¿Cuáles son algunas formas de usar los relés de manera más eficiente?

A menudo parece que usamos microcontroladores para controlar los relés, y un microcontrolador de 5 V a menudo se usa con relés de 12 V. Un relé puede necesitar varias veces más potencia que el microcontrolador. No es un problema si puede usar un SSR, que puede manejar a unos pocos mA, pero hay situaciones en las que necesita un relé electromecánico. Cuando, es otra discusión. Aquí me enfocaré en lo electromecánico. Entonces, ¿cuáles son algunas formas de usar esos relés de manera más eficiente?

Esto se está convirtiendo en una respuesta bastante larga, pero agregué muchas fotos bonitas, que deberían evitar que te duermas ;-)

Soy consciente de los relés biestables, y son los grandes ahorradores, pero aquí analizaré diferentes soluciones, todas para el mismo relé sin bloqueo, en caso de que no desee utilizar un relé de bloqueo. Eso podría ser por retroalimentación o por razones de manejo más complicadas, por ejemplo. (Una forma de obtener retroalimentación es mediante el uso de un contacto de un relé de dos polos, pero luego lo reduce a un relé de un solo polo. Existen relés de tres polos, pero son caros).
De todos modos, se trata de su astable común de bajo costo relé. Usaré este relé como referencia.

Resistencia en serie
Una forma sencilla y económica de reducir la potencia, y aplicable a la mayoría de los relés. Esté atento a la tensión de funcionamiento en la hoja de datos, a veces llamada "tensión de entrada". Para la versión estándar de 12 V del relé anterior, es de 8.4 V. Eso significa que el relé de 12 V también funcionará si le aplica un mínimo de 8.4 V. La razón de este amplio margen es que los 12 V para relés a menudo no están regulados y pueden variar, por ejemplo, con tolerancias de voltaje de red. Verifique los márgenes en los 12 V antes de hacer esto.
Mantengamos un margen y avancemos a 9 V. El relé tiene una resistencia de bobina de 360 ​​Ω, luego una resistencia en serie de 120 Ω provocará una caída de 3 V y 9 V restantes para el relé. La disipación de potencia es de 300 mW en lugar de 400 mW, un ahorro de energía del 25%, con solo una resistencia en serie.

En este y en los otros gráficos, la potencia de la solución común se muestra en azul, normalizada para una entrada de 12 V, y nuestra solución mejorada en púrpura. El eje x muestra el voltaje de entrada.

Regulador LDO
Con la resistencia en serie, el ahorro de energía es un constante 25%, la relación de nuestras resistencias. Si el voltaje aumenta, la potencia aumentará cuadráticamente. Pero si podemos mantener constante el voltaje del relé, independientemente de nuestro voltaje de suministro de energía, la energía solo aumentará linealmente con el aumento del voltaje de entrada. Podemos hacer esto usando un LDO de 9 V para alimentar el relé. Tenga en cuenta que, en comparación con la resistencia en serie, esto ahorra más energía a voltajes de entrada más altos, pero menos si el voltaje de entrada cae por debajo de 12 V.
Ahorro de energía: 25%.

Relé sensible
Esta es la forma más sencilla de reducir drásticamente la potencia: utilice la versión sensible del relé. Nuestro relé está disponible en una versión estándar que necesita 400 mW, y una versión sensible que está contenta con la mitad de eso.
Entonces, ¿por qué no usar siempre relés sensibles? Primero, no todos los relés vienen en tipos sensibles, y cuando lo hacen, a menudo tienen restricciones, como contactos sin cambio (CO) o una corriente de conmutación limitada. Son más caros también. Pero si puede encontrar uno que se ajuste a su aplicación, sin duda lo consideraría.
Ahorro de energía: 50%.

Relé de 12 V a 5 V
Aquí llegamos al Real Savings ™. Primero tendremos que explicar la operación de 5 V. Ya vimos que podemos operar el relé a 9 V, ya que el "voltaje de operación debe ser" fue de 8.4 V. Pero 5 V es considerablemente más bajo que eso, por lo que no activará el relé. Parece, sin embargo, que el "voltaje de operación debe" solo es necesario para activar el relé; una vez que se activa, permanecerá activo incluso a voltajes mucho más bajos. Puedes probar esto fácilmente. Abra el relé y coloque 5 V a través de la bobina, y verá que no se activa. Ahora cierre el contacto con la punta de un lápiz y verá que permanece cerrado. Excelente.

Hay una trampa: ¿cómo sabemos que esto funcionará para nuestro relé? No menciona los 5 V en ninguna parte. Lo que necesitamos es el "voltaje de retención" del relé, que proporciona el voltaje mínimo para permanecer activado, y desafortunadamente eso a menudo se omite en las hojas de datos. Entonces tendremos que usar otro parámetro: "debe liberar voltaje". Esa es la tensión máxima a la que el relé garantizará la desconexión. Para nuestro relé de 12 V es 0.6 V, que es realmente bajo. El "voltaje de retención" suele ser solo un poco más alto, como 1,5 V o 2 V. En muchos casos, vale la pena arriesgar 5 V No si desea ejecutar una producción de 10k / año del dispositivo sin consultar al fabricante del relé; Es posible que tenga muchas devoluciones.

Por lo tanto, solo necesitamos el alto voltaje por un tiempo muy corto, y luego podemos conformarnos con los 5 V. Esto se puede lograr fácilmente con un circuito RC paralelo en serie con el relé. Cuando se enciende el relé, el condensador se descarga y, por lo tanto, hace un cortocircuito en la resistencia paralela, de modo que los 12 V completos están a través de la bobina y puede activarse. El condensador se carga y habrá una caída de voltaje a través de la resistencia que reduce la corriente.

Esto es como en nuestro primer ejemplo, solo entonces fuimos por un voltaje de bobina de 9 V, ahora queremos 5 V. ¡Calculadora! 5 V a través de los 360 Ω de la bobina son 13,9 mA, entonces la resistencia debe ser (12 V - 5 V) /13,9 mA = 500 Ω. Antes de que podamos encontrar el valor del condensador, debemos consultar la hoja de datos una vez más: el tiempo máximo de operación es de 10 ms como máximo. Eso significa que el condensador debería cargar lo suficientemente lento como para tener 8,4 V en la bobina después de 10 ms. Así es como debería verse el voltaje de la bobina con el tiempo:

El valor R para la constante de tiempo RC es el paralelo de 500 Ω a los 360 Ω de la bobina, debido a Thévenin. Eso es 209 Ω. La ecuación del gráfico es

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

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

Entonces, en estado estacionario, tenemos una resistencia de 860 Ω en lugar de 360 ​​Ω. Estamos ahorrando 58% .

Relé de 12 V a 5 V, repita
La siguiente solución nos da los mismos ahorros a 12 V, pero con un regulador de voltaje mantendremos el voltaje a 5 V, incluso si el voltaje de entrada aumentara.

¿Qué sucede cuando cerramos el interruptor? C1 se carga rápidamente a 4,3 V a través de D1 y R1. Al mismo tiempo, C2 se carga a través de R2. Cuando se alcanza el umbral del interruptor analógico, el interruptor en IC1 alternará, y el polo negativo de C1 se conectará a +5 V, de modo que el polo positivo vaya a 9.3 V. Eso es suficiente para que el relé se active, y después de que C1 se descargue, el El relé es alimentado por los 5 V a D1.

Entonces, ¿cuál es nuestra ganancia? Tenemos 5 V / 360 Ω = 14 mA a través del relé, y provienen de 12 V a través de un LM7805 o similar que es 167 mW en lugar de 400 mW.
Ahorro de energía: 58%.

Relé de 12 V a 5 V, repetición 2
Podemos hacerlo aún mejor usando un SMPS para obtener nuestros 5 V de nuestra fuente de alimentación de 12 V. Usaremos el mismo circuito con el interruptor analógico, pero ahorraremos mucho más. Con un SMPS 90% eficiente, tenemos un ahorro de energía del 80% (!) .

(gráficos hechos con Mathematica)

stevenvh dio una respuesta maravillosa, pero hay una solución que no aparece en la lista y que uso cada vez que puedo: relés por pasos.

Consumen energía solo cuando cambian el estado del relé.

Por supuesto, hace que la electrónica sea más compleja porque necesita una forma de conocer el estado del relé cuando se inicia el microcontrolador, pero en muchos casos, ahorra mucha energía. En mi sistema de automatización del hogar, el reemplazo de 24 relés "estándar" por los escalones ahorró casi el 98% de la energía consumida por la placa del microcontrolador.

Entonces, ¿cuáles son algunas formas de usar esos relés de manera más eficiente?

A continuación se describe el sistema más eficiente en principio que se puede usar con un relé "normal" sin enclavamiento. Este circuito funcionará con el relé de referencia de Steven, o cualquier otro relé.

• El siguiente circuito utiliza la bobina del relé como un inductor en un convertidor reductor para lograr ahorros de energía varias a muchas veces mejores de lo que se puede lograr con los mejores esquemas de regulación lineal posibles. No puede competir durante un período prolongado con la eficiencia de corriente cero de las soluciones de relé de enclavamiento mecánico o de relé paso a paso, PERO se puede implementar con cualquier relé estándar y sin modificar.

  Si la eficiencia de la conversión es la única métrica, este esquema es superior a cualquier cosa que pueda lograrse para un voltaje de retención de menos del 50% del suministro, y será superior en la mayoría de los casos.

  El conteo de componentes es más alto que para esquemas simples resistivos o basados ​​en reguladores, pero es modesto cuando el ahorro de energía es vital. El requisito que se muestra a continuación es para 2 transistores "jellybean", 8 resistencias, 2 diodos, un diodo zener y 2 condensadores. Esto podría reducirse ligeramente con cuidado.

  Si se desea, se puede usar un sistema regulador de inversión basado en IC, en lugar de utilizar la bobina del relé como inductor.

El circuito completamente brillante a continuación fue contribuido por Richard Prosser en respuesta a un desafío de diseño de regulador de conmutación de bajo costo sobre el que emití. Hace 8 años. Si bien el recuento de componentes es un poco más alto que muchas otras soluciones de ahorro de energía, esta suele ser más eficiente que mucho más eficiente que las alternativas típicas, y realmente se destaca cuando el voltaje de retención del relé V_hold_in es mucho menor que el voltaje de suministro. En el ejemplo que se muestra, el voltaje de alimentación es de 20 V a 70 V, pero el circuito puede diseñarse para cualquier rango de voltaje sensible.

Como se muestra aquí, el circuito acciona un relé a corriente constante. Las características de encendido podrían cambiarse fácilmente para proporcionar inicialmente una corriente de accionamiento más alta, pero el circuito como se muestra generalmente será muy aceptable.

El brillo clave del circuito es la implementación de un accionamiento de corriente constante a la bobina del relé utilizando la inductancia del relé como inductor en un regulador de inversión. El voltaje aplicado se reduce a cualquier voltaje requerido para proporcionar el nivel de accionamiento requerido. Esto puede ser diseñado y diseñado para impulsar la bobina a un voltaje o corriente definidos.

Incluso a voltajes aplicados muy altos donde la eficiencia es más baja (probablemente tan baja como aproximadamente 50% con Vin muy alto) los ahorros de energía son sustanciales.
Considere: si la retención del relé en el voltaje es de 5V y el voltaje de suministro es de 30V, digamos. Una resistencia en serie o un regulador lineal no puede lograr una eficiencia mejor que Vrelay / Vsupply = 5/30 ~ = 16%. PERO esto requiere que la corriente de retención del relé a 5 V se suministre desde el suministro de 30 V, por lo que la disipación de potencia = Iholdin x 30. Cuando se usa un convertidor reductor de potencia = Vrelay x I holdin x 100% /% de eficiencia.
Con una eficiencia del 50%, la ganancia es un factor de 30V / 5V x 50/100 = 3: en comparación con lo mejor que se puede lograr con un sistema sin conmutación.

• Factor de reducción de potencia = Vsupply / Vholdin x eficiencia% / 100%

Nuevamente, esta es la ganancia relativa al mejor sistema lineal que posiblemente se pueda lograr.

Descripción operativa simplificada: más detalles disponibles si es necesario:

Llame a zener Z1. Tensión Zener Vz1.

La base Q1 se mantiene a un voltaje de referencia por Vz1 divide por R9, R2.
Cuando Irelay = 0, Q1_E =) entonces Q1 encendido así Q2 encendido así que I_relay sube.
A medida que aumenta Irelay, V_R7 aumenta hasta que Q1E es lo suficientemente alto como para comenzar a desactivar Q1.
El apagado de Q1 apaga Q2 y las "ruedas libres" de corriente de relé a través de D3, R7.
R1, C2 forman un retraso de tiempo en la detección de la caída de V_R7 a medida que I_relay cae, lo que proporciona histéresis.
Se producen otras interacciones, pero son secundarias a los efectos principales anteriores.

"Regulador Switchjing negro" - por Roman Black:

El relativamente conocido "Regulador de conmutación negro" se derivó de este circuito como consecuencia del desafío de diseño.

Enlace de Cicruit roto pero

Discusión

Diseño de PCB no probado aquí : el exceso de entusiasmo puede derivar el circuito de esto con relativa facilidad.

Um.
A continuación se muestra una versión artística ASCII que había guardado en el disco, que probablemente sea una copia de la página web original. El rendimiento no es una eficacia de wrt maravillosa ni una caída de Vout con carga o Vin, pero es barato :-). "Mi" GSR usa un transistor más, por lo que no es tan minimalista en costo de componentes, pero tiene especificaciones mucho mejores en general. Pero esa es otra historia.

Los relevos de paso fueron mencionados por Axeman.

También hay relés de enclavamiento biestables .

Se podría diseñar fácilmente un circuito para almacenar energía y aplicarla a la bobina de desarmado cuando se quitó la energía de la entrada principal, haciendo que la operación sea externamente idéntica a un relé de bobina simple normal.

A continuación, una versión del relé de enclavamiento, algunos tienen una bobina de desenergización separada:

Es posible que desee consultar una idea de diseño de EDN reciente .

Esencialmente terminas con un multiplicador de CC y un solo transistor para encenderlo y apagarlo. El multiplicador le da esa "patada" inicial que necesita, pero luego su voltaje de estado estable es mucho más bajo. No hay nada crítico en el circuito, y puede adaptarse para casi cualquier relé o solenoide.

Los relés aún tienen muchos beneficios sobre los SSR y los criterios de selección serán diferentes al elegir un alto volumen o una alta confiabilidad para las necesidades automotrices. Los tiempos de vida de conmutación son tanto como 10e5 y 10e6, cuando se usan de forma conservadora.

Para aquellos que aún no dominan las opciones de retransmisión, aumentar el conocimiento de las características comunes ayudará a optimizar la adecuación eficiente del rendimiento a las necesidades.

• La fabricación de relés requiere décadas de experiencia, seleccionar una fuente confiable requiere la debida diligencia en la calidad del proveedor.

• Los relés efectivamente tienen potencia y ganancia de corriente al igual que los transistores.

  • Considere los interruptores de transistor de potencia, con un hFE de 100, cuando se opera en modo saturado, es necesario diseñar con una ganancia de corriente de 5 a 10 en el circuito.
  • Los relés no tienen problemas de compensación o ESD con> 1 kV de aislamiento típico y la ganancia de corriente de 50 a 100 es común. Más ganancia está disponible en relés eficientes de voltaje de bobina reducido.

• Los relés tienen descripciones comunes de factor de forma para SPST, SPDT, 2P2T ... 6P2T (ejemplos de conmutadores)

  • El relé puede definirse por el número de polos y contactos o "lanzamientos", pero la descripción estandarizada utiliza factores de forma.
  • Double Throw o DT viene en 3 formas, dependiendo de cuál de las 3 ubicaciones se designe como "poste" y las otras dos como "tiros" designadas como normalmente cerradas o abiertas (NC / NO) y se denominen Formulario A, Formulario B, Forma C.
  • Un ejemplo de DPDT en el Formulario A se llama "2-Form A", a veces abreviado 2FA
  • Estos formularios tienen un número de pin estándar o ubicaciones para DIP-14, automotriz, relés de potencia (uso general) ", relés de señal (por ejemplo, telefonía), relé de RF, relé de láminas,> = relé de 100 A (también conocido como contactor), etc.

Formas de mal uso de relés (leer ... MTBF más bajo)

• Use un contacto de 1 A para 10 mA. Las señales de baja corriente necesitan contactos chapados en oro para evitar la oxidación, lo que hace un contacto perfectamente bueno en un aislante.
• Use un relé de señal de 100 mA con recubrimiento de Au en un diseño de baja potencia, pero tiene mayúsculas grandes que crean enormes sobretensiones para la placa de oro y se queman.
• Use una tapa pequeña pero baja de ESR. a través de los contactos de contactos eléctricos poco utilizados o poco utilizados. El aislamiento de óxido dieléctrico se quema en cada cierre de contrato de la tapa. y sus señales se pueden encender en relés de potencia nominal (leer ... no chapados en oro). Esta fue una gran solución para mí en 1977 cuando diseñé una caja con 96x 15 ~ 30A relés cada uno con contactos adicionales para detectar el estado del relé de forma remota. La corriente TTL no fue suficiente para "humedecer" los contactos de detección, pero la adición de una pequeña tapa de tantalio levantada a V + con una gran R, solucionó un problema de confiabilidad de los contactos de repuesto.
• Use un suministro débil para conducir la bobina. Esto puede hacer que la bobina del relé caiga por debajo del voltaje mínimo necesario y si hay una carga reactiva con un arco significativo y un rebote excesivo del contacto del accionamiento de la bobina débil que causa "vibración de contacto".
• no olvide colocar diodos de sujeción en las bobinas con capacidad para> 2x la tensión de alimentación.
• no coloque bobinas de relé en líneas sensibles de Analog Power V +.
• no utilice relés sin blindaje cerca de circuitos magnéticos sensibles, por ejemplo, radios, etc. sin tener en cuenta la orientación de la perturbación EMC.

• Cuando considere métodos complicados para ahorrar la disipación del voltaje de la bobina, pruebe cientos de confiabilidad y agregue 6sigma para escapes / fallas de producción en cualquier diseño para MTBF y considere todos los factores de estrés como temperatura, vibración, altitud, humedad, etc.

• Un gran uso de los relés es derivar el circuito de "arranque suave" un segundo o más después del encendido para mejorar la eficiencia y evitar sobretensiones. Puede evitar las sobretensiones durante la interrupción momentánea de la energía al usar simplemente PTC para un arranque suave. Esto causa una eficiencia momentáneamente menor pero protege los componentes críticos o las especificaciones de salida. con bajas corrientes de sobretensión de entrada.

Siéntase libre de agregar a mi lista.

Puede reducir a la mitad la corriente del relé con un condensador y una resistencia. el condensador alimenta el relé en el arranque, la resistencia reduce la corriente en espera.