リレーをより効率的に使用する方法は何ですか？

リレーを制御するためにマイクロコントローラーを使用することがよくあり、12 Vリレーでは5 Vマイクロコントローラーが使用されることがよくあります。リレーには、マイクロコントローラーの数倍の電力が必要になる場合があります。数mAで駆動できるSSRを使用できれば問題はありませんが、電気機械式リレーが必要な場合があります。いつ、別の議論です。ここでは、電気機械に焦点を当てます。では、これらのリレーをより効率的に使用する方法は何ですか？

これはかなり長い答えになりつつありますが、私はあなたが眠りにつかないようにするためにたくさんのきれいな写真を追加しました;-)

私は双安定リレーを知っており、それらは大きな節約となりますが、ここでは、ラッチングリレーを使用したくない場合に備えて、同じ非ラッチリレーのさまざまなソリューションについて説明します。たとえば、フィードバックや、より複雑なドライブの理由が考えられます。（フィードバックを取得する1つの方法は、2極リレーの1つの接点を使用することですが、それを1極リレーに減らします。3極リレーは存在しますが高価です。）
とにかく、これは一般的な低コストの安定版です。リレー。参照用にこのリレーを使用します。

直列抵抗
電力を削減する安価で簡単な方法で、ほとんどのリレーに適用できます。外を見るの電圧を動作させなければならないのデータシートでは、時には「プルイン電圧」と呼ばれます。上記のリレーの12 V標準バージョンは8.4 Vです。つまり、最小8.4 Vを適用すると12 Vリレーも機能します。この広いマージンの理由は、リレーの12 Vが調整されていないことが多く、たとえば電源電圧の許容範囲などによって変動する可能性があるためです。これを行う前に、12 Vのマージンを確認してください。
いくらかのマージンを保って、9 Vに進みましょう。リレーには360Ωのコイル抵抗があり、120Ωの直列抵抗により3 Vが降下し、リレーに9 Vが残ります。消費電力は400 mWではなく300 mWで、25％の節電効果があり、直列抵抗のみです。

このグラフおよび他のグラフでは、一般的なソリューションの電力は青で表示され、12 V入力に対して正規化され、改善されたソリューションは紫色で表示されます。x軸は入力電圧を示します。

LDOレギュレータ
直列抵抗を使用すると、抵抗の比率である25％の一定の電力節約が得られます。電圧が上昇すると、電力は二次的に上昇します。ただし、電源電圧に関係なくリレー電圧を一定に保つことができる場合、電力は入力電圧の上昇に対して直線的にのみ上昇します。これを行うには、9 V LDOを使用してリレーに電力を供給します。直列抵抗と比較すると、これはより高い入力電圧でより多くの電力を節約しますが、入力電圧が12 V未満に低下した場合はより少ないことに注意してください。
省電力：25％。

高感度リレー
これは、電力を大幅に削減する最も簡単な方法です。高感度バージョンのリレーを使用します。当社のリレーは、400 mWを必要とする標準バージョンと、その半分に満足する敏感なバージョンで利用できます。
では、なぜ敏感なリレーを常に使用しないのでしょうか？まず、すべてのリレーが高感度タイプであるわけではありません。リレーには、切り替え（CO）接点がない、またはスイッチング電流が制限されているなどの制限があります。彼らも同様に高価です。しかし、もしあなたがあなたのアプリケーションに合うものを見つけることができれば、私は確かにそれを検討するでしょう。
省電力：50％。

5 V
での12 Vリレーここでは、Real Savings™を取得します。まず、5 Vの動作を説明する必要があります。「動作電圧」は8.4 Vだったので、9 Vでリレーを動作できることがすでにわかりました。しかし、5 Vはそれよりもかなり低いため、リレーは作動しません。ただし、「電圧を操作する必要がある」は、リレーをアクティブにするためにのみ必要なようです。一度アクティブにすると、はるかに低い電圧でもアクティブのままになります。これは簡単に試すことができます。リレーを開き、コイルに5 Vをかけると、アクティブにならないことがわかります。今、鉛筆の先端で接触を閉じてください、そして、あなたはそれが閉じたままであることを見るでしょう。すばらしいです。

キャッチが1つあります。これがリレーで機能することをどのように知るかです。5 Vはどこにも言及していません。必要なのは、リレーの「保持電圧」です。これは、アクティブな状態を維持するための最小電圧を提供しますが、残念ながら、データシートではしばしば省略されています。したがって、別のパラメーター「must release voltage」を使用する必要があります。これは、リレーがスイッチオフを保証する最大電圧です。12 Vリレーの場合、0.6 Vであり、非常に低い値です。「ホールド電圧」は通常、1.5 Vや2 Vのようにわずかに高いだけです。多くの場合、5 Vの価値があります。リレーの製造元に相談せずに、デバイスの年間10万個の生産を実行したい場合ではありません。あなたは多くのリターンがあるかもしれません。

したがって、非常に短い時間だけ高電圧が必要になり、5 Vに落ち着くことができます。これは、リレーと直列の並列RC回路で簡単に実現できます。リレーがオンになると、コンデンサが放電され、並列抵抗が短絡するため、コイル全体に12 Vが流れ、アクティブになります。その後、コンデンサが充電され、抵抗で電圧降下が発生し、電流が減少します。

これは最初の例のようで、9 Vのコイル電圧に行ったときのみ、5 Vが必要になります。コイルの360Ωでの5 Vは13.9 mAであり、抵抗は（12 V-5 V）/13.9 mA = 500Ωである必要があります。コンデンサの値を見つける前に、データシートをもう一度調べる必要があります。最大動作時間は最大10 msです。つまり、コンデンサは10 ms後にコイルの両端に8.4 Vを充電するのに十分な速度で充電する必要があります。これは、時間の経過に伴うコイルの電圧のように見えるはずです：

RC時定数のR値は、テブナンにより、コイルの360Ωに平行な500Ωです。それは209Ωです。グラフの方程式は

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

= 8.4 V、 = 10秒と = 209Ω、我々は、を解くことができる、我々は、66μFの最小値を見つけます。100 µFを取ります。 $V_{COIL}$$t$$R$$C$

したがって、定常状態では、360Ωではなく860Ωの抵抗があります。58％節約しています。

5 Vでの12 Vリレー、繰り返し
以下のソリューションでは、12 Vで同じ節約が得られますが、電圧レギュレータを使用すると、入力電圧が増加しても電圧を5 Vに保ちます。

スイッチを閉じるとどうなりますか？C1は、D1とR1を介して4.3 Vに急速に充電されます。同時に、C2はR2を介して充電されます。アナログスイッチのしきい値に達すると、IC1のスイッチが切り替わり、C1の負極が+5 Vに接続され、正極が9.3 Vになります。これで、リレーがアクティブになり、C1が放電した後、リレーは、D1を介して5 Vで駆動されます。

それで、私たちの利益は何ですか？リレーには5 V / 360Ω= 14 mAがあり、400 mWではなく167 mWのLM7805などを介して12 Vから供給されます。
省電力：58％。

5 Vの12 Vリレー、リプライ2
SMPSを使用して12 V電源から5 Vを取得することで、さらに改善できます。アナログスイッチでも同じ回路を使用しますが、さらに節約できます。90％の効率的なSMPSでは、80％（！）の節電が可能です。

（Mathematicaで作成されたグラフ）

stevenvhは素晴らしい答えを出しましたが、リストされていない解決策があります。私はできる限り毎回使用しています：ステップリレー。

リレーの状態を変更するときにのみ電力を消費します。

もちろん、マイクロコントローラの起動時にリレーの状態を知る方法が必要なため、電子機器がより複雑になりますが、多くの場合、多くの電力を節約します。私のホームオートメーションシステムでは、24の「標準」リレーをステップリレーに置き換えると、マイクロコントローラーボードで消費される電力の約98％を節約できました。

では、これらのリレーをより効率的に使用する方法は何ですか？

以下は、「通常の」非ラッチ型リレーで使用できる原則として最も効率的なシステムについて説明しています。この回路は、スティーブンの基準リレーまたは他のリレーで動作します。

• 以下の回路では、リレーコイルを降圧コンバータのインダクタとして使用して、可能な限り最適な線形レギュレーションスキームで実現できるよりも数倍から数倍優れた省電力を実現しています。機械的ラッチングリレーまたはステッパーリレーソリューションのゼロ電流効率と長期にわたって競合することはできませんが、標準および未変更のリレーで実装できます。

  変換の効率が唯一のメトリックである場合、このスキームは、電源の約50％未満のホールドイン電圧で達成できるものよりも優れており、ほとんどの場合に優れています。

  コンポーネント数は、単純な抵抗またはレギュレータベースのスキームよりも多くなりますが、省電力が重要な場合は控えめです。以下に示す要件は、2つの「ジェリービーン」トランジスタ、8つの抵抗、2つのダイオード、1つのツェナーダイオード、および2つのコンデンサに対するものです。これは注意して少し減らすことができます。

  必要に応じて、ICベースの降圧レギュレータシステムを代わりに使用し、インダクタとしてリレーコイルを使用することもできます。

以下の完全に素晴らしい回路は、私が発行した低コストのスイッチングレギュレーター設計の課題に対応して、Richard Prosserによって提供されました。8年前。コンポーネント数は他の多くの省電力ソリューションよりも少し多くなりますが、これは通常、一般的な代替品よりも効率がずっと高くなり、リレー保持電圧V_hold_inが電源電圧よりもはるかに低い場合に顕著になります。示されている例では、供給電圧は20V〜70Vですが、回路は任意の実用的な電圧範囲に合わせて設計できます。

ここに示すように、回路は定電流でリレーを駆動します。電源投入時の特性は、最初はより高い駆動電流を提供するように簡単に変更できますが、通常、示されている回路は非常に受け入れられます。

この回路の重要な輝きは、リレーインダクタンス自体を降圧レギュレータのインダクタとして使用して、2つのリレーコイルへの定電流駆動を実装することです。印加電圧は、必要な駆動レベルを提供するために必要な電圧に降圧されます。これは、定義された電圧または定義された電流でコイルを駆動するように設計されています。

効率が低い非常に高い印加電圧（非常に高いVinで約50％程度の低さ）でさえ、電力の節約は大幅です。
考慮してください-電圧のリレー保持が5Vで、供給電圧が30Vの場合 直列抵抗またはリニアレギュレータは、Vrelay / Vsupply = 5/30〜= 16％を超える効率を達成することはできません。ただし、これには30V電源から5Vのリレー保持電流を供給する必要があるため、電力消費= Iholdin x 30です。
効率が50％の場合、ゲインは30V / 5V x 50/100 = 3の係数になります。これは、非スイッチングシステムで達成できる可能性のある最高値と比較されます。

• 電力削減係数= Vsupply / Vholdin x効率％/ 100％

繰り返しになりますが、これはおそらく実現可能な最高の線形システムに対するゲインです。

簡略化された操作説明-必要に応じて利用可能な詳細：

Zener Z1を呼び出します。ツェナー電圧Vz1。

Q1ベースは、Vz1をR9、R2で除算することにより、基準電圧に保持されます。
Irelay = 0、Q1_E =）の場合、Q1がオン、Q2がオン、I_relayが立ち上がります。
Irelayが上昇すると、Q1EがQ1をオフにし始めるまでV_R7が上昇します。
Q1がQ2オフになるとオフとD3、R7を介して電流」フリーホイールを中継する。
I_relayヒステリシスを提供するように落ちるようにR1、C2はV_R7の低下の検出にtiome遅延を形成する。
種々の他の相互作用が発生するが、それらは、上記の主効果に二次的です。

「Black Switchjing Regulator」-ローマン・ブラック：

比較的よく知られている「ブラックスイッチングレギュレータ」は、設計上の課題の結果としてこの回路から派生したものです。

Cicruitリンクが壊れていますが

討論

ここでテストされていないPCBレイアウト -過度に熱心な人は、比較的簡単にこれから回路を導出できます。

あの
以下は、ディスクに保存したASCIIアートバージョンです。これは、おそらく元のWebページからのコピーです。パフォーマンスは、負荷やVinを使用した効率やVoutの低下には見劣りしますが、安価です:-)。「私の」GSRはもう1つのトランジスタを使用するため、コンポーネントコストはそれほどミニマリストではありませんが、一般的には仕様がはるかに優れています。しかし、それは別の話です。

ステップリレーはアクセマンによって言及されました。

双安定ラッチリレーもあります。

メイン入力から電​​力が除去されたときに電力を保存し、ラッチ解除コイルに適用するための回路を簡単に十分に考案することができます。

以下-ラッチングリレーの1つのバージョン-一部には、独立した消磁コイルがあります。

最近のEDNデザインアイデアをご覧ください。

基本的に、DC乗算器と単一のトランジスタでオンとオフを切り替えることになります。乗数は、必要な最初の「キック」を与えますが、その定常状態の電圧ははるかに低くなります。回路には重要なものはなく、ほとんどすべてのリレーまたはソレノイドに適合できます。

リレーにはまだSSRに比べて多くの利点があり、自動車のニーズに合わせて大容量または高信頼性を選択する場合、選択基準は異なります。保守的に使用すると、スイッチング寿命は10e5と10e6になります。

リレーの選択にまだ熟達していない人にとっては、共通機能の認識を高めることで、パフォーマンスとニーズの効率的なマッチングを最適化するのに役立ちます。

• リレーの製造には数十年の経験が必要です。信頼できるソースを選択するには、サプライヤの品質に関するデューデリジェンスが必要です。

• リレーには、トランジスタと同じように電力と電流のゲインが効果的にあります。

  • hFEが100のパワートランジスタスイッチを検討してください。飽和モードで動作する場合、回路の電流ゲインを5〜10に設計する必要があります。
  • リレーには、通常1 kVを超える絶縁でオフセットやESDの問題がなく、50〜100の電流ゲインが一般的です。コイル電圧を低減した効率的なリレーでは、より多くのゲインが利用できます。

• リレーには、SPST、SPDT、2P2T ... 6P2Tの一般的なフォームファクターの説明があります（スイッチの例）

  • リレーは、極と接点または「スロー」の数で定義できますが、標準化された説明ではフォームファクタを使用します。
  • ダブルスローまたはDTは3つの形式で提供されます。3つの場所のどちらが「極」として指定され、他の2つが「通常」または「オープン」（NC / NO）として指定され、フォームA、フォームB、フォームC
  • フォームAのDPDTの1つの例は「2フォームA」と呼ばれ、2FAと略されることがあります
  • これらのフォームには、DIP-14、自動車、電源リレー（汎用）、信号リレー（テレフォニーなど）、RFリレー、リードリレー、> = 100Aリレー（別名コンタクター）などの標準ピン番号または位置があります。

リレーの誤用の方法（read .. lower MTBF）

• 10mAには1A定格接点を使用してください。低電流信号には、酸化を防ぐために金フラッシュめっき接点が必要です。これにより、絶縁体への完全に良好な接点が形成されます。
• 低消費電力設計では、Auメッキの100mA信号リレーを使用しますが、フラッシュゴールドプレートに大きなサージを発生させて貫通させる大きなキャップがあります。
• 小さくても低いESRキャップを使用します。頻繁に使用されない、または軽く使用された電源接点の接点間。誘電性酸化物絶縁体は、キャップの収縮閉鎖ごとに焼失します。また、電力定格（読み取り...金メッキなし）リレーで信号を切り替えることができます。これは、1977年に、リレーの状態をリモートで検出するための追加の接点をそれぞれ備えた96x 15〜30Aリレーを備えたボックスを設計したときに、私にとって素晴らしいソリューションでした。TTL電流はセンス接点を「濡らす」には十分ではありませんでしたが、大きなRでV +にプルアップされた小さなタンタルキャップを追加すると、スペア接点の信頼性の問題が修正されました。
• 弱い電源を使用してコイルを駆動します。これにより、リレーコイルが必要な最小電圧以下に低下する可能性があります。また、弱いコイルドライブからの著しいアーク放電と過度の接触バウンスを伴う無効負荷が発生すると、「接触チャタリング」が発生します。
• 電源電圧の2倍以上の定格コイルにクランプダイオードを配置することを忘れないでください。
• 敏感なアナログ電源V +ラインにリレーコイルを配置しないでください。
• EMC妨害の方向を意識せずに、無線などの敏感な磁気回路の近くで非シールドリレーを使用しないでください。

• コイルの電圧損失を節約するためのトリッキーな方法を検討する場合、MTBFの設計で信頼性について100をテストし、生産エスケープ/故障について6シグマを追加し、温度、振動、高度、湿度などのすべてのストレス要因を考慮してください...

• リレーの大きな用途の1つは、電源投入後1秒以上「ソフトスタート」回路をシャントして効率を改善し、サージを回避することです。ソフトスタート用の単純なPTCを使用することで、瞬間的な停電中のサージを防ぐことができます。これにより一時的に効率が低下しますが、重要なコンポーネントまたは出力仕様は保護されます。低入力サージ電流。

リストに自由に追加してください。

コンデンサと抵抗でリレー電流を半分にできます。コンデンサは起動時にリレーに給電し、抵抗器は保留電流を減らします。