Wie können Relais effizienter eingesetzt werden?

Wir scheinen häufig Mikrocontroller zur Steuerung von Relais zu verwenden, und ein 5-V-Mikrocontroller wird häufig mit 12-V-Relais verwendet. Ein Relais benötigt möglicherweise ein Vielfaches mehr Strom als der Mikrocontroller. Kein Problem, wenn Sie ein SSR verwenden können, das Sie mit wenigen mA betreiben können, aber es gibt Situationen, in denen Sie ein elektromechanisches Relais benötigen. Wann ist eine andere Diskussion. Hier werde ich mich auf die Elektromechanik konzentrieren. Wie können diese Relais effizienter eingesetzt werden?

Dies wird eine ziemlich lange Antwort, aber ich habe viele hübsche Bilder hinzugefügt, die dich davon abhalten sollen einzuschlafen ;-)

Ich kenne bistabile Relais und sie sind die großen Sparer, aber hier werde ich verschiedene Lösungen für dasselbe nicht selbsthaltende Relais diskutieren, falls Sie kein selbsthaltendes Relais verwenden möchten. Dies kann zum Beispiel aus Rückmeldungen oder aus komplizierten Antriebsgründen erfolgen. (Eine Möglichkeit, eine Rückmeldung zu erhalten, besteht darin, einen Kontakt eines zweipoligen Relais zu verwenden. Anschließend reduzieren Sie diesen Kontakt auf ein einpoliges Relais. Es gibt zwar dreipolige Relais, diese sind jedoch teuer.) Hier
geht es jedoch um Ihr gewöhnliches, kostengünstiges und stabiles Gerät Relais. Ich werde dieses Relais als Referenz verwenden.

Vorwiderstand
Ein billiger und einfacher Weg, um die Leistung zu reduzieren, und anwendbar auf die meisten Relais. Achten Sie auf die im Datenblatt angegebene Betriebsspannung , die manchmal als "Einzugsspannung" bezeichnet wird. Für die 12-V-Standardversion des obigen Relais sind das 8,4 V. Das bedeutet, dass das 12-V-Relais auch funktioniert, wenn Sie mindestens 8,4 V daran anlegen. Der Grund für diesen großen Spielraum liegt darin, dass die 12 V für Relais häufig nicht geregelt werden und beispielsweise aufgrund von Netzspannungstoleranzen variieren können. Überprüfen Sie vorher die Ränder der 12 V.
Lassen Sie uns etwas Spielraum lassen und 9 V anstreben. Das Relais hat einen Spulenwiderstand von 360 Ω, dann verursacht ein 120 Ω-Vorwiderstand einen Abfall von 3 V und 9 V verbleiben für das Relais. Die Verlustleistung beträgt 300 mW anstelle von 400 mW, was einer Energieeinsparung von 25% mit nur einem Vorwiderstand entspricht.

In diesem und den anderen Diagrammen ist die Leistung der allgemeinen Lösung in blau dargestellt, normalisiert für 12-V-Eingang und unsere verbesserte Lösung in lila. Die x-Achse zeigt die Eingangsspannung.

LDO-Regler
Mit dem Vorwiderstand beträgt die Energieeinsparung konstant 25%, das Verhältnis unserer Widerstände. Wenn die Spannung ansteigt, steigt die Leistung quadratisch an. Wenn wir jedoch die Relaisspannung unabhängig von unserer Versorgungsspannung konstant halten können, steigt die Leistung nur linear mit steigender Eingangsspannung an. Wir können dies tun, indem wir ein 9-V-LDO verwenden, um das Relais mit Strom zu versorgen. Beachten Sie, dass dies im Vergleich zum Vorwiderstand bei höheren Eingangsspannungen mehr Strom spart, jedoch weniger, wenn die Eingangsspannung unter 12 V abfällt.
Energieeinsparung: 25%.

Empfindliches Relais
Dies ist die einfachste Möglichkeit, die Leistung drastisch zu reduzieren: Verwenden Sie die empfindliche Version des Relais. Unser Relais ist in einer Standardversion erhältlich, die 400 mW benötigt, und einer empfindlichen Version, die mit der Hälfte davon zufrieden ist.
Warum also nicht immer empfindliche Relais verwenden? Erstens gibt es nicht bei allen Relais empfindliche Typen, und wenn doch, weisen sie häufig Einschränkungen auf, z. B. keine Wechselkontakte oder einen begrenzten Schaltstrom. Sie sind auch teurer. Aber wenn Sie eine finden, die zu Ihrer Anwendung passt, würde ich sie mit Sicherheit in Betracht ziehen.
Energieeinsparung: 50%.

12 V Relais bei 5 V
Hier kommen wir zu den Real Savings ™. Zuerst müssen wir den 5 V Betrieb erklären. Wir haben bereits gesehen, dass wir das Relais mit 9 V betreiben können, da die "Betriebsspannung" 8,4 V betrug. 5 V sind jedoch erheblich niedriger, sodass das Relais nicht aktiviert wird. Es scheint jedoch, dass die "Muss-Betriebsspannung" nur benötigt wird, um das Relais zu aktivieren ; Sobald es aktiviert ist, bleibt es auch bei viel niedrigeren Spannungen aktiv. Sie können dies leicht versuchen. Öffnen Sie das Relais und legen Sie 5 V über die Spule, und Sie werden sehen, dass es nicht aktiviert wird. Schließen Sie nun den Kontakt mit der Spitze eines Bleistifts und Sie werden sehen, dass er geschlossen bleibt. Groß.

Es gibt einen Haken: Woher wissen wir, dass dies für unsere Staffel funktioniert? Die 5 V werden nirgendwo erwähnt. Was wir brauchen, ist die "Haltespannung" des Relais, die die minimale Spannung angibt, um aktiviert zu bleiben. Leider wird dies in Datenblättern häufig weggelassen. Also müssen wir einen anderen Parameter verwenden: "muss Spannung freigeben". Das ist die maximale Spannung, bei der das Relais garantiert abschaltet. Für unser 12 V Relais sind das 0,6 V, was sehr niedrig ist. Die "Haltespannung" ist normalerweise nur etwas höher, wie 1,5 V oder 2 V. In vielen Fällen sind die 5 V das Risiko wert. Nicht, wenn Sie eine Produktion von 10.000 / Jahr des Geräts durchführen möchten, ohne den Hersteller des Relais zu konsultieren. Sie können eine Menge Renditen haben.

Wir brauchen die Hochspannung also nur für eine sehr kurze Zeit und können uns dann mit den 5 V zufrieden geben. Dies kann leicht mit einer parallelen RC-Schaltung in Reihe zum Relais erreicht werden. Beim Einschalten des Relais wird der Kondensator entladen und damit der Parallelwiderstand kurzgeschlossen, so dass die vollen 12 V an der Spule anliegen und diese ansteuern kann. Der Kondensator wird dann aufgeladen und es tritt ein Spannungsabfall am Widerstand auf, der den Strom verringert.

Dies ist wie in unserem ersten Beispiel, nur dann haben wir eine 9 V Spulenspannung gewählt, jetzt wollen wir 5 V. Rechner! 5 V an den 360 Ω der Spule betragen 13,9 mA. Der Widerstand sollte dann (12 V - 5 V) / 13,9 mA = 500 Ω betragen. Bevor wir den Wert für den Kondensator finden können, müssen wir noch einmal das Datenblatt konsultieren: Die maximale Betriebszeit beträgt 10 ms. Das bedeutet, dass der Kondensator langsam genug aufgeladen werden sollte, um nach 10 ms noch 8,4 V an der Spule zu haben. So sollte die Spannung der Spule über die Zeit aussehen:

Der R-Wert für die RC-Zeitkonstante beträgt nach Thévenin 500 Ω parallel zu den 360 Ω der Spule. Das sind 209 Ω. Die Gleichung des Graphen lautet

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

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

Im eingeschwungenen Zustand haben wir also einen Widerstand von 860 Ω anstelle von 360 Ω. Wir sparen 58% .

12 V Relais bei 5 V, Wiederholung
Die folgende Lösung spart bei 12 V die gleichen Kosten, aber mit einem Spannungsregler halten wir die Spannung bei 5 V, auch wenn die Eingangsspannung ansteigen würde.

Was passiert, wenn wir den Schalter schließen? C1 wird über D1 und R1 schnell auf 4,3 V aufgeladen. Gleichzeitig wird C2 über R2 aufgeladen. Wenn die Schwelle des Analogschalters erreicht ist, schaltet der Schalter in IC1 um und der Minuspol von C1 wird mit +5 V verbunden, so dass der Pluspol auf 9,3 V geht Das Relais wird über D1 mit 5 V versorgt.

Was haben wir davon? Wir haben 5 V / 360 Ω = 14 mA über das Relais und kommen von 12 V über einen LM7805 oder ähnlichem, das sind 167 mW anstatt 400 mW.
Energieeinsparung: 58%.

12 V Relais bei 5 V, Wiederholung 2
Mit einem SMPS können wir unsere 5 V noch besser von unserem 12 V Netzteil beziehen. Wir werden dieselbe Schaltung mit dem Analogschalter verwenden, aber wir werden viel mehr sparen. Bei einem 90% effizienten SMPS haben wir eine Energieeinsparung von 80% (!) .

(mit Mathematica erstellte Grafiken)

stevenvh gab eine wundervolle Antwort, aber es gibt eine nicht aufgeführte Lösung, die ich jedes Mal verwende, wenn ich kann: Stufenrelais.

Sie verbrauchen nur Strom, wenn der Relaisstatus geändert wird.

Natürlich wird die Elektronik dadurch komplexer, da Sie den Relaisstatus beim Starten des Mikrocontrollers kennen müssen. In vielen Fällen wird jedoch viel Strom gespart. In meinem Hausautomationssystem hat der Austausch von 24 "Standard" -Relais durch die Stufenrelais fast 98% der von der Mikrocontrollerplatine verbrauchten Energie gespart.

Wie können diese Relais effizienter eingesetzt werden?

Im Folgenden wird das im Prinzip effizienteste System beschrieben, das mit einem "normalen" nicht selbsthaltenden Relais verwendet werden kann. Diese Schaltung funktioniert mit Stevens Referenzrelais - oder jedem anderen Relais.

• In der folgenden Schaltung wird die Relaisspule als Induktor in einem Tiefsetzsteller verwendet, um Energieeinsparungen zu erzielen, die um ein Vielfaches besser sind als mit den bestmöglichen linearen Regelungsschemata. Es kann nicht über einen langen Zeitraum mit dem stromlosen Wirkungsgrad von mechanischen Verriegelungs- oder Schrittrelais-Lösungen mithalten, ABER es kann mit jedem Standard- und nicht modifizierten Relais implementiert werden.

  Wenn die Umwandlungseffizienz die einzige Messgröße ist, ist dieses Schema allem überlegen, was für eine Haltespannung von weniger als etwa 50% der Versorgung erreicht werden kann, und wird in den meisten Fällen überlegen sein.

  Die Anzahl der Komponenten ist höher als bei einfachen Schemata auf Basis von Widerständen oder Reglern, aber bescheiden, wenn Energie gespart werden muss. Die unten gezeigte Anforderung gilt für 2 "Jellybean" -Transistoren, 8 Widerstände, 2 Dioden, eine Zenerdiode und 2 Kondensatoren. Dies könnte mit Vorsicht leicht reduziert werden.

  Falls gewünscht, könnte stattdessen ein auf einem IC basierendes Abwärtsreglersystem verwendet werden, wobei weiterhin die Relaisspule als Induktor verwendet wird.

Die absolut brillante Schaltung unten wurde von Richard Prosser als Reaktion auf eine kostengünstige Herausforderung bei der Entwicklung von Schaltreglern beigesteuert, die ich herausgegeben habe. Vor 8 Jahren. Während die Anzahl der Komponenten ein wenig höher ist als bei vielen anderen Energiesparlösungen, ist diese typischerweise effizienter bis viel effizienter als typische Alternativen und fällt besonders auf, wenn die Relais-Haltespannung V_hold_in viel niedriger als die Versorgungsspannung ist. In dem gezeigten Beispiel beträgt die Versorgungsspannung 20 V bis 70 V, die Schaltung kann jedoch für jeden vernünftigen Spannungsbereich ausgelegt werden.

Wie hier gezeigt, steuert die Schaltung ein Relais mit konstantem Strom an. Die Einschaltcharakteristiken könnten leicht geändert werden, um anfangs einen höheren Ansteuerstrom bereitzustellen, aber die gezeigte Schaltung ist normalerweise sehr akzeptabel.

Die Schlüsselbrillanz der Schaltung ist die Implementierung einer Konstantstromansteuerung der Relaisspule unter Verwendung der Relaisinduktivität selbst als Induktivität in einem Abwärtsregler. Die angelegte Spannung wird auf die erforderliche Spannung abgesenkt, um den erforderlichen Ansteuerungspegel bereitzustellen. Dies kann so ausgelegt sein, dass die Spule mit einer definierten Spannung oder einem definierten Strom betrieben wird.

Selbst bei sehr hohen angelegten Spannungen, bei denen der Wirkungsgrad geringer ist (wahrscheinlich nur etwa 50% bei sehr hohem Vin), sind die Energieeinsparungen erheblich.
Berücksichtigen Sie - wenn die Relaishaltespannung 5 V und die Versorgungsspannung 30 V beträgt, sagen wir. Ein Vorwiderstand oder ein Linearregler kann keinen besseren Wirkungsgrad erzielen als Vrelay / Vsupply = 5/30 ~ = 16%. ABER dies erfordert, dass der Relaishaltestrom bei 5 V von der 30-V-Versorgung geliefert wird, so dass die Verlustleistung = Iholdin x 30 beträgt.
Bei einem Wirkungsgrad von 50% beträgt die Verstärkung einen Faktor von 30 V / 5 V x 50/100 = 3: im Vergleich zu dem Besten, das mit einem nicht schaltenden System erreicht werden kann.

• Leistungsreduzierungsfaktor = VVersorgung / VHALTIN ​​x Wirkungsgrad% / 100%

Auch dies ist der Gewinn im Verhältnis zu dem allerbesten linearen System, das möglicherweise erreicht werden kann.

Vereinfachte Betriebsbeschreibung - weitere Details bei Bedarf verfügbar:

Zener Z1 aufrufen. Zenerspannung Vz1.

Die Q1-Basis wird auf einer Referenzspannung gehalten, indem Vz1 durch R9, R2 dividiert wird.
Wenn Irelay = 0, Q1_E =) so Q1 an so Q2 an so I_relay steigt.
Wenn Irelay ansteigt, steigt V_R7 an, bis Q1E hoch genug ist, um Q1 auszuschalten.
Das Ausschalten von Q1 schaltet Q2 aus und Relaisstromfreiläufe über D3, R7.
R1, C2 bilden eine Verzögerung bei der Erfassung des Abfalls von V_R7, wenn I_relay abfällt, wodurch eine Hysterese bereitgestellt wird.
Verschiedene andere Wechselwirkungen treten auf, aber sie sind den obigen Haupteffekten nachgeordnet.

"Black Switchjing Regulator" - von Roman Black:

Der relativ bekannte "Black Switching Regulator" wurde aus dieser Schaltung als Folge der Designherausforderung abgeleitet.

Cicruit Link defekt aber

Diskussion

Ungetestetes PCB-Layout hier - die übermäßig Begehrten können die Schaltung relativ einfach daraus ableiten.

Äh.
Unten ist eine ASCII-Kunstversion, die ich auf der Festplatte gespeichert hatte, die wahrscheinlich eine Kopie der ursprünglichen Webseite ist. Leistung ist nicht wunderbar in Bezug auf Effizienz oder Vout-Abfall mit Last oder Vin, aber es ist billig :-). "Mein" GSR verwendet einen Transistor mehr, ist also nicht ganz so minimalistisch bei den Komponentenkosten, hat aber im Allgemeinen viel bessere Spezifikationen. Aber das ist eine andere Geschichte.

Stufenrelais wurden von Axeman erwähnt.

Es gibt auch bistabile Rastrelais .

Es könnte leicht genug sein, eine Schaltung zu entwickeln, um Energie zu speichern und an die Entriegelungsspule anzulegen, wenn die Energie vom Haupteingang getrennt wurde, wodurch der Betrieb von außen mit einem normalen Einzelspulenrelais identisch wird.

Unten - eine Version des Verriegelungsrelais - einige haben eine separate stromlose Spule:

Vielleicht möchten Sie sich eine aktuelle EDN Design-Idee ansehen .

Im Grunde haben Sie einen DC-Multiplikator und einen einzelnen Transistor zum Ein- und Ausschalten. Der Multiplikator gibt den ersten "Kick", den Sie benötigen, aber dann ist seine stationäre Spannung viel niedriger. Der Stromkreis enthält keine kritischen Elemente und kann für nahezu jedes Relais oder Magnetventil angepasst werden.

Relais haben immer noch viele Vorteile gegenüber SSRs, und die Auswahlkriterien unterscheiden sich bei der Auswahl für ein hohes Volumen oder eine hohe Zuverlässigkeit für Automobilanforderungen. Die Schaltlebensdauer beträgt bei konservativer Verwendung bis zu 10e5 und 10e6.

Für diejenigen, die noch keine Erfahrung mit der Auswahl von Relays haben, wird die Steigerung des Bewusstseins für gemeinsame Funktionen dazu beitragen, die effiziente Anpassung der Leistung an die Anforderungen zu optimieren.

• Die Herstellung von Relais erfordert jahrzehntelange Erfahrung. Die Auswahl einer zuverlässigen Quelle erfordert eine sorgfältige Prüfung der Lieferantenqualität.

• Relais haben genau wie Transistoren eine effektive Leistungs- und Stromverstärkung.

  • Betrachten wir Leistungstransistorschalter mit einem hFE von 100, wenn sie im gesättigten Modus betrieben werden, muss eine Stromverstärkung von 5 bis 10 in der Schaltung ausgelegt werden.
  • Relais haben keine Offset- oder ESD-Probleme mit einer typischen Isolation von> 1 kV, und eine Stromverstärkung von 50 bis 100 ist üblich. Bei Relais mit reduzierter Spulenspannung ist eine höhere Verstärkung möglich.

• Relais haben gemeinsame Formfaktorbeschreibungen für SPST, SPDT, 2P2T ... 6P2T (Schaltbeispiele)

  • Das Relais kann durch die Anzahl der Pole und Kontakte oder "Würfe" definiert werden, aber die standardisierte Beschreibung verwendet Formfaktoren.
  • Double Throw oder DT gibt es in drei Formen, je nachdem, welche der drei Positionen als "Pol" und die anderen beiden als "Würfe" als "Normal geschlossen" oder "Offen" (NC / NO) bezeichnet werden. Sie werden als Form A, Form B bezeichnet. Formular C.
  • Ein Beispiel eines DPDT in Form A wird "2-Form A" genannt, manchmal mit 2FA abgekürzt
  • Diese Formen haben Standard-Pin-Nr. Oder Positionen für DIP-14, Automobil, Leistungsrelais (allgemeine Verwendung), Signalrelais (z. B. Telefonie), HF-Relais, Reed-Relais,> = 100A-Relais (auch bekannt als Schütz) usw.

Möglichkeiten zur missbräuchlichen Verwendung von Relais (siehe .. niedrigere MTBF)

• Verwenden Sie einen Kontakt mit 1 A Nennleistung für 10 mA. Schwachstromsignale benötigen vergoldete Kontakte, um eine Oxidation zu verhindern, wodurch ein perfekter Kontakt zu einem Isolator hergestellt wird.
• Verwenden Sie ein 100-mA-Signalrelais mit Au-Beschichtung in einem Design mit geringem Stromverbrauch, das jedoch über große Kappen verfügt, die große Spannungsspitzen für die Vergoldung und das Durchbrennen verursachen.
• Verwenden Sie eine kleine, aber niedrige ESR-Kappe. über die Kontakte von selten verwendeten oder leicht verwendeten Leistungskontakten. Die dielektrische Oxidisolation wird bei jedem Vertragsschluss der Kappe abgebrannt. und Ihre Signale können eingeschaltet werden. Leistungsrelais (nicht vergoldet). Dies war eine großartige Lösung für mich, als ich 1977 eine Box mit 96 x 15 ~ 30 A Relais mit jeweils zusätzlichen Kontakten für die Fernabfrage des Relaisstatus entwarf. Der TTL-Strom reichte nicht aus, um die Sensorkontakte zu "benetzen", aber die Hinzufügung einer kleinen Tantalkappe, die mit einem großen R auf V + gezogen wurde, behebte ein Zuverlässigkeitsproblem der Ersatzkontakte.
• Verwenden Sie eine schwache Versorgung, um die Spule anzutreiben. Dies kann dazu führen, dass die Relaisspule unter die erforderliche Mindestspannung abfällt, und wenn eine Blindlast mit erheblichen Lichtbögen und übermäßigem Kontaktsprung vom schwachen Spulenantrieb vorliegt, was zu "Kontaktklappern" führt.
• Vergessen Sie nicht, Klemmdioden an den Spulen anzubringen, die für> 2x die Versorgungsspannung ausgelegt sind.
• Legen Sie keine Relaisspulen auf empfindliche Analog Power V + -Leitungen.
• Verwenden Sie keine ungeschirmten Relais in der Nähe von empfindlichen Magnetkreisen, z. B. Radios usw., ohne die Ausrichtung der EMV-Störung zu kennen.

• Wenn Sie schwierige Methoden zur Einsparung von Spulenspannungsverlusten in Betracht ziehen, testen Sie hundert auf Zuverlässigkeit und addieren Sie 6sigma für Produktionsausfälle / -ausfälle bei jedem Design für MTBF und berücksichtigen Sie alle Belastungsfaktoren wie Temperatur, Vibration, Höhe, Luftfeuchtigkeit usw.

• Eine großartige Verwendung von Relais besteht darin, einen "Sanftanlauf" -Schaltkreis eine Sekunde oder länger nach dem Einschalten zu schalten, um die Effizienz zu verbessern und Überspannungen zu vermeiden. Es kann die Überspannungen während einer kurzzeitigen Stromunterbrechung verhindern, indem lediglich PTCs für den Softstart verwendet werden. Dies führt zu einer momentan geringeren Effizienz, schützt jedoch kritische Komponenten oder Ausgangsspezifikationen. mit geringen Eingangsstoßströmen.

Fühlen Sie sich frei, zu meiner Liste hinzuzufügen.

Sie können den Relaisstrom mit einem Kondensator und einem Widerstand halbieren. Der Kondensator speist das Relais beim Einschalten, der Widerstand reduziert den Haltestrom.