?

To staje się dość długą odpowiedzią, ale dodałem wiele ładnych zdjęć, które powinny powstrzymać cię przed zaśnięciem ;-)

Zdaję sobie sprawę z przekaźników bistabilnych i są to duże wygaszacze, ale tutaj omówię różne rozwiązania dla tego samego przekaźnika nieblokującego, na wypadek, gdybyś nie chciał używać przekaźnika zatrzaskowego. Może to być na przykład informacja zwrotna lub bardziej skomplikowane przyczyny jazdy. (Jednym ze sposobów uzyskania informacji zwrotnej jest użycie jednego styku przekaźnika dwubiegunowego, ale następnie redukujesz go do przekaźnika jednobiegunowego. Przekaźniki trójbiegunowe istnieją, ale są drogie.) W
każdym razie chodzi o twój wspólny, tani przekaźnik. Będę używał tego przekaźnika w celach informacyjnych.

Rezystor szeregowy
Tani i prosty sposób na zmniejszenie mocy, mający zastosowanie do większości przekaźników. Wypatruj musi obsługiwać napięcie w arkuszu danych, czasami nazywany „pull-w napięciu”. Dla standardowej wersji 12 V powyższego przekaźnika, który wynosi 8,4 V. Oznacza to, że przekaźnik 12 V będzie również działał, jeśli podasz mu minimum 8,4 V. Powodem tego szerokiego marginesu jest to, że 12 V dla przekaźników często nie jest regulowane i może się różnić, na przykład w przypadku tolerancji napięcia sieciowego. Zanim to zrobisz, sprawdź marginesy na 12 V.
Zachowajmy margines i przejdźmy do 9 V. Przekaźnik ma rezystancję cewki 360 Ω, następnie rezystor szeregowy 120 Ω spowoduje spadek 3 V, a dla przekaźnika pozostanie 9 V. Strata mocy wynosi 300 mW zamiast 400 mW, co oznacza oszczędność energii o 25% przy zastosowaniu tylko rezystora szeregowego.

Na tym i innych wykresach moc wspólnego rozwiązania jest pokazana na niebiesko, znormalizowana dla wejścia 12 V, a nasze ulepszone rozwiązanie na fioletowo. Oś X pokazuje napięcie wejściowe.

Regulator LDO
Dzięki rezystorowi szeregowemu oszczędności energii wynoszą stały 25%, stosunek naszych rezystorów. Jeśli napięcie wzrośnie, moc wzrośnie kwadratowo. Ale jeśli uda nam się utrzymać napięcie przekaźnika na stałym poziomie, niezależnie od naszego napięcia zasilania, moc wzrośnie tylko liniowo wraz ze wzrostem napięcia wejściowego. Możemy to zrobić za pomocą 9 V LDO do zasilania przekaźnika. Należy pamiętać, że w porównaniu z rezystorem szeregowym oszczędza to więcej energii przy wyższych napięciach wejściowych, ale mniej, jeśli napięcie wejściowe spadnie poniżej 12 V.
Oszczędność energii: 25%.

Wrażliwy przekaźnik
Jest to najprostszy sposób na drastyczne zmniejszenie mocy: użyj wrażliwej wersji przekaźnika. Nasz przekaźnik jest dostępny w standardowej wersji, która potrzebuje 400 mW, oraz w wersji wrażliwej, która jest zadowolona z połowy tego.
Dlaczego więc nie zawsze używać wrażliwych przekaźników? Po pierwsze, nie wszystkie przekaźniki są w typach wrażliwych, a kiedy to robią, często mają ograniczenia, takie jak brak styków przełączających (CO) lub ograniczony prąd przełączania. Są też droższe. Ale jeśli możesz znaleźć taki, który pasuje do twojej aplikacji, na pewno bym to rozważył.
Oszczędność energii: 50%.

Przekaźnik 12 V przy 5 V
Tutaj dochodzimy do Real Savings ™. Najpierw musimy wyjaśnić działanie 5 V. Widzieliśmy już, że możemy obsługiwać przekaźnik przy 9 V, ponieważ „napięcie operacyjne musi wynosić 8,4 V. Ale 5 V jest znacznie niższe, więc nie zadziała przekaźnik. Wydaje się jednak, że „napięcie robocze musi” jest potrzebne tylko do aktywacji przekaźnika; po aktywacji pozostanie aktywny nawet przy znacznie niższych napięciach. Możesz łatwo tego spróbować. Otwórz przekaźnik i umieść 5 V na cewce, a zobaczysz, że się nie aktywuje. Teraz zamknij kontakt końcówką ołówka, a zobaczysz, że pozostaje zamknięty. Świetny.

Jest jeden haczyk: skąd wiemy, że to zadziała dla naszego przekaźnika? Nigdzie nie wspomina o 5 V. To, czego potrzebujemy, to „napięcie podtrzymujące” przekaźnika, które podaje minimalne napięcie, aby pozostać aktywne, i niestety często jest to pomijane w arkuszach danych. Musimy więc użyć innego parametru: „musi zwolnić napięcie”. To maksymalne napięcie, przy którym przekaźnik zagwarantuje wyłączenie. Dla naszego przekaźnika 12 V jest to 0,6 V, co jest naprawdę niskie. „Napięcie podtrzymujące” jest zwykle tylko nieco wyższe, na przykład 1,5 V lub 2 V. W wielu przypadkach 5 V jest warte ryzyka. Nie, jeśli chcesz uruchomić 10 000 urządzeń rocznie bez konsultacji z producentem przekaźnika; możesz mieć dużo zwrotów.

Potrzebujemy więc wysokiego napięcia tylko przez bardzo krótki czas, a następnie możemy zadowolić się napięciem 5 V. Można to łatwo osiągnąć za pomocą równoległego obwodu RC połączonego szeregowo z przekaźnikiem. Gdy przekaźnik jest włączony, kondensator jest rozładowywany i dlatego powoduje zwarcie rezystora równoległego, tak że pełne 12 V znajduje się na cewce i może się aktywować. Kondensator zostaje następnie naładowany, a na rezystorze wystąpi spadek napięcia, który zmniejszy prąd.

Tak jest w naszym pierwszym przykładzie, tylko wtedy wybraliśmy napięcie cewki 9 V, teraz chcemy 5 V. Kalkulator! 5 V na 360 Ω cewki wynosi 13,9 mA, następnie rezystor powinien wynosić (12 V - 5 V) / 13,9 mA = 500 Ω. Zanim znajdziemy wartość kondensatora, musimy jeszcze raz zapoznać się z arkuszem danych: maksymalny czas pracy wynosi maksymalnie 10 ms. Oznacza to, że kondensator powinien ładować się wystarczająco wolno, aby po 10 ms nadal mieć 8,4 V na cewce. Tak powinno wyglądać napięcie cewki w czasie:

Wartość R dla stałej czasowej RC wynosi 500 Ω równolegle do 360 Ω cewki, ze względu na Thévenin. To 209 Ω. Równanie wykresu to

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

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

Tak więc w stanie ustalonym mamy oporność 860 Ω zamiast 360 Ω. Jesteśmy oszczędność 58% .

Przekaźnik 12 V przy 5 V, powtórz
Poniższe rozwiązanie daje nam takie same oszczędności przy 12 V, ale dzięki regulatorowi napięcia utrzymamy napięcie na 5 V, nawet jeśli napięcie wejściowe wzrośnie.

Co się stanie, gdy zamkniemy przełącznik? C1 szybko ładuje się do 4,3 V przez D1 i R1. W tym samym czasie C2 jest ładowany przez R2. Po osiągnięciu progu przełącznika analogowego przełącznik w IC1 przełączy się, a biegun ujemny C1 zostanie podłączony do +5 V, tak że biegun dodatni osiągnie 9,3 V. To wystarczy, aby przekaźnik się aktywował, a po rozładowaniu C1 przekaźnik jest zasilany z 5 V do D1.

Więc co nasz zysk? Mamy 5 V / 360 Ω = 14 mA przez przekaźnik i pochodzimy z 12 V przez LM7805 lub podobny, czyli 167 mW zamiast 400 mW.
Oszczędność energii: 58%.

Przekaźnik 12 V przy 5 V, powtórz 2
Możemy zrobić jeszcze lepiej, używając SMPS, aby uzyskać nasze 5 V z naszego zasilacza 12 V. Użyjemy tego samego obwodu z przełącznikiem analogowym, ale zaoszczędzimy znacznie więcej. Przy 90% sprawności SMPS mamy 80% (!) Oszczędności energii .

(wykresy wykonane za pomocą Mathematica)

stevenvh dał wspaniałą odpowiedź, ale nie ma rozwiązania, którego nie używam za każdym razem: przekaźników krokowych.

Pobierają energię tylko przy zmianie stanu przekaźnika.

Oczywiście sprawia, że ​​elektronika jest bardziej złożona, ponieważ potrzebujesz sposobu, aby poznać stan przekaźnika, gdy uruchamia się mikrokontroler, ale w wielu przypadkach oszczędza dużo energii. W moim systemie automatyki domowej wymiana 24 „standardowych” przekaźników na krokowe pozwoliło zaoszczędzić prawie 98% energii zużywanej przez płytkę mikrokontrolera.

Jakie są zatem sposoby na bardziej efektywne wykorzystanie tych przekaźników?

Poniżej opisano najskuteczniejszy system w zasadzie, który może być używany z „normalnym” przekaźnikiem nieblokującym. Ten obwód będzie działał z przekaźnikiem referencyjnym Stevena - lub dowolnym innym przekaźnikiem.

• Poniższy obwód wykorzystuje cewkę przekaźnika jako cewkę indukcyjną w konwertorze buck, aby osiągnąć oszczędności energii kilka do wielu razy lepsze niż można to osiągnąć za pomocą najlepszych możliwych schematów regulacji liniowej. Nie może konkurować przez długi czas z efektywnością zerowego prądu mechanicznych przekaźników blokujących lub przekaźników krokowych, ALE można je wdrożyć z dowolnym standardowym i niezmodyfikowanym przekaźnikiem.

  Jeśli jedyną miarą jest wydajność konwersji, wówczas schemat ten jest lepszy od wszystkiego, co można osiągnąć dla napięcia podtrzymującego mniejszego niż około 50% zasilania, i będzie lepszy w większości przypadków.

  Liczba elementów jest wyższa niż w przypadku prostych schematów rezystancyjnych lub opartych na regulatorach, ale jest niewielka, gdy oszczędność energii jest niezbędna. Wymaganie, jak pokazano poniżej, dotyczy 2 tranzystorów „żelowych”, 8 rezystorów, 2 diod, jednej diody Zenera i 2 kondensatorów. Można to nieco zmniejszyć ostrożnie.

  W razie potrzeby można zamiast tego zastosować układ regulatora buck oparty na układzie scalonym, nadal wykorzystując cewkę przekaźnika jako cewkę indukcyjną.

Całkowicie genialny obwód poniżej został wniesiony przez Richarda Prossera w odpowiedzi na wyzwanie projektowe dotyczące regulatora przełączającego, o którym pisałem? 8 lat temu. Chociaż liczba komponentów jest nieco wyższa niż w wielu innych rozwiązaniach oszczędzających energię, to zazwyczaj będzie ona bardziej wydajna do znacznie bardziej wydajnej niż typowe alternatywy i naprawdę wyróżnia się, gdy napięcie trzymające przekaźnik V_hold_in jest znacznie niższe niż napięcie zasilania. W pokazanym przykładzie napięcie zasilania wynosi od 20 V do 70 V, ale obwód można zaprojektować dla dowolnego rozsądnego zakresu napięcia.

Jak pokazano tutaj, obwód napędza przekaźnik stałym prądem. Charakterystyki włączenia można łatwo zmienić, aby początkowo zapewnić większy prąd napędowy, ale pokazany obwód będzie zwykle bardzo do przyjęcia.

Kluczową błyskotliwością obwodu jest implementacja napędu stałoprądowego do cewki przekaźnika przy użyciu samej indukcyjności przekaźnika jako induktora w regulatorze buck. Przyłożone napięcie obniża się do napięcia wymaganego do zapewnienia wymaganego poziomu napędu. Może to być i zaprojektowane jako napędzanie cewki przy określonym napięciu lub określonym prądzie.

Nawet przy bardzo wysokich zastosowanych napięciach, w których sprawność jest niższa (prawdopodobnie nawet około 50% przy bardzo wysokiej Vin), oszczędności energii są znaczne.
Zastanów się - jeśli napięcie w przekaźniku wynosi 5 V, a napięcie zasilania wynosi 30 V. Rezystor szeregowy lub regulator liniowy nie może osiągnąć wydajności lepszej niż Vrelay / Vsupply = 5/30 ~ = 16%. ALE wymaga to, aby prąd trzymający przekaźnik przy 5 V był zasilany z zasilania 30 V, więc rozproszenie mocy = Iholdin x 30. Gdy stosuje się konwerter buck moc = Vrelay x I holdin x 100% / sprawność%.
Przy sprawności 50% zysk jest współczynnikiem 30 V / 5 V x 50/100 = 3: w porównaniu do tego, co najlepsze, jakie można osiągnąć dzięki systemowi bez przełączania.

• Współczynnik redukcji mocy = Vsupply / Vholdin x sprawność% / 100%

Ponownie, jest to zysk w stosunku do najlepszego systemu liniowego, jaki można ewentualnie osiągnąć.

Uproszczony opis działania - w razie potrzeby więcej szczegółowych informacji:

Zadzwoń do Zenera Z1. Napięcie Zenera Vz1.

Baza Q1 jest utrzymywana na napięciu odniesienia przez Vz1 podzielone przez R9, R2.
Gdy Irelay = 0, Q1_E =), więc Q1 na tak Q2 na, więc I_relay rośnie.
Gdy Irelay rośnie, V_R7 rośnie, aż Q1E jest wystarczająco wysokie, aby zacząć wyłączać Q1.
Wyłączenie Q1 wyłącza Q2 i „
wolne koła przekaźnika” poprzez D3, R7. R1, C2 tworzą opóźnienie w wykrywaniu spadku V_R7, gdy I_relay spada, zapewniając histerezę.
Występują różne inne interakcje, ale są one wtórne do głównych efektów powyżej.

„Black Switchjing Regulator” - autor: Roman Black:

Stosunkowo dobrze znany „Black Switching Regulator” powstał z tego obwodu w wyniku wyzwania projektowego.

Link do owoców Cicruit jest uszkodzony, ale

Dyskusja

Niesprawdzony tutaj układ PCB - nadmiernie bystry może z tego wywrzeć obwód ze względną łatwością.

Um.
Poniżej znajduje się wersja graficzna ASCII, którą zapisałem na dysku, która prawdopodobnie jest kopią oryginalnej strony internetowej. Wydajność nie jest cudowną wydajnością ani spadkiem Vouta z ładowaniem lub Vin, ale jest tania :-). „Mój” GSR wykorzystuje jeszcze jeden tranzystor, więc nie jest tak minimalistyczny pod względem kosztów komponentów, ale ogólnie ma znacznie lepszą specyfikację. Ale to inna historia.

Przekaźniki krokowe zostały wymienione przez Axemana.

Istnieją również bistabilne przekaźniki zatrzaskowe .

Obwód można łatwo zaprojektować do przechowywania energii i przykładania jej do cewki zbierającej, gdy zasilanie zostanie odłączone od głównego wejścia, dzięki czemu działanie będzie zewnętrznie identyczne jak normalny przekaźnik z jedną cewką.

Poniżej - jedna wersja przekaźnika zatrzaskowego - niektóre mają osobną cewkę odłączającą napięcie:

Możesz sprawdzić najnowszy pomysł na projekt EDN .

Zasadniczo otrzymujesz mnożnik DC i pojedynczy tranzystor, aby go włączać i wyłączać. Mnożnik zapewnia początkowe „kopnięcie”, którego potrzebujesz, ale wtedy jego napięcie w stanie ustalonym jest znacznie niższe. W obwodzie nie ma nic krytycznego i można go dostosować do prawie każdego przekaźnika lub elektromagnesu.

Przekaźniki nadal mają wiele zalet w stosunku do SSR, a kryteria wyboru będą różne przy wyborze dużej objętości lub wysokiej niezawodności do potrzeb motoryzacyjnych. Czas przełączania wynosi aż 10e5 i 10e6, jeśli są stosowane zachowawczo.

Dla tych, którzy nie są jeszcze biegli w wyborze przekaźników, zwiększenie świadomości wspólnych funkcji pomoże zoptymalizować skuteczne dopasowanie wydajności do potrzeb.

• Przekaźniki produkcyjne wymagają dziesięcioleci doświadczenia, wybór niezawodnego źródła wymaga należytej staranności w zakresie jakości dostawcy.

• Przekaźniki skutecznie mają moc i wzmocnienie prądu, podobnie jak tranzystory.

  • Rozważ przełączniki tranzystorowe o wartości hFE 100, gdy pracujesz w trybie nasyconym, musisz zaprojektować ze wzrostem prądu od 5 do 10 w obwodzie.
  • Przekaźniki nie mają problemów z przesunięciem lub wyładowaniami elektrostatycznymi przy typowej izolacji> 1 kV i powszechny jest wzrost prądu od 50 do 100. Większy zysk uzyskano w przypadku przekaźników o zmniejszonym napięciu cewki.

• Przekaźniki mają wspólne opisy współczynników kształtu dla SPST, SPDT, 2P2T ... 6P2T (przykłady przełączników)

  • Przekaźnik może być zdefiniowany przez liczbę biegunów i styków lub „rzutów”, ale znormalizowany opis wykorzystuje czynniki kształtu.
  • Double Throw lub DT występuje w 3 formach, w zależności od tego, która z 3 lokalizacji jest oznaczona jako „biegun”, a pozostałe dwie jako „rzuty” oznaczone jako Normalnie zamknięte lub Otwarte (NC / NO) i nazywane są Formą A, Formą B, Formularz C.
  • Jeden przykład DPDT w Formie A nazywa się „2-Form A”, czasami skracanym 2FA
  • Formularze te mają standardowe styki # lub lokalizacje dla DIP-14, samochodowych, przekaźników mocy (ogólnego przeznaczenia) ", przekaźników sygnałowych (np. Telefonii), przekaźnika RF, przekaźnika kontaktronowego, przekaźnika> = 100A (inaczej stycznik) itp.

Sposoby niewłaściwego użycia przekaźników (czytaj .. niższe MTBF)

• Użyj styku znamionowego 1 A dla 10 mA. Sygnały o niskim natężeniu wymagają złoconych styków, aby zapobiec utlenianiu, co zapewnia doskonały kontakt z izolatorem.
• Użyj przekaźnika sygnału 100mA z powłoką Au w konstrukcji o małej mocy, ale ma duże czapki, które powodują ogromne udary dla złotej płyty flash i przepalenia.
• Użyj małego, ale niskiego limitu ESR. na stykach rzadko używanych lub lekko używanych styków mocy. Izolacja z tlenku dielektrycznego jest wypalana przy każdym zamknięciu zakrętki. a twoje sygnały mogą być włączane na przekaźnikach mocy (czytaj ... nie pozłacane). To było dla mnie świetne rozwiązanie w 1977 roku, kiedy zaprojektowałem skrzynkę z przekaźnikami 96x 15 ~ 30A, każdy z dodatkowymi stykami do zdalnego wykrywania stanu przekaźnika. Prąd TTL nie wystarczał do „zmoczenia” styków wyczuwalnych, ale dodanie małej czapki tantalu podciągniętej do V + z dużym R, naprawiło problem niezawodności styków zapasowych.
• Użyj słabego źródła zasilania do napędzania cewki. Może to spowodować, że cewka przekaźnika spadnie poniżej wymaganego napięcia minimalnego, a jeśli wystąpi obciążenie bierne ze znacznym łukiem i nadmiernym odbiciem styków od słabego napędu cewki, powodując „drganie styków”
• nie zapomnij umieścić diod cęgowych na cewkach o wartości> 2x napięcia zasilania.
• nie należy umieszczać cewek przekaźników na wrażliwych liniach Analog Power V +.
• nie należy używać nieekranowanych przekaźników w pobliżu wrażliwych obwodów magnetycznych, np. radia itp. bez świadomości orientacji zakłóceń EMC.

• Kiedy rozważasz trudne metody oszczędzania na rozproszeniu napięcia cewki, przetestuj sto pod kątem niezawodności i dodaj 6sigma do ucieczek / awarii produkcyjnych w dowolnym projekcie MTBF i weź pod uwagę wszystkie czynniki stresowe, takie jak temperatura, wibracje, wysokość, wilgotność itp.

• jednym wielkim zastosowaniem przekaźników jest bocznikowanie obwodu „miękkiego startu” sekundę lub dłużej po włączeniu zasilania w celu poprawy wydajności i uniknięcia skoków napięcia. Może zapobiec skokom napięcia podczas chwilowej przerwy w zasilaniu przy użyciu zwykłych PTC do łagodnego rozruchu. Powoduje to chwilową niższą wydajność, ale chroni krytyczne komponenty lub specyfikacje wyjściowe. przy niskich wejściowych prądach udarowych.

Zapraszam do dodania do mojej listy.

prąd przekaźnika można zmniejszyć o połowę za pomocą kondensatora i rezystora. kondensator zasila przekaźnik podczas rozruchu, rezystor zmniejsza wstrzymany prąd.