Welche Möglichkeiten gibt es, Relais effizienter zu nutzen?

Dies wird eine ziemlich lange Antwort, aber ich habe viele hübsche Bilder hinzugefügt, die Sie vom Einschlafen abhalten sollten ;-)

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. Das kann zum Beispiel für Feedback oder kompliziertere Antriebsgründe sein. (Eine Möglichkeit, Feedback zu erhalten, besteht darin, einen Kontakt eines zweipoligen Relais zu verwenden, aber dann reduzieren Sie es auf ein einpoliges Relais. Dreipolige Relais gibt es, sind aber teuer.)
Wie auch immer, hier geht es um Ihren gemeinsamen, kostengünstigen Astabil Relais. Ich werde dieses Relais als Referenz verwenden.

Vorwiderstand
Eine billige und einfache Möglichkeit, die Leistung zu reduzieren, und auf die meisten Relais anwendbar. Achten Sie im Datenblatt auf die Betriebsspannung , die manchmal als "Anzugsspannung" 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 oft nicht geregelt sind und beispielsweise bei Netzspannungstoleranzen variieren können. Prüfen Sie vorher die Spannen an den 12 V.
Lassen Sie uns etwas Spielraum behalten und 9 V wählen. 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 statt 400 mW, was einer Energieeinsparung von 25 % bei nur einem Vorwiderstand entspricht.

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

LDO-Regler
Mit dem Vorwiderstand beträgt die Stromersparnis konstant 25 %, das Verhältnis unserer Widerstände. Wenn die Spannung ansteigt, steigt die Leistung quadratisch an. Aber wenn wir die Relaisspannung unabhängig von unserer Versorgungsspannung konstant halten können, steigt die Leistung nur linear mit steigender Eingangsspannung. 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, aber weniger, wenn die Eingangsspannung unter 12 V fällt.
Stromeinsparung: 25 %.

Sensibles Relais
Das ist die einfachste Art, die Leistung drastisch zu reduzieren: Verwenden Sie die empfindliche Version des Relais. Unser Relais gibt es in einer Standardversion, die 400 mW benötigt, und einer sensitiven Version, die mit der Hälfte davon zufrieden ist.
Warum also nicht immer empfindliche Relais verwenden? Erstens gibt es nicht alle Relais in empfindlicher Ausführung, und wenn doch, haben sie oft Einschränkungen, wie z. B. keine Wechslerkontakte (CO) oder einen begrenzten Schaltstrom. Sie sind auch teurer. Aber wenn Sie einen finden, der zu Ihrer Anwendung passt, würde ich ihn auf jeden Fall in Betracht ziehen.
Energieeinsparung: 50 %.

12 V Relais bei 5 V
Hier kommen wir zu 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 "Muss-Betriebsspannung" 8,4 V betrug. Aber 5 V sind 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. Das kannst du ganz einfach ausprobieren. 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 einer Bleistiftspitze und Sie werden sehen, dass er geschlossen bleibt. Groß.

Es gibt einen Haken: Woher wissen wir, dass dies für unser Relais funktioniert? Die 5 V werden nirgendwo erwähnt. Was wir brauchen, ist die "Haltespannung" des Relais, die die Mindestspannung angibt, um aktiviert zu bleiben, und die leider oft in Datenblättern weggelassen wird. Wir müssen also 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 wirklich wenig ist. Die "Haltespannung" ist normalerweise nur etwas höher, z. B. 1,5 V oder 2 V. In vielen Fällen sind die 5 V das Risiko wert. Nicht , wenn Sie eine 10.000-Jahres-Produktion des Geräts ausführen möchten, ohne den Hersteller des Relais zu konsultieren. Sie können viele Renditen haben.

Wir brauchen also nur ganz kurz die Hochspannung und können uns dann mit den 5 V begnügen. Dies lässt sich leicht mit einem parallelen RC-Glied in Reihe zum Relais realisieren. Beim Einschalten des Relais entlädt sich der Kondensator und schließt somit den Parallelwiderstand kurz, sodass die vollen 12 V an der Spule anliegen und diese anziehen kann. Der Kondensator wird dann aufgeladen und es entsteht ein Spannungsabfall über dem Widerstand, der den Strom reduziert.

Das ist wie in unserem ersten Beispiel, nur haben wir damals eine Spulenspannung von 9 V gewählt, jetzt wollen wir 5 V. Rechner! 5 V über den 360 Ω der Spule sind 13,9 mA, dann sollte der Widerstand (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 maximal 10 ms. Das bedeutet, dass der Kondensator langsam genug aufgeladen werden sollte, um nach 10 ms immer noch 8,4 V an der Spule anliegen zu lassen. So sollte die Spannung der Spule über die Zeit aussehen:

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

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

Mit$V_{COIL}$= 8,4 V,$t$= 10 ms und$R$= 209 Ω können wir auflösen$C$und wir finden mindestens 66 µF. Nehmen wir 100 µF.

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

12-V-Relais bei 5 V, Wiederholung
Die folgende Lösung bringt uns die gleichen Einsparungen bei 12 V, aber mit einem Spannungsregler halten wir die Spannung bei 5 V, selbst wenn die Eingangsspannung steigen 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, sodass der Pluspol auf 9,3 V geht. Das reicht aus, damit das Relais aktiviert wird, und nachdem C1 entladen ist Das Relais wird von 5 V über D1 versorgt.

Was also ist unser Gewinn? Wir haben 5 V / 360 Ω = 14 mA durch das Relais und kommen von 12 V über einen LM7805 oder ähnliches, das sind 167 mW anstelle von 400 mW.
Energieeinsparung: 58 %.

12-V-Relais bei 5 V, Wiederholung 2
Wir können es noch besser machen, indem wir ein SMPS verwenden, um unsere 5 V von unserer 12-V-Stromversorgung zu erhalten. Wir verwenden die gleiche Schaltung mit dem analogen Schalter, aber wir sparen viel mehr. Bei einem 90 % effizienten SMPS haben wir eine Energieeinsparung von 80 % (!) .

(Grafiken erstellt mit Mathematica)

stevenvh hat eine wunderbare Antwort gegeben, aber es gibt eine nicht aufgeführte Lösung, die ich jedes Mal verwende, wenn ich kann: Schrittrelais.

Sie verbrauchen nur Strom, wenn sie den Relaiszustand ändern.

Natürlich macht es die Elektronik komplexer, weil Sie den Relaiszustand wissen müssen, wenn der Mikrocontroller startet, aber in vielen Fällen spart es viel Strom. In meinem Hausautomationssystem sparte der Austausch von 24 "Standard" -Relais durch die Stufenrelais fast 98% des Stromverbrauchs der Mikrocontroller-Platine.

Welche Möglichkeiten gibt es also, diese Relais effizienter zu nutzen?

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

• Die nachstehende Schaltung verwendet die Relaisspule als Induktor in einem Abwärtswandler, um Energieeinsparungen zu erzielen, die um ein Vielfaches besser sind, als dies durch die bestmöglichen linearen Regelungsschemata erreicht werden kann. Es kann nicht über einen langen Zeitraum mit der Nullstromeffizienz von mechanischen Stromstoßrelais- oder Schrittschaltrelaislösungen mithalten, ABER es kann mit jedem standardmäßigen und unveränderten Relais implementiert werden.

  Wenn die Umwandlungseffizienz das einzige Maß ist, dann 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 resistiven oder reglerbasierten Schemata, ist jedoch bescheiden, wenn Energieeinsparung von entscheidender Bedeutung ist. Die unten gezeigte Anforderung gilt für 2 "Jellybean" -Transistoren, 8 Widerstände, 2 Dioden, eine Zenerdiode und 2 Kondensatoren. Dies könnte mit Vorsicht etwas reduziert werden.

  Falls gewünscht, könnte stattdessen ein IC-basiertes Abwärtsreglersystem verwendet werden, das immer noch die Relaisspule als Induktor verwendet.

Die absolut brillante Schaltung unten wurde von Richard Prosser als Antwort auf eine Design-Herausforderung für einen kostengünstigen Schaltregler beigetragen, die ich über ? Vor 8 Jahren. Während die Anzahl der Komponenten etwas höher ist als bei vielen anderen Energiesparlösungen, ist diese in der Regel effizienter bis viel effizienter als typische Alternativen und sticht wirklich hervor, wenn die Relaishaltespannung V_hold_in viel kleiner als die Versorgungsspannung ist. In dem gezeigten Beispiel beträgt die Versorgungsspannung 20 V bis 70 V, aber die Schaltung kann für jeden sinnvollen Spannungsbereich ausgelegt werden.

Wie hier gezeigt, treibt die Schaltung ein Relais mit konstantem Strom an. Die Einschalteigenschaften könnten leicht geändert werden, um anfänglich einen höheren Treiberstrom bereitzustellen, aber die Schaltung wie gezeigt wird normalerweise sehr akzeptabel sein.

Die Schlüsselbrillanz der Schaltung ist die Implementierung eines Konstantstromantriebs für die Relaisspule, wobei die Relaisinduktivität selbst als Induktor in einem Abwärtsregler verwendet wird. Die angelegte Spannung wird auf die Spannung herabgesetzt, die erforderlich ist, um den erforderlichen Treiberpegel bereitzustellen. Dies kann so gedacht und ausgelegt sein, dass die Spule mit definierter Spannung oder definiertem Strom angesteuert wird.

Selbst bei sehr hohen angelegten Spannungen, bei denen der Wirkungsgrad niedriger ist (wahrscheinlich so niedrig wie etwa 50 % bei sehr hohem Vin), sind die Energieeinsparungen erheblich.
Überlegen Sie - wenn die Haltespannung des Relais 5 V beträgt und die Versorgungsspannung beispielsweise 30 V beträgt. Ein Vorwiderstand oder Linearregler kann keinen besseren Wirkungsgrad als VRelais/VVersorgung = 5/30 ~= 16% erreichen. ABER dies erfordert, dass Relaishaltestrom bei 5 V von der 30-V-Versorgung geliefert wird, also Verlustleistung = Iholdin x 30. Wenn ein Abwärtswandler verwendet wird, Leistung = Vrelay x Iholdin x 100% / Effizienz%.
Bei 50 % Wirkungsgrad beträgt die Verstärkung einen Faktor von 30 V/5 V x 50/100 = 3: verglichen mit dem Allerbesten, das möglicherweise mit einem nicht schaltenden System erreicht werden kann.

• Leistungsreduktionsfaktor = Vsupply/Vholdin x Effizienz %/100 %

Auch dies ist der Gewinn relativ zum allerbesten linearen System, das möglicherweise erreicht werden kann.

Vereinfachte Betriebsbeschreibung - weitere Details bei Bedarf verfügbar:

Rufen Sie Zener Z1 auf. Zenerspannung Vz1.

Die Basis von Q1 wird auf einer Referenzspannung gehalten, indem Vz1 durch R9, R2 geteilt wird.
Wenn Irelay = 0, Q1_E = ) also Q1 an, also Q2 an, also steigt I_relay.
Wenn Irelay ansteigt, steigt V_R7 an, bis Q1E hoch genug ist, um mit dem Ausschalten von Q1 zu beginnen.
Das Ausschalten von Q1 schaltet Q2 aus und der Relaisstrom läuft über D3, R7 frei.
R1, C2 bilden eine Zeitverzögerung bei der Erfassung des Abfalls von V_R7, wenn I_relay fällt, und sorgen so für eine Hysterese.
Es treten verschiedene andere Wechselwirkungen auf, die jedoch gegenüber den oben genannten Haupteffekten sekundär sind.

"Black Switchjing Regulator" - von Roman Black:

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

Cicruit-Link defekt, aber

Diskussion

Ungetestetes PCB-Layout hier - der übertrieben Eifrige kann die Schaltung relativ leicht daraus ableiten.

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

Stufenrelais wurden von Axeman erwähnt.

Es gibt auch bistabile Stromstoßrelais .

Es könnte leicht genug eine Schaltung entwickelt werden, um Strom zu speichern und ihn an die Entriegelungsspule anzulegen, wenn der Strom vom Haupteingang entfernt wird, wodurch der Betrieb äußerlich identisch mit einem normalen Einzelspulenrelais wird.

Unten - eine Version des Stromstoßrelais - einige haben eine separate Abschaltspule:

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

Im Wesentlichen haben Sie am Ende einen DC-Multiplikator und einen einzelnen Transistor zum Ein- und Ausschalten. Der Multiplikator gibt den anfänglichen "Kick", den Sie brauchen, aber dann ist seine stationäre Spannung viel niedriger. Die Schaltung enthält nichts Kritisches und kann für fast jedes Relais oder Solenoid angepasst werden.

Relais haben immer noch viele Vorteile gegenüber SSRs und die Auswahlkriterien werden anders sein, wenn sie sich für hohe Stückzahlen oder hohe Zuverlässigkeit für Automobilanforderungen entscheiden. Die Schaltlebensdauer beträgt bei konservativer Verwendung bis zu 10e5 und 10e6.

Für diejenigen, die sich mit der Auswahl von Relais noch nicht auskennen, wird die Sensibilisierung für gemeinsame Merkmale dazu beitragen, die effiziente Anpassung der Leistung an die Bedürfnisse zu optimieren.

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

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

  • Betrachten Sie Leistungstransistorschalter mit einem hFE von 100, wenn sie im gesättigten Modus betrieben werden, muss man mit einer Stromverstärkung von 5 bis 10 in der Schaltung entwerfen.
  • 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 verfügbar.

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

  • Das Relais kann durch die Anzahl der Pole und Kontakte oder "Wurf" definiert werden, aber die standardisierte Beschreibung verwendet Formfaktoren.
  • Double Throw oder DT gibt es in 3 Formen, je nachdem, welche der 3 Stellen als „Stange“ bezeichnet wird und die anderen beiden als „Würfe“, die als normalerweise geschlossen oder offen (NC/NO) bezeichnet werden und als Form A, Form B bezeichnet werden. Formular C.
  • Ein Beispiel für eine DPDT in Form A wird "2-Form A" genannt, manchmal mit 2FA abgekürzt
  • Diese Formulare haben Standard-Pin # oder Positionen für DIP-14, Automobil, Leistungsrelais (Allzweck)", Signalrelais (z. B. Telefonie), HF-Relais, Reed-Relais, >= 100-A-Relais (auch bekannt als Schütz) usw.

Möglichkeiten, Relais zu missbrauchen (sprich.. niedrigere MTBF)

• Verwenden Sie einen 1-A-Nennkontakt für 10 mA. Schwachstromsignale benötigen goldbeschichtete Kontakte, um Oxidation zu verhindern, was einen vollkommen guten Kontakt mit einem Isolator herstellt.
• Verwenden Sie ein 100-mA-Signalrelais mit Au-Beschichtung in einem Low-Power-Design, das jedoch große Kappen hat, die enorme Überspannungen für die Flash-Goldbeschichtung und das Durchbrennen erzeugen.
• Verwenden Sie eine kleine, aber niedrige ESR-Kappe. über die Kontakte selten verwendeter oder leicht verwendeter Leistungskontakte. Die dielektrische Oxidisolierung wird bei jedem Vertragsschluss der Kappe abgebrannt. und Ihre Signale können auf leistungsbezogene (lesen Sie ... nicht vergoldete) Relais geschaltet werden. Dies war 1977 eine großartige Lösung für mich, als ich eine Box mit 96x 15~30A-Relais mit jeweils zusätzlichen Kontakten zur Fernerfassung des Relaiszustands entwarf. Der TTL-Strom reichte nicht aus, um die Sensorkontakte zu „benetzen“, aber das Hinzufügen einer kleinen Tantalkappe, die mit einem großen R auf V+ gezogen wurde, behob 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 reaktive Last mit erheblicher Lichtbogenbildung und übermäßigem Kontaktprellen durch schwache Spulenansteuerung vorhanden ist, was zu "Kontaktflattern" führt.
• Vergessen Sie nicht, Klemmdioden an den Spulen anzubringen, die für > das Doppelte der 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 sich der Ausrichtung von EMV-Störungen bewusst zu sein.

• Wenn Sie knifflige Methoden in Betracht ziehen, um die Verlustleistung der Spule einzusparen, testen Sie hundert auf Zuverlässigkeit und fügen Sie 6 Sigma für Produktionsausfälle / -ausfälle bei jedem Design für MTBF hinzu und berücksichtigen Sie alle Stressfaktoren wie Temperatur, Vibration, Höhe, Feuchtigkeit usw.

• Eine großartige Verwendung von Relais besteht darin, eine "Soft-Start" -Schaltung eine Sekunde oder länger nach dem Einschalten zu überbrücken, um die Effizienz zu verbessern und Überspannungen zu vermeiden. Es kann die Überspannungen während einer kurzzeitigen Stromunterbrechung verhindern, indem einfach PTCs für den Sanftanlauf verwendet werden. Dies führt zu einer vorübergehend geringeren Effizienz, schützt jedoch kritische Komponenten oder Austrittsspezifikationen. mit niedrigen 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 Start, der Widerstand reduziert den Haltestrom.