有什么方法可以更有效地使用继电器？

我们似乎经常使用微控制器来控制继电器，而5 V微控制器通常与12 V继电器一起使用。继电器可能需要比微控制器多几倍的功率。如果您可以使用可以以几mA的电流驱动的SSR，这不是问题，但是在某些情况下确实需要机电继电器。什么时候，是另一个讨论。在这里，我将重点介绍机电。那么，有哪些方法可以更有效地使用这些中继？

这已经成为一个很长的答案，但是我添加了很多漂亮的图片，应该可以使您避免入睡;-)

我知道双稳态继电器，它们是最大的节省者，但是在这里，我将讨论针对同一非锁定继电器的所有解决方案，以防万一您不想使用锁定继电器。例如，这可能是出于反馈或更复杂的驱动原因。（获得反馈的一种方法是使用双极继电器的一个触点，但随后将其简化为单极继电器。存在三极继电器，但价格昂贵。）
不管怎么说，这是关于您常见的，低成本的中继。我将使用此中继作为参考。

串联电阻
一种便宜而简单的降低功率的方法，适用于大多数继电器。在数据表中查找必须工作的电压，有时称为“上拉电压”。对于上述继电器的12 V标准版本为8.4V。这意味着，如果您向其施加最小8.4 V，则12 V继电器也将工作。如此大的裕度的原因是继电器的12 V通常不受调节，并且可能会变化，例如随电源电压容差而变化。在执行此操作之前，请检查12 V的容限。
让我们保留一些裕量，然后选择9V。该继电器的线圈电阻为360Ω，那么一个120Ω的串联电阻将引起3 V的压降，而继电器还剩下9V。功耗仅为300 mW，而不是400 mW，仅需串联一个电阻即可节省25％的功率。

在该图和其他图中，通用解决方案的电源以蓝色显示，针对12 V输入进行了归一化，而改进后的解决方案以紫色显示。x轴显示输入电压。

LDO稳压器
借助串联电阻，节电率恒定为25％，这是我们电阻的比率。如果电压上升，功率将平方上升。但是，如果我们可以使继电器电压保持恒定，而与电源电压无关，则功率只会随着输入电压的上升而线性上升。我们可以通过使用9 V LDO为继电器供电来实现。请注意，与串联电阻器相比，在较高的输入电压下可以节省更多的功率，但是在输入电压降至12 V以下时可以节省更少的功率。
功率节省：25％。

灵敏继电器
这是大幅降低功率的最简单方法：使用灵敏继电器。我们的继电器有标准版本，需要400 mW，敏感版本则满足其中一半。
那么为什么不总是使用敏感继电器呢？首先，并非所有继电器都属于敏感类型，并且当它们出现时，它们通常会受到限制，例如没有转换（CO）触点或开关电流受限。它们也更昂贵。但是，如果找到适合您的应用程序的应用程序，我肯定会考虑的。
省电：50％。

5 V时的12 V继电器
这里是Real Savings™。首先，我们必须说明5 V操作。我们已经看到我们可以在9 V下操作继电器，因为“必须操作电压”为8.4V。但是5 V低于此电压，因此它不会激活继电器。但是，似乎仅需要“必须工作电压”才能激活继电器。一旦激活，即使在低得多的电压下也将保持激活状态。您可以轻松尝试。打开继电器，在线圈两端施加5 V电压，您会发现它没有激活。现在，用笔尖关闭触点，您会发现它保持关闭状态。大。

有一个陷阱：我们如何知道这对我们的中继有效？它在任何地方都没有提到5V。我们需要的是继电器的“保持电压”，它提供了保持激活状态所需的最小电压，不幸的是，这通常在数据表中被忽略。因此，我们必须使用另一个参数：“必须释放电压”。这是继电器将保证关闭的最大电压。对于我们的12 V继电器，这是0.6 V，这确实很低。“保持电压”通常仅高一点，例如1.5 V或2V。在许多情况下5 V是值得的。不，如果你想运行一个10K /年的生产装置的未咨询继电器制造商; 您可能会有很多回报。

因此，我们只需要在很短的时间内提供高电压，然后我们就可以稳定在5V。与继电器串联的并联RC电路可以轻松实现这一点。当继电器打开时，电容器放电，因此使并联电阻短路，从而使整个12 V跨过线圈，并且可以激活。然后，电容器被充电，电阻器两端将出现电压降，从而降低电流。

就像在第一个示例中一样，只是然后我们使用了9 V的线圈电压，现在我们需要5V。计算器！线圈360Ω上的5 V为13.9 mA，则电阻应为（12 V-5 V）/13.9 mA = 500Ω。在找到电容器的值之前，我们必须再次查阅数据表：最大工作时间为10 ms。这意味着电容器应缓慢充电，以使10毫秒后线圈上仍具有8.4 V的电压。这是线圈的电压随时间变化的样子：

由于塞维南，RC时间常数的R值为平行于线圈360Ω的500Ω。那是209Ω。该图的方程为

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

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

因此，在稳定状态下，我们的电阻为860Ω，而不是360Ω。我们节省58％。

12 V继电器在5 V时，再出现
以下解决方案在12 V时也为我们提供了相同的节省，但是即使使用了稳压器，即使输入电压会增加，我们也可以将电压保持在5V。

当我们关闭开关时会发生什么？C1通过D1和R1快速充电至4.3V。同时，C2通过R2充电。当达到模拟开关的阈值时，IC1中的开关将触发，并且C1的负极将连接至+5 V，这样正极将达到9.3V。这足以使继电器激活，并且在C1放电后，继电器通过D1由5 V供电。

那我们有什么收获呢？我们通过继电器有5 V / 360Ω= 14 mA，通过LM7805或类似产品来自12 V，是167 mW而不是400 mW。
省电：58％。

12 V继电器（5 V，重复2），
通过使用SMPS从12 V电源获得5 V，我们甚至可以做得更好。我们将使用与模拟开关相同的电路，但会节省很多。在效率为90％的SMPS上，我们可以节省80％（！）的功率。

（用Mathematica制作的图形）

stevenvh给出了一个很好的答案，但是没有列出我每次都可以使用的解决方案：步进继电器。

它们仅在更改继电器状态时才消耗功率。

当然，这会使电子设备变得更加复杂，因为您需要一种在微控制器启动时知道继电器状态的方法，但是在许多情况下，它可以节省大量电能。在我的家庭自动化系统中，用步进式继电器替换24个“标准”继电器可节省微控制器板功耗的近98％。

那么，有哪些方法可以更有效地使用这些中继？

以下原则上描述了可与“常规”非闭锁继电器一起使用的最有效的系统。该电路可与史蒂文的参考继电器-或任何其他继电器一起使用。

• 下面的电路使用继电器线圈作为降压转换器中的电感器，与通过最佳的线性调节方案所能达到的节能效果相比，可以节省数倍至数倍。它不能长期与机械闭锁继电器或步进继电器解决方案的零电流效率竞争，但BUT可以与任何标准且未经修改的继电器一起使用。

  如果转换效率是唯一的度量标准，那么该方案将优于保持电压低于电源电压约50％的任何方案，并且在大多数情况下将优于该方案。

  组件数量要比简单的基于电阻或稳压器的方案要高，但是在节电至关重要时，组件数量很少。如下所示的要求是2个“豆形”晶体管，8个电阻器，2个二极管，一个齐纳二极管和2个电容器。可以小心地将其减少一点。

  如果需要，可以改用基于IC的降压稳压器系统，但仍将继电器线圈用作电感器。

下面的电路完全是理查德·普罗瑟（Richard Prosser）做出的，以应对我提出的有关低成本开关稳压器设计的挑战。8年前。尽管组件数比许多其他省电解决方案要高一些，但该解决方案通常比典型的替代方案更有效甚至效率更高，并且当继电器保持电压V_hold_in远小于电源电压时真正脱颖而出。在所示的示例中，电源电压为20V至70V，但是该电路可以设计为任何合理的电压范围。

如图所示，该电路以恒定电流驱动继电器。上电特性可以很容易地改变以初始提供更高的驱动电流，但是所示电路通常是可以接受的。

电路的主要亮点是使用继电器电感本身作为降压稳压器中的电感器来实现对继电器线圈的恒定电流驱动。施加的电压降压到提供所需驱动电平所需的任何电压。但是可以设计成以限定的电压或限定的电流驱动线圈。

即使在效率较低的非常高的施加电压下（在非常高的Vin下也可能低至约50％），功率节省也是可观的。
考虑-如果继电器保持电压为5V，电源电压为30V，则说。串联电阻器或线性稳压器的效率不能超过Vrelay / Vsupply = 5/30〜= 16％。但是，这需要从30V电源提供5V的继电器保持电流，因此功耗= Iholdin x30。使用降压转换器时，功率= Vrelay x I holdin x 100％/效率％。
效率为50％时，增益是30V / 5V x 50/100 = 3的倍数，而非开关系统可能达到的最佳水平。

• 功率降低系数= Vsupply / Vholdin x效率％/ 100％

同样，这是相对于可以实现的最佳线性系统的增益。

简化的操作说明-如果需要，可提供更多详细信息：

致电齐纳Z1。齐纳电压Vz1。

Q1基极被Vz1除以R9，R2保持在参考电压。
当Irelay = 0时，Q1_E =），因此Q1开启，Q2开启，因此I_relay上升。
随着Irelay的上升，V_R7上升，直到Q1E足够高以开始关闭Q1。
Q1关闭会关闭Q2，并通过D3，R7继电器电流续流
。R1，C2在I_relay下降时会感测V_R7的下降，从而产生迟滞，从而产生滞后现象。
发生了各种其他相互作用，但它们是上述主要作用的次要条件。

“黑色开关调节器”-罗马·布莱克：

由于设计上的挑战，从该电路派生了一个相对著名的“黑色开关稳压器”。

交叉链接断开，但

讨论区

这里未经测试的PCB布局 -过于热衷可以从中相对容易地得出电路。

嗯
以下是我保存在磁盘上的ASCII艺术版本，它可能是原始网页的副本。在负载或Vin时，性能并不是很高的效率，也不是Vout下降，但是它很便宜:-)。“我的” GSR使用了一个以上的晶体管，因此在组件成本上并没有达到最低限度，但通常具有更好的规格。但是，那是另一个故事。

Axeman提到了步进继电器。

也有双稳态闭锁继电器。

当从主输入端断开电源时，可以很容易地设计出一种电路来存储功率并将其施加到解锁线圈，从而使操作在外部与普通的单线圈继电器相同。

下图-闩锁继电器的一种版本-一些具有独立的失电线圈：

您可能需要查看最新的EDN设计想法。

从本质上讲，您最终会得到一个直流乘法器和一个晶体管来打开和关闭它。乘法器会提供您所需的初始“突跳”，但其稳态电压要低得多。电路中没有任何关键的东西，几乎可以适用于任何继电器或螺线管。

与SSR相比，继电器仍然具有许多优势，并且为满足汽车需求而选择大容量或高可靠性时，选择标准将有所不同。保守地使用时，开关寿命高达10e5和10e6。

对于那些尚未精通继电器选择的人，对通用功能的认识的提高将有助于优化性能与需求的高效匹配。

• 制造继电器需要数十年的经验，选择可靠的电源需要对供应商的质量进行尽职调查。

• 继电器有效地具有功率和电流增益，就像晶体管一样。

  • 考虑hFE为100的功率晶体管开关，当它在饱和模式下工作时，需要设计电路中的电流增益为5到10。
  • 继电器不存在失调或ESD问题，典型的> 1 kV绝缘，电流增益通常为50至100。降低线圈电压的高效继电器可带来更大的收益。

• 继电器具有关于SPST，SPDT，2P2T ... 6P2T的通用形状因数说明（开关示例）

  • 继电器可以通过极数和触点数或“掷”数来定义，但是标准化的描述使用形状因数。
  • Double Throw（双掷）或DT（DT）有3种形式，具体取决于3个位置中的哪一个被指定为“杆位”，另外2个位置则被称为“常闭”或“常开”（NC / NO）位置，分别称为A型，B型，表格C。
  • 表格A中DPDT的一个示例称为“ 2-表格A”，有时缩写为2FA
  • 这些表格具有用于DIP-14，汽车，功率继电器（通用），信号继电器（例如电话），RF继电器，簧片继电器，> = 100A继电器（又称为接触器）等的标准引脚号或位置。

误用继电器的方法（阅读..降低MTBF）

• 使用额定电流为1 A的10mA电流。低电流信号需要镀金的触点以防止氧化，从而使与绝缘体的接触非常好。
• 在低功耗设计上使用带有Au镀层的100mA信号继电器，但要使用大电容，会给闪镀金板产生巨大的浪涌并烧穿。
• 使用较小但较低的ESR上限。跨接在不经常使用或使用不频繁的电源触点上。介电氧化物绝缘层会从帽盖的每个闭合处烧掉。并且您的信号可以在额定功率（已读取...非镀金）继电器上切换。1977年，当我设计出一个装有96x 15〜30A继电器的盒子时，每个盒子都带有额外的触点以远程感测继电器状态，这对我来说是一个很好的解决方案。TTL电流不足以“润湿”感测触点，但是增加一个小的钽电容将其上拉至一个较大的R可以将其上拉至V +，从而解决了备用触点的可靠性问题。
• 使用弱电源驱动线圈。这可能会导致继电器线圈跌落到所需的最小电压以下，并且如果存在无功负载且电弧明显，并且弱线圈驱动会产生过多的触点弹跳，从而导致“触点颤动”
• 不要忘记将钳位二极管放在额定值大于电源电压2倍的线圈上。
• 不要将继电器线圈放在敏感的Analog Power V +线上。
• 请勿在未意识到EMC干扰方向的情况下，在无线电等敏感磁路附近使用非屏蔽继电器。

• 当您考虑使用复杂的方法来节省线圈电压耗散时，请在数百个MTBF设计上测试一百个可靠性并为生产逃生/故障添加6sigma，并考虑所有应力因素，例如温度，振动，高度，湿度等。

• 继电器的一大用途是在加电后一秒钟或更长时间将“软启动”电路分流，以提高效率并避免电涌。只需使用PTC进行软启动，就可以防止瞬时电源中断时的电涌。这会导致瞬时效率降低，但会保护关键组件或出口规格。低输入浪涌电流。

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您可以使用电容器和电阻器将继电器电流减半。电容器在启动时为继电器供电，电阻器降低保持电流。