Quels sont les moyens d'utiliser les relais plus efficacement?

Nous semblons souvent utiliser des microcontrôleurs pour contrôler les relais, et un microcontrôleur 5 V est souvent utilisé avec des relais 12 V. Un relais peut nécessiter plusieurs fois plus de puissance que le microcontrôleur. Ce n’est pas un problème si vous pouvez utiliser un relais statique, que vous pouvez conduire à quelques mA, mais il existe des situations dans lesquelles vous avez besoin d’un relais électromécanique. Quand, est une autre discussion. Ici, je vais me concentrer sur l'électromécanique. Alors, quels sont les moyens d'utiliser ces relais plus efficacement?

Cela devient une réponse assez longue, mais j'ai ajouté beaucoup de jolies images, ce qui devrait vous empêcher de vous endormir ;-)

Je suis au courant des relais bistables, et ce sont de gros épargnants, mais ici, je discuterai de différentes solutions pour le même relais sans verrouillage, au cas où vous ne voudriez pas utiliser un relais à verrouillage. Cela pourrait être par exemple pour des commentaires ou pour des raisons de conduite plus compliquées. (Une façon d'obtenir des commentaires est en utilisant un contact d'un relais à deux pôles, mais alors vous réduire à un seul relais pôle. Relais Trois pôles existent, mais sont chers.)
Quoi qu'il en soit, cela est de votre commune, astable low-cost relais. Je vais utiliser ce relais pour référence.

Résistance série
Un moyen simple et peu coûteux de réduire la puissance, applicable à la plupart des relais. Recherchez dans la fiche technique la tension de fonctionnement , parfois appelée "tension d’arrivée". Pour la version standard 12 V du relais ci-dessus, 8,4 V. Cela signifie que le relais 12 V fonctionnera également si vous lui appliquez au moins 8,4 V. La raison de cette large marge est que la tension de 12 V des relais n’est souvent pas régulée et peut varier, par exemple en fonction des tolérances de la tension du secteur. Vérifiez les marges sur le 12 V avant de le faire.
Gardons quelques marges et passons à 9 V. Le relais a une résistance de bobine de 360 ​​Ω, puis une résistance série de 120 Ω provoquera une chute de 3 V et de 9 V restants pour le relais. La dissipation de puissance est de 300 mW au lieu de 400 mW, soit une économie d’énergie de 25%, avec seulement une résistance en série.

Dans ce graphique et dans les autres, l’alimentation de la solution commune est représentée en bleu, normalisée pour une entrée 12 V et notre solution améliorée en violet. L'axe des x montre la tension d'entrée.

Régulateur LDO
Avec la résistance série, les économies d'énergie sont constantes (25%), soit le rapport de nos résistances. Si la tension augmente, la puissance augmentera de façon quadratique. Mais si nous pouvons maintenir la tension du relais constante, indépendamment de notre tension d'alimentation, la puissance augmentera uniquement de manière linéaire avec la tension d'entrée. Nous pouvons le faire en utilisant un LDO 9 V pour alimenter le relais. Notez que par rapport à la résistance en série, cela permet d’économiser plus de puissance avec des tensions d’entrée plus élevées, mais moins si la tension d’entrée tombe en dessous de 12 V.
Economie d’énergie: 25%.

Relais sensible
C'est le moyen le plus simple de réduire considérablement la consommation d'énergie: utilisez la version sensible du relais. Notre relais est disponible dans une version standard qui nécessite 400 mW et une version sensible qui satisfait la moitié de celle-ci.
Alors pourquoi ne pas toujours utiliser des relais sensibles? Tout d'abord, tous les relais ne sont pas de types sensibles, et lorsqu'ils le font, ils sont souvent soumis à des restrictions, telles que l'absence de contacts de commutation (CO) ou un courant de commutation limité. Ils sont aussi plus chers. Mais si vous pouviez en trouver un qui corresponde à votre demande, je le prendrais certainement en considération.
Économie d'énergie: 50%.

Relais 12 V à 5 V
Nous arrivons ici aux économies réelles ™. Nous devrons d’abord expliquer le fonctionnement du 5 V. Nous avons déjà vu que nous pouvons faire fonctionner le relais à 9 V, car la "tension de fonctionnement impérative" était de 8,4 V. Mais 5 V est considérablement plus bas que cela, de sorte que le relais ne sera pas activé. Il semble toutefois que la "tension de fonctionnement" doit uniquement être activée pour activer le relais; une fois activé, il restera actif même à des tensions beaucoup plus basses. Vous pouvez facilement essayer cela. Ouvrez le relais et placez 5 V sur la bobine, et vous verrez qu'il ne s'active pas. Fermez maintenant le contact avec la pointe d'un crayon et vous verrez qu'il reste fermé. Génial.

Il y a un problème: comment savons-nous que cela fonctionnera pour notre relais? Il ne mentionne le 5 V nulle part. Ce dont nous avons besoin, c’est de la "tension de maintien" du relais, qui donne la tension minimale pour rester activé, ce qui est malheureusement omis dans les fiches techniques. Nous devrons donc utiliser un autre paramètre: "doit libérer la tension". C’est la tension maximale à laquelle le relais sera garanti. Pour notre relais 12 V, c’est 0,6 V, ce qui est très bas. La "tension de maintien" n’est généralement qu’un peu plus élevée, comme 1,5 V ou 2 V. Dans de nombreux cas, la valeur de 5 V vaut le risque. Pas si vous voulez exécuter une production de 10k / an de l'appareil sans consulter le fabricant du relais; vous pouvez avoir beaucoup de retours.

Nous n’avons donc besoin de la haute tension que très peu de temps, puis nous pouvons nous contenter de la tension 5 V. C’est facile à réaliser avec un circuit RC parallèle monté en série avec le relais. Lorsque le relais est activé, le condensateur est déchargé et court-circuite donc la résistance parallèle, de sorte que les 12 V complets traversent la bobine et puissent être activés. Le condensateur se charge alors et il y aura une chute de tension à travers la résistance qui réduira le courant.

C'est comme dans notre premier exemple, alors seulement nous avons opté pour une tension de bobine de 9 V, maintenant nous voulons 5 V. Calculatrice! 5 V sur les 360 Ω de la bobine correspond à 13,9 mA, la résistance doit alors être de (12 V à 5 V) / 13,9 mA = 500 Ω. Avant de pouvoir trouver la valeur du condensateur, nous devons consulter à nouveau la fiche technique: le temps de fonctionnement maximal est de 10 ms maximum. Cela signifie que le condensateur devrait charger assez lentement pour avoir encore 8,4 V à travers la bobine après 10 ms. Voici à quoi devrait ressembler la tension de la bobine dans le temps:

La valeur R pour la constante de temps RC est le 500 Ω parallèle aux 360 Ω de la bobine, en raison de Thévenin. C'est 209 Ω. L'équation du graphique est

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

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

Donc, en régime permanent, nous avons une résistance de 860 Ω au lieu de 360 ​​Ω. Nous économisons 58% .

Relais 12 V à 5 V, reprise
La solution suivante nous offre les mêmes économies à 12 V, mais avec un régulateur de tension, nous maintenons la tension à 5 V, même si la tension d'entrée devait augmenter.

Que se passe-t-il quand on ferme l'interrupteur? C1 est rapidement chargé à 4,3 V via D1 et R1. Simultanément, C2 est chargé via R2. Lorsque le seuil du commutateur analogique est atteint, le commutateur dans IC1 bascule et le pôle négatif de C1 est connecté à +5 V, de sorte que le pôle positif passe à 9,3 V. Cela suffit pour que le relais s'active, et après que C1 soit déchargé, le le relais est alimenté par le 5 V à travers D1.

Alors quel est notre gain? Nous avons 5 V / 360 Ω = 14 mA à travers le relais, et venant d'un 12 V via un LM7805 ou similaire, 167 mW au lieu de 400 mW.
Economie d'énergie: 58%.

Relais 12 V à 5 V, reprise 2
Nous pouvons faire encore mieux en utilisant un SMPS pour obtenir notre 5 V de notre alimentation 12 V. Nous utiliserons le même circuit avec le commutateur analogique, mais nous économiserons beaucoup plus. Avec un SMPS efficace à 90%, nous économisons 80% (!) .

(graphiques réalisés avec Mathematica)

stevenvh a donné une réponse merveilleuse, mais il existe une solution non répertoriée que j'utilise à chaque fois que je peux: des relais à relais.

Ils consomment de l'énergie uniquement lors du changement d'état du relais.

Bien sûr, cela rend l’électronique plus complexe, car il vous faut un moyen de connaître l’état du relais au démarrage du microcontrôleur, mais dans de nombreux cas, cela permet d’économiser beaucoup d’énergie. Dans mon système domotique, le remplacement de 24 relais "standard" par des relais pas à pas a permis d'économiser près de 98% de l'énergie consommée par la carte à microcontrôleur.

Alors, quels sont les moyens d'utiliser ces relais plus efficacement?

Ce qui suit décrit en principe le système le plus efficace pouvant être utilisé avec un relais "normal" sans verrouillage. Ce circuit fonctionnera avec le relais de référence de Steven - ou tout autre relais.

• Le circuit ci-dessous utilise la bobine de relais comme inductance dans un convertisseur abaisseur de tension pour réaliser des économies d'énergie plusieurs fois supérieures à celles pouvant être réalisées avec les meilleurs schémas de régulation linéaires possibles. Il ne peut pas concurrencer sur une longue période l’efficacité à courant nul des solutions à relais à verrouillage mécanique ou à relais pas à pas, MAIS peut être mis en œuvre avec n’importe quel relais standard et non modifié.

  Si l'efficacité de la conversion est la seule mesure, alors ce schéma est supérieur à tout ce qui peut être obtenu pour une tension de maintien inférieure à environ 50% de l'alimentation, et sera supérieur dans la plupart des cas.

  Le nombre de composants est plus élevé que pour les systèmes simples à base de résistifs ou de régulateurs, mais il est modeste lorsque l’économie d’énergie est vitale. L'exigence indiquée ci-dessous concerne 2 transistors "jellybean", 8 résistances, 2 diodes, une diode Zener et 2 condensateurs. Cela pourrait être réduit légèrement avec soin.

  Si vous le souhaitez, un système de régulateur buck basé sur un circuit intégré pourrait être utilisé à la place, en utilisant toujours la bobine de relais comme inducteur.

Richard Prosser a contribué au circuit tout à fait brillant présenté ci-dessous en réponse au défi de conception de régulateur de commutation à faible coût que j'ai publié? il y a 8 ans. Alors que le nombre de composants est un peu plus élevé que de nombreuses autres solutions d'économie d'énergie, celle-ci sera généralement plus efficace, voire beaucoup plus efficace, que les alternatives classiques, et se démarque réellement lorsque la tension de maintien du relais V_hold_in est bien inférieure à la tension d'alimentation. Dans l'exemple présenté, la tension d'alimentation est comprise entre 20V et 70V mais le circuit peut être conçu pour n'importe quelle plage de tension sensible.

Comme indiqué ici, le circuit commande un relais à courant constant. Les caractéristiques de mise sous tension pourraient facilement être modifiées pour fournir initialement un courant de commande plus élevé, mais le circuit présenté sera généralement très acceptable.

La clé de la brillance du circuit réside dans la mise en œuvre d’un entraînement à courant constant vers la bobine de relais w utilisant l’inductance du relais elle-même comme inductance dans un régulateur abaisseur. La tension appliquée est abaissée à la tension requise pour fournir le niveau de pilotage requis. Cela peut être conçu pour piloter la bobine à une tension ou à un courant définis.

Même à des tensions appliquées très élevées où le rendement est inférieur (probablement aussi bas que 50% environ à une valeur très élevée), les économies d'énergie sont substantielles.
Considérez - si la tension de maintien du relais est de 5V et la tension d’alimentation de 30V, par exemple. Une résistance en série ou un régulateur linéaire ne peut pas atteindre un rendement supérieur à Vrelay / Vsupply = 5/30 ~ = 16%. MAIS il faut que le courant de maintien du relais à 5V soit alimenté par l’alimentation 30V, de sorte que la dissipation de puissance = Iholdin x 30. Lorsqu’un convertisseur Buck est utilisé, puissance = Vrelay x I xin x 100% / rendement%.
À 50% d'efficacité, le gain est un facteur de 30V / 5V x 50/100 = 3: comparé au meilleur résultat que l'on puisse éventuellement obtenir avec un système sans commutation.

• Facteur de réduction de puissance = Vsupply / Vholdin x efficacité% / 100%

Là encore, il s’agit du gain par rapport au meilleur système linéaire possible.

Description de fonctionnement simplifiée - plus de détails disponibles si nécessaire:

Appelez Zener Z1. Tension Zener Vz1.

La base Q1 est maintenue à une tension de référence par Vz1 divise par R9, R2.
Quand Irelay = 0, Q1_E =), donc Q1 sur, donc Q2 sur, donc I_relay augmente.
À mesure que Irelay augmente, V_R7 augmente jusqu'à ce que Q1E soit suffisamment haut pour commencer à désactiver Q1.
Q1 éteindre désactive Q2 et relaie les
roues libres de courant via D3, R7. R1, C2 retardent parfois la détection de la chute de V_R7 lorsque I_relay tombe, fournissant ainsi une hystérésis.
Diverses autres interactions se produisent mais elles sont secondaires aux effets principaux décrits ci-dessus.

"Régulateur de commutation noir" - de Roman Black:

Le "Black Switching Regulator", relativement bien connu, a été dérivé de ce circuit en raison du défi de conception.

Lien Cicruit cassé mais

Discussion

Un circuit imprimé non testé ici - les utilisateurs extrêmement désireux peuvent en tirer le circuit avec une relative facilité.

Hum
Vous trouverez ci-dessous une version d’art ASCII que j’avais sauvegardée sur disque, qui est probablement une copie de la page Web originale. La performance n’est pas merveilleuse en ce qui concerne l’efficacité ou la chute de Vout avec charge ou Vin, mais c’est bon marché :-). "Mon" GSR utilise un transistor supplémentaire, donc son coût en composants n'est pas aussi minimaliste, mais ses spécifications sont généralement bien meilleures. Mais, c'est une autre histoire.

Les relais à étapes ont été mentionnés par Axeman.

Il existe également des relais à verrouillage bistable .

Un circuit pourrait assez facilement être conçu pour stocker de l'énergie et l'appliquer à la bobine de verrouillage lorsque l'alimentation a été retirée de l'entrée principale, rendant ainsi le fonctionnement extérieurement identique à un relais à une seule bobine normal.

Ci-dessous - une version du relais à verrouillage - certains ont une bobine de désexcitation séparée:

Vous voudrez peut-être consulter une idée de conception EDN récente .

Vous vous retrouvez essentiellement avec un multiplicateur de courant continu et un seul transistor pour l'activer et le désactiver. Le multiplicateur donne le "coup de pied" initial dont vous avez besoin, mais sa tension à l'état d'équilibre est beaucoup plus basse. Il n’ya rien de critique dans le circuit et il peut être adapté à presque tous les relais et solénoïdes.

Les relais présentent encore de nombreux avantages par rapport aux SSR et les critères de sélection seront différents lors du choix d'un volume élevé ou d'une fiabilité élevée pour les besoins de l'automobile. La durée de vie des commutateurs est jusqu’à 10e5 et 10e6, lorsqu’elle est utilisée avec prudence.

Pour ceux qui ne maîtrisent pas encore les choix de relais, une prise de conscience accrue des fonctionnalités communes aidera à optimiser l'adéquation efficace des performances aux besoins.

• La fabrication de relais nécessite des décennies d'expérience, le choix d'une source fiable nécessite une diligence raisonnable quant à la qualité des fournisseurs.

• Les relais ont effectivement un gain de puissance et de courant, tout comme les transistors.

  • Considérons les commutateurs à transistors de puissance, avec un hFE de 100, lorsqu'ils fonctionnent en mode saturé, il faut concevoir avec un gain de courant de 5 à 10 dans le circuit.
  • Les relais ne présentent aucun problème de compensation ou de décharge électrostatique avec une isolation> 1 kV et un gain de courant de 50 à 100 est commun. Plus de gain est disponible sur les relais efficaces à tension de bobine réduite.

• Les relais ont des descriptions de facteur de forme communes pour SPST, SPDT, 2P2T ... 6P2T (exemples de commutateurs)

  • Le relais peut être défini par le nombre de pôles et de contacts ou "jets", mais la description normalisée utilise des facteurs de forme.
  • Double lancer ou DT se présente sous 3 formes, selon l’emplacement désigné comme "pôle" et les deux autres comme "jets" désignés comme étant normalement fermés ou ouverts (NC / NO) et s’appelant Formulaire A, Formulaire B, Formulaire C.
  • Un exemple de DPDT sous la forme A est appelé "2-Form A" parfois abrégé en 2FA
  • Ces formulaires ont des numéros de broches ou des emplacements standard pour DIP-14, Automobile, Relais de puissance (usage général) ", relais de signaux (par exemple, téléphonie), Relais RF, Relais Reed, Relais> 100A (contacteur), etc.

Façons de mal utiliser les relais (lire .. MTBF inférieur)

• Utilisez un contact nominal de 1 A pour 10 mA. Les signaux à faible courant ont besoin de contacts plaqués or flash pour empêcher l'oxydation, ce qui permet un contact parfait avec un isolant.
• Utilisez un relais de signal 100 mA avec plaquage Au sur une conception à faible puissance, mais avec de gros capuchons qui créent d’énormes surtensions pour les tôles doré flash et les brûlent de plein en plus.
• Utilisez un capuchon ESR petit mais bas. à travers les contacts de contacts de puissance peu utilisés ou peu utilisés. L'isolation d'oxyde diélectrique est brûlée à chaque fermeture contractuelle du capuchon. et vos signaux peuvent être activés sur des relais de puissance nominale (lus ... non plaqués or). C’était une excellente solution pour moi en 1977 lorsque j’ai conçu une boîte avec 96 relais 15 ~ 30A, chacun avec des contacts supplémentaires pour la détection à distance de l’état des relais. Le courant TTL ne suffisait pas pour "mouiller" les contacts sensoriels, mais l’ajout d’un petit bouchon en tantale tiré à V + avec un grand R corrigeait le problème de fiabilité des contacts de rechange.
• Utilisez une réserve faible pour entraîner la bobine. La bobine du relais risque alors de plonger au-dessous de la tension minimale requise et en cas de charge réactive présentant un arc important et un rebond excessif des contacts de la part de la bobine faible, provoquant ainsi un "claquement des contacts".
• N'oubliez pas de placer des diodes de serrage sur les bobines conçues pour> 2x la tension d'alimentation.
• ne placez pas de bobines de relais sur des lignes sensibles Analog Power V +.
• N'utilisez pas de relais non blindés à proximité de circuits magnétiques sensibles, par exemple de radios, etc. sans vous rendre compte de l'orientation des perturbations CEM.

• Lorsque vous envisagez des méthodes délicates pour réduire la dissipation de tension des bobines, testez-en une centaine de fiabilité et ajoutez 6sigma pour les fuites / défaillances de production sur tous les modèles de MTBF et tenez compte de tous les facteurs de stress tels que la température, les vibrations, l'altitude, l'humidité, etc.

• Une bonne utilisation des relais consiste à shunter le circuit "à démarrage progressif" une seconde ou plus après la mise sous tension pour améliorer l'efficacité et éviter les surtensions. Il peut empêcher les surtensions lors d’une coupure de courant momentanée en utilisant simplement le PTC pour un démarrage progressif. Cela provoque une efficacité momentanée plus faible mais protège les composants critiques ou les spécifications de sortie. avec de faibles surintensités d'entrée.

N'hésitez pas à ajouter à ma liste.

vous pouvez diviser par deux le courant de relais avec un condensateur et une résistance. le condensateur alimente le relais au démarrage, la résistance réduit le courant en attente.