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

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

Conozco los relés biestables, y son los grandes ahorradores, pero aquí discutiré diferentes soluciones, todas para el mismo relé sin enclavamiento, en caso de que no quiera usar un relé con enclavamiento. Eso podría ser por retroalimentación o por razones de manejo más complicadas, por ejemplo. (Una forma de obtener retroalimentación es usar 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 costosos).
De todos modos, se trata de su astable común y de bajo costo. relé. Usaré este relé como referencia.

Resistencia en serie
Una forma económica y sencilla de reducir la potencia y aplicable a la mayoría de los relés. Tenga cuidado con el voltaje de funcionamiento obligatorio en la hoja de datos, a veces llamado "voltaje de arranque". Para la versión estándar de 12 V del relé anterior, son 8,4 V. Eso significa que el relé de 12 V también funcionará si le aplica un mínimo de 8,4 V. El motivo de este amplio margen es que los 12 V de los relés a menudo no están regulados y pueden variar, por ejemplo, con las tolerancias de la tensión de red. Verifique los márgenes en los 12 V antes de hacer esto.
Mantengamos un margen y optemos por 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 quedarán 9 V para el relé. La disipación de energía es de 300 mW en lugar de 400 mW, un ahorro de energía del 25%, con solo una resistencia en serie.

En este y 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 25 % constante, la relación de nuestras resistencias. Si el voltaje aumenta, la potencia aumentará cuadráticamente. Pero si podemos mantener constante el voltaje del relé, independientemente del voltaje de nuestra fuente de alimentación, la potencia 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 se contenta con la mitad.
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 a Real Savings™. Primero tendremos que explicar el funcionamiento de 5 V. Ya vimos que podemos operar el relé a 9 V, ya que el "voltaje necesario para operar" era 8,4 V. Pero 5 V es considerablemente más bajo que eso, por lo que no activará el relé. Sin embargo, parece que el "voltaje de operación obligatoria" solo se necesita 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 en la bobina, y verá que no se activa. Ahora cierra el contacto con la punta de un lápiz y verás que queda cerrado. Estupendo.

Hay un problema: ¿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, lamentablemente, a menudo se omite en las hojas de datos. Entonces tendremos que usar otro parámetro: "debe liberar voltaje". Ese es el voltaje máximo al que se garantizará que el relé se apague. Para nuestro relé de 12 V, eso 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 correr el riesgo de 5 V. No si desea ejecutar una producción de 10k/año del dispositivo sin consultar al fabricante del relé; usted puede tener un montón de devoluciones.

Entonces, 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 capacitor se descarga y, por lo tanto, cortocircuita la resistencia paralela, de modo que los 12 V completos están a través de la bobina y puede activarse. Luego, el capacitor se carga y habrá una caída de voltaje en la resistencia que reduce la corriente.

Esto es como en nuestro primer ejemplo, solo que luego optamos por un voltaje de bobina de 9 V, ahora queremos 5 V. ¡Calculadora! 5 V en 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 capacitor, 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 debe cargarse 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 a lo largo del 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 de la gráfica es

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

Con$V_{COIL}$= 8,4 V,$t$= 10ms y$R$= 209 Ω podemos resolver para$C$y encontramos un mínimo de 66 µF. Tomemos 100 µF.

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

Relé de 12 V a 5 V, repetición
La siguiente solución nos da el mismo ahorro a 12 V, pero con un regulador de tensión mantendremos la tensión a 5 V, aunque aumente la tensión de entrada.

¿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 alcance 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 pase 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 5 V a través de D1.

Entonces, ¿cuál es nuestra ganancia? Tenemos 5 V / 360 Ω = 14 mA a través del relé, y viniendo de 12 V a través de un LM7805 o similar, son 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 del 90 % de eficiencia, 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 de paso.

Consumen energía solo cuando cambian el estado del relé.

Por supuesto, hace que la electrónica sea más compleja porque necesita una forma de saber 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" con los de paso 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 utilizar con un relé sin enclavamiento "normal". Este circuito funcionará con el relé de referencia de Steven, o cualquier otro relé.

• El siguiente circuito utiliza la bobina del relé como inductor en un convertidor reductor para lograr ahorros de energía varias o muchas veces mejores que los que se pueden 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 enganche mecánico o relé paso a paso, PERO se puede implementar con cualquier relé estándar y no modificado.

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

  El recuento de componentes es más alto que para los esquemas basados ​​en reguladores o resistivos simples, pero es modesto cuando el ahorro de energía es vital. El requisito, como 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 reductor basado en IC en su lugar, aún usando la bobina del relé como inductor.

Richard Prosser contribuyó con el brillante circuito a continuación en respuesta a un desafío de diseño de un regulador de conmutación de bajo costo que emití sobre ? Hace 8 años. Si bien el número de componentes es un poco más alto que muchas otras soluciones de ahorro de energía, esta será típicamente más eficiente o mucho más eficiente que las alternativas típicas, y realmente se destaca cuando el voltaje de mantenimiento del relé V_hold_in es mucho menor que el voltaje de suministro. En el ejemplo que se muestra, el voltaje de suministro es de 20 V a 70 V, pero el circuito se puede diseñar para cualquier rango de voltaje sensible.

Como se muestra aquí, el circuito activa un relé a corriente constante. Las características de encendido se pueden cambiar fácilmente para proporcionar inicialmente una corriente de excitación más alta, pero el circuito que se muestra suele ser muy aceptable.

La brillantez clave del circuito es la implementación de un impulso de corriente constante a la bobina del relé utilizando la inductancia del relé como inductor en un regulador reductor. El voltaje aplicado se reduce al voltaje requerido para proporcionar el nivel de excitación requerido. Esto puede pensarse y diseñarse como si accionara la bobina a un voltaje definido oa una corriente definida.

Incluso con voltajes aplicados muy altos donde la eficiencia es más baja (probablemente tan bajo como alrededor del 50 % con un Vin muy alto), los ahorros de energía son sustanciales.
Considere: si el voltaje de retención del relé es de 5 V y el voltaje de suministro es de 30 V, 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 el relé mantenga la corriente a 5 V desde el suministro de 30 V, por lo que la disipación de energía = Iholdin x 30. Cuando se usa un convertidor reductor, potencia = Vrelay x I holdin x 100% / eficiencia%.
Con una eficiencia del 50 %, la ganancia es un factor de 30 V/5 V x 50/100 = 3: en comparación con lo mejor que se puede lograr con un sistema sin conmutación.

• Factor de reducción de potencia = Vsuministro/Vmantenimiento 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 en un voltaje de referencia por Vz1 dividido por R9, R2.
Cuando Irelay = 0, Q1_E = ) entonces Q1 encendido Q2 encendido entonces I_relay aumentando.
A medida que aumenta Irelay, V_R7 aumenta hasta que Q1E es lo suficientemente alto como para comenzar a apagar Q1.
El apagado de Q1 apaga Q2 y la corriente del relé "rueda libre a través de D3, R7.
R1, C2 forman un retraso temporal en la detección de la caída de V_R7 a medida que I_relay cae, lo que proporciona histéresis.
Se producen varias 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 del diseño.

Enlace Cicruit roto pero

Discusión

Diseño de PCB no probado aquí : los excesivamente entusiastas pueden derivar el circuito de esto con relativa facilidad.

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

Los relés de paso fueron mencionados por Axeman.

También existen relés de enclavamiento biestables .

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

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

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

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

Los relés todavía tienen muchos beneficios sobre los SSR y los criterios de selección serán diferentes cuando se elija para 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 relés, aumentar el conocimiento de las características comunes ayudará a optimizar la coincidencia eficiente del rendimiento con las necesidades.

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

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

  • Considere los interruptores de transistores de potencia, con un hFE de 100, cuando se operan en modo saturado, es necesario diseñarlos con una ganancia de corriente de 5 a 10 en el circuito.
  • Los relés no tienen problemas de compensación o ESD con un aislamiento típico de >1 kV y una 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 de factor de forma comunes para SPST, SPDT, 2P2T ... 6P2T (ejemplos de interruptores)

  • 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 designa como "polo" y las otras dos como "lanzamientos" designados como normalmente cerrados o abiertos (NC/NO) y se denominan Forma A, Forma B, Formulario C.
  • Un ejemplo de un DPDT en el Formulario A se llama "2-Form A", a veces abreviado 2FA
  • Estos formularios tienen números de clavija estándar o ubicaciones para DIP-14, automoción, relés de potencia (propósito general)", relés de señal (por ejemplo, telefonía), relé RF, relé Reed, relé >=100A (también conocido como contactor), etc.

Formas de mal uso de los relés (léase... menor MTBF)

• Utilice un contacto nominal 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 revestimiento de Au en un diseño de baja potencia pero con grandes tapas que crean grandes sobretensiones para la placa de oro flash y queman.
• Utilice un límite de ESR pequeño pero bajo. a través de los contactos de los contactos de alimentación de uso poco frecuente o de uso ligero. El aislamiento de óxido dieléctrico se quema cada vez que se cierra por contrato la tapa. y sus señales se pueden encender en relés de potencia nominal (léase... no chapados en oro). Esta fue una gran solución para mí en 1977 cuando diseñé una caja con 96 relés de 15 ~ 30 A, cada uno con contactos adicionales para detectar el estado del relé de forma remota. La corriente TTL no fue suficiente para "mojar" los contactos de detección, pero la adición de una pequeña tapa de tantalio elevada a V+ con una R grande solucionó un problema de confiabilidad de los contactos de repuesto.
• Use un suministro débil para impulsar 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 de contacto excesivo debido a un impulso de bobina débil que causa "vibración de contacto".
• no olvide colocar diodos de sujeción en las bobinas clasificadas para >2x el voltaje de suministro.
• 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 de voltaje de la bobina, pruebe la confiabilidad de cien 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 un 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 provoca una menor eficiencia momentánea, pero protege los componentes críticos o las especificaciones de salida. con sobrecorrientes de entrada bajas.

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.