Quais são algumas maneiras de usar os relés com mais eficiência?

Parece que costumamos usar microcontroladores para controlar relés, e um microcontrolador de 5 V é frequentemente usado com relés de 12 V. Um relé pode precisar de várias vezes mais energia que o microcontrolador. Não é um problema se você pode usar um SSR, que pode ser usado em alguns mA, mas há situações em que você precisa de um relé eletromecânico. Quando, é outra discussão. Aqui vou me concentrar no eletromecânico. Então, quais são algumas maneiras de usar esses relés com mais eficiência?

Isso está se tornando uma resposta bastante longa, mas eu adicionei muitas fotos bonitas, o que deve impedir você de adormecer ;-)

Estou ciente dos relés biestáveis, e eles são os grandes poupadores, mas aqui discutirei soluções diferentes para o mesmo relé sem travamento, caso você não queira usar um relé com travamento. Isso pode ser por feedback ou por motivos de unidade mais complicados, por exemplo. (Uma maneira de obter feedback é usando um contato de um relé de pólo duplo, mas então você reduzi-la a um único relé de pólo. Existem três pólos relés, mas são caros.)
Enfim, esta é sobre o seu comum, astable baixo custo retransmissão. Vou usar este relé como referência.

Resistor em série
Uma maneira simples e barata de reduzir a potência e aplicável à maioria dos relés. Observe a tensão de operação obrigatória na folha de dados, às vezes chamada de "tensão de tração". Para a versão padrão de 12 V do relé acima, é de 8,4 V. Isso significa que o relé de 12 V também funcionará se você aplicar no mínimo 8,4 V. A razão para essa ampla margem é que os 12 V para relés geralmente não são regulados e podem variar, por exemplo, com tolerâncias de tensão da rede elétrica. Verifique as margens dos 12 V antes de fazer isso.
Vamos manter uma margem e ir para 9 V. O relé tem uma resistência de bobina de 360 ​​Ω, então um resistor de 120 Ω causará uma queda de 3 V e 9 V restantes para o relé. A dissipação de energia é de 300 mW em vez de 400 mW, uma economia de energia de 25%, com apenas um resistor em série.

Neste e nos outros gráficos, o poder da solução comum é mostrado em azul, normalizado para entrada de 12 V, e nossa solução aprimorada em roxo. O eixo x mostra a tensão de entrada.

Regulador LDO
Com o resistor em série, a economia de energia é constante em 25%, a proporção de nossos resistores. Se a tensão aumentar, a potência aumentará quadraticamente. Mas se pudermos manter a tensão do relé constante, independente da tensão da fonte de alimentação, a energia só aumentará linearmente com o aumento da tensão de entrada. Podemos fazer isso usando um LDO de 9 V para alimentar o relé. Observe que, comparado ao resistor em série, isso economiza mais energia em tensões de entrada mais altas, mas menos se a tensão de entrada cair abaixo de 12 V.
Economia de energia: 25%.

Relé sensível
Esta é a maneira mais simples de reduzir drasticamente a potência: use a versão sensível do relé. Nosso relé está disponível em uma versão padrão que precisa de 400 mW e uma versão sensível que fica satisfeita com metade disso.
Então, por que nem sempre usar relés sensíveis? Primeiro, nem todos os relés são do tipo sensível e, quando o fazem, costumam ter restrições, como nenhum contato de comutação (CO) ou uma corrente de comutação limitada. Eles são mais caros também. Mas se você puder encontrar um que se adapte ao seu aplicativo, eu certamente o consideraria.
Economia de energia: 50%.

Relé de 12 V a 5 V
Aqui chegamos ao Real Savings ™. Primeiro, teremos que explicar a operação de 5 V. Já vimos que podemos operar o relé a 9 V, uma vez que a tensão "deve operar" foi de 8,4 V. Mas 5 V é consideravelmente menor que isso, portanto, não ativará o relé. Parece, no entanto, que a "tensão de operação obrigatória" é necessária apenas para ativar o relé; uma vez ativado, ele permanece ativo mesmo em tensões muito mais baixas. Você pode facilmente tentar isso. Abra o relé e coloque 5 V na bobina e você verá que ele não é ativado. Agora feche o contato com a ponta de um lápis e você verá que ele permanece fechado. Ótimo.

Há um problema: como sabemos que isso funcionará para o nosso revezamento? Não menciona os 5 V em qualquer lugar. O que precisamos é da "tensão de retenção" do relé, que fornece a tensão mínima para permanecer ativada e, infelizmente, é frequentemente omitida nas planilhas de dados. Portanto, teremos que usar outro parâmetro: "deve liberar a tensão". Essa é a tensão máxima na qual o relé garantirá o desligamento. Para o nosso relé de 12 V, é 0,6 V, o que é realmente baixo. A "tensão de retenção" geralmente é apenas um pouco mais alta, como 1,5 V ou 2 V. Em muitos casos, os 5 V valem o risco. Não, se você deseja executar uma produção de 10k / ano do dispositivo sem consultar o fabricante do relé; você pode ter muitos retornos.

Portanto, precisamos apenas da alta tensão por um período muito curto e, em seguida, podemos nos contentar com os 5 V. Isso pode ser facilmente alcançado com um circuito RC paralelo em série com o relé. Quando o relé é ligado, o capacitor é descarregado e, portanto, provoca um curto-circuito no resistor paralelo, de modo que os 12 V cheios atravessam a bobina e podem ser ativados. O capacitor então é carregado e haverá uma queda de tensão no resistor que reduz a corrente.

É como no nosso primeiro exemplo, só então fomos para uma tensão de bobina de 9 V, agora queremos 5 V. Calculadora! 5 V nos 360 Ω da bobina é 13,9 mA, então o resistor deve ser (12 V - 5 V) / 13,9 mA = 500 Ω. Antes de encontrarmos o valor do capacitor, precisamos consultar a folha de dados mais uma vez: o tempo máximo de operação é de 10 ms no máximo. Isso significa que o capacitor deve carregar lento o suficiente para ainda ter 8,4 V na bobina após 10 ms. É assim que deve ser a tensão da bobina ao longo do tempo:

O valor R para a constante de tempo RC é o paralelo de 500 to aos 360's da bobina, devido a Thévenin. Isso é 209 Ω. A equação do gráfico é

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

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

Portanto, no estado estacionário, temos uma resistência de 860 instead em vez de 360 ​​Ω. Estamos economizando 58% .

Relé de 12 V a 5 V, reprise
A solução a seguir oferece as mesmas economias em 12 V, mas com um regulador de tensão manteremos a tensão em 5 V, mesmo que a tensão de entrada aumente.

O que acontece quando fechamos a chave? C1 é carregado rapidamente para 4,3 V via D1 e R1. Ao mesmo tempo, o C2 é carregado através do R2. Quando o limite do comutador analógico é atingido, o comutador no IC1 alterna e o pólo negativo de C1 será conectado a +5 V, de modo que o polo positivo chegue a 9,3 V. Isso é suficiente para o relé ativar, e depois que C1 for descarregado, o o relé é alimentado pelos 5 V a D1.

Então, qual é o nosso ganho? Temos 5 V / 360 Ω = 14 mA através do relé e provenientes de 12 V através de um LM7805 ou similar com 167 mW em vez de 400 mW.
Economia de energia: 58%.

Relé de 12 V a 5 V, repetição 2
Podemos fazer ainda melhor usando um SMPS para obter nossos 5 V de nossa fonte de alimentação de 12 V. Usaremos o mesmo circuito com o comutador analógico, mas economizaremos muito mais. Em um SMPS 90% eficiente, temos uma economia de energia de 80% (!) .

(gráficos feitos com o Mathematica)

stevenvh deu uma resposta maravilhosa, mas há uma solução não listada que eu uso sempre que posso: relés de passos.

Eles consomem energia somente ao alterar o estado do relé.

Obviamente, isso torna a eletrônica mais complexa, porque você precisa conhecer o estado do relé quando o microcontrolador é iniciado, mas, em muitos casos, economiza muita energia. No meu sistema de automação residencial, a substituição de 24 relés "padrão" pelos relés de etapa economizou quase 98% da energia consumida pela placa do microcontrolador.

Então, quais são algumas maneiras de usar esses relés com mais eficiência?

A seguir, é descrito o sistema mais eficiente em princípio que pode ser usado com um relé sem trava "normal". Este circuito funcionará com o relé de referência de Steven - ou qualquer outro relé.

• O circuito abaixo usa a bobina do relé como um indutor em um conversor buck para obter economia de energia muitas vezes melhor do que a obtida pelos melhores esquemas de regulação linear possíveis. Ele não pode competir por um longo período com a eficiência de corrente zero de soluções mecânicas de relé de travamento ou de passo a passo, MAS pode ser implementada com qualquer relé padrão e não modificado.

  Se a eficiência da conversão for a única métrica, esse esquema será superior a qualquer coisa que possa ser alcançada para tensão de retenção inferior a cerca de 50% da fonte e será superior na maioria dos casos.

  A contagem de componentes é superior à dos esquemas resistivos ou reguladores simples, mas é modesta quando a economia de energia é vital. O requisito, como mostrado abaixo, é para 2 transistores "jujubas", 8 resistores, 2 diodos, um diodo zener e 2 capacitores. Isso pode ser reduzido um pouco com cuidado.

  Se desejado, um sistema regulador de buck baseado em IC pode ser usado, ainda usando a bobina do relé como indutor.

O circuito totalmente brilhante abaixo foi contribuído por Richard Prosser em resposta a um desafio de design de regulador de comutação de baixo custo sobre o qual eu lancei? 8 anos atrás. Embora a contagem de componentes seja um pouco maior do que muitas outras soluções de economia de energia, essa será tipicamente mais eficiente do que outras alternativas típicas, e realmente se destaca quando o relé que mantém a tensão V_hold_in é muito menor que a tensão de alimentação. No exemplo mostrado, a tensão de alimentação é de 20V a 70V, mas o circuito pode ser projetado para qualquer faixa de tensão sensível.

Como mostrado aqui, o circuito aciona um relé em corrente constante. As características de inicialização podem ser facilmente alteradas para fornecer inicialmente uma corrente de inversão mais alta, mas o circuito conforme mostrado geralmente será muito aceitável.

O brilho principal do circuito é a implementação de um inversor de corrente constante na bobina do relé, usando a própria indutância do relé como indutor em um regulador de buck. A voltagem aplicada é reduzida para a voltagem necessária para fornecer o nível de acionamento necessário. Isso pode ser feito e projetado para acionar a bobina em tensão ou corrente definida.

Mesmo em tensões aplicadas muito altas, onde a eficiência é mais baixa (provavelmente tão baixa quanto cerca de 50% em Vin muito alto), a economia de energia é substancial.
Considere - se a tensão de retenção do relé for 5V e a tensão de alimentação for 30V, digamos. Um resistor em série ou um regulador linear não pode alcançar uma eficiência melhor que Vrelay / Vsupply = 5/30 ~ = 16%. MAS isso exige que a corrente de retransmissão de 5V seja fornecida a partir da fonte de 30V, de modo que a dissipação de potência = Iholdin x 30. Quando um conversor buck é usado, potência = Vrelay x I retendo x 100% / eficiência%.
Com eficiência de 50%, o ganho é um fator de 30V / 5V x 50/100 = 3: comparado com o melhor que pode ser alcançado com um sistema sem comutação.

• Fator de redução de potência = Vsupply / Vholdin x eficiência% / 100%

Novamente, esse é o ganho em relação ao melhor sistema linear que pode ser alcançado.

Descrição operacional simplificada - mais detalhes disponíveis, se necessário:

Ligue para o zener Z1. Tensão Zener Vz1.

A base Q1 é mantida em uma tensão de referência por Vz1, dividida por R9, R2.
Quando Irelay = 0, Q1_E =) então Q1, então Q2, então I_relay subindo.
À medida que Irelay sobe, V_R7 sobe até Q1E ser alto o suficiente para começar a desativar o Q1.
O desligamento de Q1 desativa Q2 e roda livre de corrente de relé "via D3, R7.
R1, C2 forma um atraso de tempo na detecção da queda de V_R7 enquanto o I_relay cai, proporcionando histerese.
Várias outras interações ocorrem, mas são secundárias aos principais efeitos acima.

"Regulador de comutação preto" - de Roman Black:

O relativamente conhecido "regulador de comutação preto" foi derivado deste circuito como uma conseqüência do desafio do projeto.

Cicruit link quebrado, mas

Discussão

Layout de PCB não testado aqui - os excessivamente interessados ​​podem derivar o circuito disso com relativa facilidade.

Hum.
Abaixo está uma versão artística ASCII que eu salvei no disco, que provavelmente é uma cópia da página da web original. O desempenho não é uma eficiência maravilhosa ou a queda de Vout com carga ou Vin, mas é barato :-). O "My" GSR usa mais um transistor, portanto não é tão minimalista no custo de componentes, mas possui especificações muito melhores em geral. Mas isso é outra história.

Os relés de passo foram mencionados por Axeman.

Também existem relés de travamento biestáveis .

Um circuito poderia ser facilmente concebido para armazenar energia e aplicá-lo à bobina de retardo quando a energia foi removida da entrada principal, tornando a operação externamente idêntica a um relé de bobina simples normal.

Abaixo - uma versão do relé de travamento - alguns têm uma bobina de desenergização separada:

Você pode querer conferir uma recente idéia de design do EDN .

Essencialmente, você acaba com um multiplicador DC e um único transistor para ligá-lo e desligá-lo. O multiplicador fornece o "chute" inicial necessário, mas a tensão no estado estacionário é muito menor. Não há nada crítico no circuito, e pode ser adaptado para quase qualquer relé ou solenóide.

Os relés ainda têm muitos benefícios sobre os SSRs e os critérios de seleção serão diferentes ao escolher alto volume ou alta confiabilidade para as necessidades automotivas. O tempo de vida da troca é de 10e5 e 10e6, quando usado de forma conservadora.

Para aqueles que ainda não são proficientes nas opções de revezamento, o aumento da conscientização sobre os recursos comuns ajudará a otimizar a correspondência eficiente do desempenho às necessidades.

• Os relés de fabricação levam décadas de experiência; a seleção de uma fonte confiável requer a devida diligência na qualidade do fornecedor.

• Os relés efetivamente têm ganho de potência e corrente, assim como os transistores.

  • Considere as chaves do transistor de potência, com um hFE de 100, quando operadas no modo saturado, é necessário projetar com um ganho de corrente de 5 a 10 no circuito.
  • Os relés não apresentam problemas de desvio ou de descarga eletrostática com isolamento típico de> 1 kV e o ganho de corrente de 50 a 100 é comum. Mais ganho é obtido com relés eficientes de tensão de bobina reduzida.

• Os relés têm descrições comuns de fator de forma para SPST, SPDT, 2P2T ... 6P2T (exemplos de comutadores)

  • O relé pode ser definido pelo número de polos e contatos ou "arremessos", mas a descrição padronizada usa fatores de forma.
  • Double Throw ou DT são apresentados em três formas, dependendo de qual dos três locais é designado como "poste" e os outros dois como "arremessos" designados como Normalmente Fechado ou Aberto (NC / NO) e são chamados de Forma A, Forma B, Formulário C.
  • Um exemplo de DPDT no formulário A é chamado "2-Form A", às vezes abreviado 2FA
  • Esses formulários possuem pinos ou locais padrão para DIP-14, automotivo, relés de potência (uso geral) ", relés de sinal (por exemplo, telefonia), relés RF, relé Reed,> = relé 100A (também conhecido como contator) etc.

Maneiras de usar mal os Relés (leia-se .. menor MTBF)

• Use um contato classificado com 1 A para 10mA. Sinais de baixa corrente precisam de contatos banhados a ouro para evitar a oxidação, o que faz um contato perfeitamente bom em um isolador.
• Use um relé de sinal de 100mA com revestimento Au em um design de baixa potência, mas possui grandes Caps que criam grandes oscilações para placas de ouro flash e queimaduras.
• Use uma tampa ESR pequena, mas baixa. através dos contatos de contatos de potência pouco usados ​​ou pouco usados. O isolamento de óxido dielétrico é queimado a cada fechamento de contrato da tampa. e seus sinais podem ser ligados em relés de potência (leia-se ... não banhados a ouro). Essa foi uma ótima solução para mim em 1977, quando projetei uma caixa com relés 96x 15 ~ 30A, cada um com contatos extras para detectar remotamente o estado do relé. A corrente TTL não foi suficiente para "molhar" os contatos sensoriais, mas a adição de uma pequena tampa de tântalo puxada para V + com um R grande, corrigiu um problema de confiabilidade dos contatos sobressalentes.
• Use um suprimento fraco para acionar a bobina. Isso pode fazer com que a bobina do relé caia abaixo da tensão mínima necessária e se houver uma carga reativa com arco significativo e ressalto excessivo de contato do inversor de bobina fraco, causando "vibração de contato"
• não se esqueça de colocar diodos de fixação nas bobinas classificadas para> 2x a tensão de alimentação.
• não coloque bobinas de relé em linhas sensíveis de potência analógica V +.
• não use relés não blindados perto de circuitos magnéticos sensíveis, por exemplo, rádios etc. sem perceber a orientação de distúrbios EMC.

• Quando você considera métodos complicados para economizar a dissipação da tensão da bobina, teste cem quanto à confiabilidade e adicione 6sigma para falhas / falhas de produção em qualquer projeto para MTBF e considere todos os fatores de estresse, como temperatura, vibração, altitude, umidade etc.

• um ótimo uso dos relés é desviar o circuito de "partida suave" um segundo ou mais após a inicialização, para melhorar a eficiência e evitar picos de tensão. Ele pode impedir os surtos durante a interrupção momentânea de energia usando simplesmente PTCs para partida suave. Isso causa uma menor eficiência momentânea, mas protege componentes críticos ou especificações de saída. com baixas correntes de pico de entrada.

Sinta-se livre para adicionar à minha lista.

você pode reduzir pela metade a corrente do relé com um capacitor e um resistor. o capacitor alimenta o relé na partida, o resistor reduz a corrente em espera.