Как работает реле регулятор напряжения генератора: Как работает регулятор напряжения генератора автомобиля

Для любого данного реле существуют спецификации, которые описывают максимальное номинальное напряжение и ток прикосновения. Реле высокого напряжения нуждаются в контактах, которые в разомкнутом состоянии находятся дальше друг от друга, или могут работать в вакууме. Для устройств с высоким током необходимы контактный узел и контактные поверхности, которые имеют низкое сопротивление и могут выдерживать ток без перегрева или сварки контактов.Ни в коем случае нельзя превышать максимальные характеристики контактов, иначе это может серьезно повлиять на срок службы реле. В частности, убедитесь, что используемое реле может выдерживать пиковый пусковой ток нагрузки.

На пусковой ток влияет множество факторов, но имейте в виду, что он может в 50 раз превышать нормальный ток полной нагрузки. Для индуктивных нагрузок (например, трансформаторов и двигателей) пусковой ток наихудшего случая ограничивается только сопротивлением обмотки плюс полное сопротивление внешней сетевой проводки.Обратите внимание, что переключение при нулевом напряжении (в частности, с твердотельными реле) не должно использоваться с этими нагрузками , а — и ! Емкостные нагрузки и электронные источники питания создают проблемы и также обычно не подходят для твердотельных реле, но по другим (и сложным) причинам.

Некоторые реле (контакторы) для тяжелых условий эксплуатации имеют только одну пару контактов, обычно нормально разомкнутых. Существуют также трехфазные контакторы с тремя наборами контактов — по одному на каждую фазу, и они очень распространены в промышленных системах управления.Они используются для переключения сильного тока и / или напряжения, превышающего нормальное, и имеют больший контактный зазор и функции гашения дуги, так что дуга не может поддерживаться на контактах, когда они разомкнуты. Для особенно больших токов (или для постоянного тока, который является потенциальным убийцей контактов реле), может быть магнит или даже система принудительного подачи воздуха, чтобы направить дугу от области контакта. Это не характерно для обычных реле.

Контактные поверхности изготавливаются из различных металлов или сплавов, предназначенных для использования по назначению.Некоторые распространенные материалы и их применение показаны ниже ^[2] . Это не исчерпывающий список, и вы можете увидеть другие металлы или сплавы, упомянутые в технических характеристиках реле.

Материал (и)	Символ (ы)	Комментарии
Твердое серебро	Ag, Cu, Ni	Стандартный контактный материал, используемый во многих реле общего назначения, медь и никель добавляют твердости.Один контакт минимум 20 В / 50 мА. Длительный срок службы контактов, но склонен к окислению при более высоких температурах.
Серебро Никель	Ag, Ni	Более стойкое к сварке при высоких нагрузках, чем твердое серебро, с высоким сопротивлением выгоранию. Хороший стандартный контактный материал. Минимальная контактная нагрузка, 20 В / 50 мА
Серебро Оксид кадмия	Ag, CdO	Используется для сильноточных нагрузок переменного тока, поскольку он более устойчив к сварке при высоких пиках коммутируемого тока.Материал равномерно размывается по всей поверхности. Не рекомендуется для разрыва сильных дуг постоянного тока из-за вызываемого износа (одностороннее уменьшение). Минимальная контактная нагрузка 20 В / 50 мА. Обратите внимание, что кадмий изначально был включен в список материалов, запрещенных Европейской директивой RoHS, но теперь освобожден для этой цели (хотя это может снова измениться в любое время).
Серебро Оксид олова	Ag, SnO 2	Оксид олова делает материал более устойчивым к сварке при высоких пиках включающего тока.Обладает очень высоким сопротивлением выгоранию при переключении большой мощности. нагрузки. Низкая миграция материала под нагрузкой постоянного тока. Минимальная контактная нагрузка 20 В / 50 мА. Полезно там, где возникают очень высокие пусковые токи, например, при ламповых нагрузках или трансформаторах. Оксид серебра и олова часто выбирается в качестве материала контактов реле для оксида кадмия серебра.
Серебро Олово Индий	Ag, SnO, InO	Аналогичен оксиду серебра и олова, но более устойчив к броскам. Минимальная контактная нагрузка 12В / 100мА.
Вольфрам	Вт	Более стойкое к сварке при высоких нагрузках, чем твердое серебро, с высоким сопротивлением выгоранию. Хороший стандартный контактный материал. Минимальная контактная нагрузка 20 В / 50 мА единый контакт. Используется для некоторых сверхмощных реле.
Золотое покрытие — 10 мкм	Au	Используется для переключения малых нагрузок> 1 мА / 100 мВ. Это покрытие будет удалено трением и эрозией примерно после 1 миллиона циклов переключения даже в «сухом» состоянии. схемы (т.е. те, у которых нет постоянного тока и / или незначительный переменный ток). Используется в формах с одним и двумя контактами (двойной контакт полезен в пыльной среде).
Золотое покрытие / вспышка — 3 мкм	Au	Имеет те же качества, что и 10 мкм Au, но менее долговечен. Обычно он используется для предотвращения коррозии / окисления контактов реле во время хранения.
Рутений	Ru	Редкий элемент, обладающий высокой устойчивостью к потускнению и используемый в основном в герконовых переключателях / реле и других износостойких электрических контактах.
Родий	Rh	Редкий, серебристо-белый, твердый и химически инертный переходный металл. Как и рутений, он принадлежит к платиновой группе элементов. Используется в герконах

Таблица 2.1 — Общие материалы контактов

Из вышесказанного вы увидите, что для некоторых материалов контактов требуется минимум напряжения и / или тока . При более низких напряжениях и токах (например, в цепях переключения «сухих» сигналов) не хватает тока, чтобы гарантировать надежное замыкание контактов, что может привести к шуму, искажениям или периодической потере сигнала.

Там, где требуется хороший контакт при очень низких напряжениях и токах, хорошим выбором будет золото или позолота. Обратите внимание, что золото , а не , особенно хороший проводник, но его преимущество состоит в том, что оно не тускнеет легко, поэтому редко возникает проблема с оксидами, которые могут быть изолятором при нормальных напряжениях сигнала. Если используется серебро (или многие из его сплавов), реле могут быть герметично закрыты для предотвращения окисления. Черный налет (сульфид серебра) — изолятор. Это не хороший изолятор , но он с легкостью выдерживает несколько сотен милливольт (типичный уровень сигнала).Некоторые герконовые реле имеют контакты в вакууме, что характерно для высоковольтных реле. Дугу сложно создать в вакууме, потому что нет газа.

Обычный термин, который вы слышите, — это «отскок контакта». Когда контакты замыкаются, чаще всего возникают периоды подключения и отключения на время до нескольких миллисекунд или около того. Время зависит от массы контактов, упругости контактных рычагов и давления замыкания контактов. Ниже показан хороший пример герконового реле, показанного на рисунке 1.2. Это значительно лучше, чем у большинства других, но ясно показывает, что даже «лучшие» реле имеют дребезг контактов. Определенное количество «помех» может также возникнуть при размыкании контактов, но это другой эффект.

Рисунок 2.1 — Отскок контакта герконового реле

Горизонтальная шкала составляет 50 мкс на деление, поэтому вы можете видеть, что контакты замыкаются и размыкаются несколько раз за первые 150 мкс. После этого закрытие «прочное», без дальнейших нежелательных отключений.Иногда вы можете свести к минимуму эффект дребезга, используя два или более набора контактов параллельно, но это не гарантированно надежный метод. Когда-то можно было купить реле, смоченное ртутью — «контакты» были основаны на небольшом количестве ртути, которые образовывали мгновенный контакт без дребезга. На одном этапе было (было) много разных типов.

, смачиваемые ртутью, обычно использовались в лабораториях для получения тестовых сигналов с пикосекундным временем нарастания, но, конечно, законодательство Европейского Союза RoHS привело к их полному запрету.Меркурий? О нет, вы не можете использовать , что ! Как ни странно, в ЕС по-прежнему разрешены люминесцентные лампы (как компактные, так и полноразмерные), некоторые из которых, вероятно, содержат столько же ртути, сколько небольшое лабораторное реле с ртутным контактом. Один будет выброшен через несколько тысяч (или сотен) часов, а другой останется навсегда. Я дам вам угадать, что есть что.

Подавляющее большинство реле имеют контакты с размыканием перед замыканием. Это означает, что одна цепь отключается до подключения другой.Также существуют реле включения перед размыканием, но они встречаются редко и в основном используются в телефонных системах, где отключение может привести к обрыву телефонного звонка. Если вам действительно нужна доработка, я ожидаю, что найти то, что доступно и по разумной цене, будет непросто.

Одна из областей, в которой электромеханические реле имеют реальные проблемы, — это переключение постоянного тока. Обычно можно ожидать, что реле, которое может обрабатывать 250 В переменного тока при 10 А, будет обрабатывать максимум 30 В или около того с постоянным током, потому что напряжение и ток являются непрерывными.При переменном токе и напряжение, и ток падают до нуля 100 или 120 раз в секунду (для приложений с частотой сети), поэтому дуга (сравнительно) легко гасится при размыкании контактов. При постоянном токе прерывание отсутствует, и дуга может поддерживаться на контактах — даже когда они полностью разомкнуты.

Это очень серьезная проблема, о которой многие люди не замечают. Даже если напряжение и ток контактов реле таковы, что дуга гаснет каждый раз, сам факт того, что — это дуга, означает, что контакты находятся под постоянной атакой.При дуге материал обычно перемещается от одного контакта к другому. При переменном токе полярность обычно случайная, поэтому контактный материал перемещается вперед и назад, но при постоянном токе он однонаправлен. Это занимает много времени с очень прочными контактными материалами, такими как вольфрам, но это все равно происходит, и в конечном итоге реле выйдет из строя из-за эрозии контактов. Номинальные параметры производителя: максимальное напряжение и ток переменного или постоянного тока, которые обеспечат заявленное количество операций. Если номинальное напряжение или ток превышены, у реле, вероятно, будет короткий срок службы.Постоянный ток является наихудшим, а условия неисправности постоянного тока часто катастрофичны для реле, которое предназначено для выполнения любой защитной функции.

В некоторых случаях для гашения дуги, возникающей при размыкании контактов, можно использовать магнит. Поскольку дуга проводит электрический ток, она как генерирует, так и может отклоняться под действием магнитного поля. Магнитное гашение дуги (или «гашение дуги») редко используется в реле, но его можно добавить позже, если вы знаете, что делаете, и можете расположить магнит (ы) точно в нужном месте.Вы можете встретить эту технику, используемую в сильноточных автоматических выключателях и даже в некоторых реле (хотя они, скорее всего, будут классифицированы как контакторы).

В сети существует бесчисленное количество схем «защиты динамика», которые могут не работать, когда они больше всего нужны. Чтобы увидеть, как должен быть выполнен , взгляните на то, как контакты реле подключены для Project 33. Когда реле размыкается, оно замыкает динамик, так что даже если есть дуга, оно переходит на землю до тех пор, пока перегорел предохранитель.Любая схема «защиты» динамика, которая не закорачивает динамик, может оставить вас вне кармана, потому что не только усилитель, вероятно, перегорел, но и реле и динамик, которые он предназначался для защиты. Реле, которое может фактически разорвать 100 В постоянного тока при токе 25 А или более, является редким и дорогим зверьком, но это то, что может понадобиться для усилителя большой мощности.

Вопрос о материалах контактов реле, напряжениях и токах дуги, миграции металла при включении и выключении (т.и др.) поистине обширен. Это тема научных статей, заметок по применению и больших частей книг, и охватить здесь все просто невозможно. Достаточно сказать, что рекомендации и рейтинги производителя обычно являются хорошей отправной точкой, и максимальные значения никогда не должны превышаться. Количество электрических операций может быть значительно увеличено за счет снижения номинальных характеристик контактов (например, с использованием реле на 10 А для цепей 5 А), и переменный ток почти всегда намного менее проблематичен, чем постоянный ток.

Это обсуждение охватывает демпфирующие цепи и другие меры, которые могут потребоваться для защиты контактов от нагрузки в Части 2.Это очень сложная тема, которая во многом зависит от точного характера нагрузки. Во многих случаях ничего не нужно делать, если напряжение и ток находятся в пределах номинальных значений производителя. В других случаях могут потребоваться крайние меры для предотвращения разрушения контактов. Наихудший вариант — постоянный ток, а высокое напряжение и / или большой ток потребуют очень специализированных релейных контактов и методов отключения дуги. Если возможно, подумайте о твердотельных реле для постоянного тока, потому что они не используют контакты, поэтому не могут создать дугу.

Это действительно наука сама по себе, и благодаря InterWeb вы можете найти много действительно хороших данных. К сожалению, может быть очень сложно найти информацию, которая одновременно актуальна и основана на фактах, поэтому не ожидайте найти то, что вам нужно на первой странице результатов поиска, и вообще игнорируйте сообщения форума или Usenet. Существует много дезинформации, и независимо от того, случайно ли она, намеренно или просто люди, утверждающие, что знают гораздо больше, чем они на самом деле, открыты для обсуждения.Достаточно сказать, что большая часть такой «информации» просто неверна.

В очень многих случаях единственный способ получить работающее решение — это метод проб и ошибок. Это особенно верно, если у вас тяжелая нагрузка — будь то питание постоянного тока, высокая индуктивность нагрузки или наличие высоких токов и напряжений. Для крупномасштабного производства получение индивидуального дизайна целесообразно, но затраты будут высокими и не могут быть оправданы для небольших серий или разовых проектов. Я рассмотрел очень небольшую часть возможных видов отказов и эрозии контактов — есть гораздо больше, чтобы узнать, если у вас есть склонность.

Распространенным способом обозначения расположения контактов реле является использование терминологии «форма». Например, вы увидите реле, обозначенные как «1 форма C» в таблицах данных, каталогах и даже на веб-страницах на сайте ESP. Эта терминология примерно эквивалентна, например, SPST или DPDT.

Форма A	Только нормально разомкнутые (NO) контакты
Форма B	Только нормально замкнутые (NC) контакты
Форма C	Переключающие контакты (нормально открытый, нормально закрытый и общий)

Итак, реле 1-Form-C имеет один набор переключающих контактов, 2-Form-A имеет два набора нормально открытых контактов и т. Д.

Казалось бы, это слишком просто, чтобы даже обсуждать, но это определенно иначе. Катушка представляет собой индуктор, и, поскольку она намотана на магнитный материал (обычно мягкий чугун или низкоуглеродистую сталь), индуктивность увеличивается. Это тоже нелинейно. Когда катушка не находится под напряжением, в магнитной цепи образуется большой воздушный зазор, а это означает, что индуктивность уменьшается. Как только реле находится под напряжением, магнитная цепь замыкается, или, по крайней мере, воздушный зазор становится намного меньше, поэтому теперь индуктивность выше.

Я использовал измеритель индуктивности, чтобы получить значения, показанные ниже, но если вам нужно точное измерение, вам придется использовать другой метод. Индуктивность связана с сопротивлением катушки постоянному току, и это изменяет показания, поэтому возникает значительная ошибка. Истинную индуктивность можно измерить, используя последовательно или параллельно настроенную цепь с конденсатором, чтобы получить низкочастотный резонанс (<100 Гц, если возможно), если вам действительно нужно реальное значение. Это не часто необходимо, и вам редко нужна высокая точность, и хотя измеритель индуктивности имеет довольно большую ошибку, использованную таким образом, но для этой цели он подходит.

Измерения измерителем индуктивности, снятые с двух реле, изображенных выше, дали показания …

Восьмеричное основание 10R	разомкнутое	335 мГн	186 Ом Сопротивление катушки
	закрыто	373 мГн
STC 4PDT	открытый	283 мГн	248 Ом Сопротивление катушки
	закрытый	303 мГн

Насколько велика ошибка? Я проверил восьмеричное реле с помощью серии 5.Конденсатор 18 мкФ и измерил пиковое напряжение на крышке (что указывает на резонанс) при 61 Гц с открытым якорем и 37 Гц с закрытым. Это дает индуктивность 1,3 Гн в разомкнутом состоянии, 3,6 Гн в замкнутом состоянии, поэтому погрешность существенная. Есть много возможностей для неправильного измерения частоты, потому что созданная « настроенная схема » имеет низкую добротность, а частотный диапазон довольно широк — ожидайте, что результат будет как минимум ± 25%, в зависимости от того, насколько точно вы можете получить пиковое напряжение при изменении частоты.Формула …

L = 1 / ((2 × π × f) ² × C)
L = 1 / ((2 × π × 61) ² × 5,18µ)
L = 1,3H

Хотя ошибка велика, простой факт заключается в том, что нам все равно. Я включил индуктивность исключительно для демонстрации того, что она изменяется в зависимости от положения якоря, но индуктивность катушки не предоставляется большинством производителей реле, потому что она вам не нужна. Эти данные предоставлены исключительно ради интереса. Поскольку индуктивность является частью «бытия» реле (так сказать), вы ничего не можете с этим поделать.

Комбинация индуктивности катушки и подвижной массы якоря означает, что реле будут иметь конечное время замыкания контактов. Фактическое время будет варьироваться от одного реле к другому, но неразумно предполагать, что оно будет меньше примерно 10 мс для типичного реле SPDT 10A (такого как реле Zettler, показанное на рисунке 1.2). Я провел тест, и это реле обеспечивает замыкание контактов за 9,8 мс, не считая времени дребезга контактов. Реле меньшего размера будут работать быстрее, а реле большего размера — медленнее. Это не то, что вы найдете в большинстве спецификаций, и единственный способ узнать, насколько быстро (или иначе) ваше реле, — это проверить его.

Поскольку катушка является индуктором, она также хранит «заряд» в виде магнитного поля. Когда напряжение снимается, магнитное поле очень быстро разрушается, и это создает большое напряжение на катушке. Стандартное решение — включить диод, подключенный, как показано ниже (рисунок 4.1A). Однако добавление диода означает, что реле будет срабатывать медленнее, чем без него, потому что обратная ЭДС генерирует ток, который удерживает реле в замкнутом состоянии до тех пор, пока он не рассеется в виде тепла в обмотке и диоде.Обратное напряжение будет пытаться поддерживать тот же ток, протекающий в катушке, который существовал, когда ток подавался. Конечно, это невозможно из-за потерь в цепи.

Поскольку катушка представляет собой индуктор, рабочий ток не достигается сразу после подачи питания. Например, с катушкой 280 мГн может потребоваться до 2 мс, прежде чем ток будет достаточным для притяжения якоря. Эта задержка обычно не является проблемой, но означает, что нельзя ожидать, что электромеханическое реле обеспечит точное время или мгновенное соединение.Если вам нужно, чтобы что-то произошло в очень точное время, вам нужно будет использовать твердотельное реле (дополнительную информацию см. Ниже).

Магнитная сила катушки реле определяется амперными витками, а сила тока определяется сопротивлением катушки. Предположим, в качестве примера, что реле необходимо 50 А / Т (ампер-витки) для надежной активации. Один виток на 50 А даст 50 А / Т, как и 10 витков на 5 А, но они непрактичны, если реле не предназначено для определения состояния перегрузки по току (используется, например, для пусковых переключателей электродвигателя).Будет более полезно иметь большее количество витков при меньшем токе, чтобы мы могли намотать 1000 витков на бобину. Провод будет достаточно тонким и может иметь сопротивление около 240 Ом. Теперь нам нужно всего 50 мА, чтобы получить необходимые 50 А / Т, поэтому подача 12 В даст 50 мА через обмотку 240 Ом. Поскольку имеется 1000 витков при 50 мА, это снова работает до 50 А / Т, поэтому у нас есть необходимая сила магнита и разумные напряжение и ток.

Обратите внимание, что эта информация представляет собой пример только , а фактические значения ампер-витков, необходимых для типичного реле, чертовски трудно найти в сети.Если вам действительно нужно знать, вам придется проверить это самостоятельно, добавив обмотку с известным числом витков. Если вы добавите 50 витков, и реле потянет на 600 мА, это будет 30 А / Т. Поскольку вам всегда нужно учитывать самонагрев катушки и / или более низкое, чем обычно, напряжение питания, вам нужно будет использовать больше витков или более высокий ток. Большинство реле рассчитаны на работу от половины до трех четвертей номинального напряжения. Реле на 12 В должно активироваться при напряжении от 6 до 9 В.

Примерно стандартная схема реле показана ниже вместе с полезной модификацией.На вход подается напряжение (обычно 5 В от микроконтроллера), которое включает Q1 и активирует реле. Без D1 напряжение на Q1 вырастет до более чем 400 В (измерено, но может легко превысить 1 кВ), когда транзистор выключен, что приведет к мгновенному отказу Q1. D1 (иногда называемый «свободно вращающимся» или «ловящим» диодом) действует как короткое замыкание на обратную ЭДС от катушки, поэтому напряжение на Q1 может возрасти только примерно до 12,6 В. Однако, пока между катушкой реле и D1 протекает достаточный ток, реле не сработает.Может пройти несколько миллисекунд, прежде чем якорь начнет возвращаться в исходное положение после выключения Q1.

Рисунок 4.1 — «Стандартная» и модифицированная схема переключения реле

Я тестировал реле с катушкой на 270 Ом и индуктивностью 380 мГн, хотя последнее в большинстве случаев не является указанной характеристикой. Если вам нужно знать индуктивность, вам, вероятно, потребуется ее измерить. С одним диодом в цепи поддерживается достаточный ток катушки, чтобы реле оставалось включенным в течение некоторого времени после выключения Q1.Время высвобождения — это сочетание электрических и механических воздействий. Если резистор (R2) совпадает с сопротивлением катушки, обратное напряжение будет ограничено до удвоения напряжения питания, с которым легко справится используемый мной транзистор.

Вы также можете использовать стабилитрон и диод, обычно используя стабилитрон на 12 В. Он может быть рассчитан на удвоение приложенного напряжения, и в этом случае пиковое напряжение будет примерно в 3 раза больше напряжения питания. Стабилитрон немного лучше, чем показанная комбинация диод / резистор, и более подробно это показано ниже.На графиках ниже показано поведение схемы с резистором и диодом и без них. Измеренные 400 В и более вполне типичны для всех реле, поэтому диод всегда включен. Такие большие пики напряжения мгновенно разрушают большинство транзисторов, и хотя можно использовать транзисторы высокого напряжения, это просто увеличивает стоимость. Обратное напряжение создается точно так же, как в стандартной системе зажигания Kettering, используемой в автомобилях, но без вторичной обмотки. Это также принцип, лежащий в основе трансформатора обратного хода, используемого в горизонтальной выходной секции телевизора с ЭЛТ (помните их?) Или источников питания с обратным переключением.

Были проведены заводские испытания, чтобы увидеть, сколько напряжения создается и как быстро может работать довольно типичное реле. Для испытаний я использовал реле «Low Cost SPDT», показанное на рисунке 1.2. Результаты были чем-то вроде откровения (а я уже знал о дополнительной задержке, вызванной диодом!). Реле, которое я использовал, имеет катушку 12 В, 270 Ом и надежные контакты (рассчитанные на 10 А при 250 В переменного тока). При отсутствии защиты от противо-ЭДС реле замыкает нормально замкнутые контакты (т. Е. Реле полностью отпущено) в 1.12 мс — это намного быстрее, чем я ожидал, но обратная ЭДС была выше 400 В — она ​​несколько менялась, так как контакты переключателя искрились в нескольких тестах. Когда был добавлен диод, время отпускания увеличилось до 6 мс, что является значительным увеличением, но, конечно, не было обратной ЭДС (хорошо, было 0,65 В, но мы можем это игнорировать). При использовании метода диод / резистор, показанного выше, время отпускания составляло 4 мс, а максимальная обратная ЭДС составляла 24 В (вдвое больше напряжения питания). Это разумный компромисс, поскольку существует множество транзисторов с номинальным напряжением, которые подходят для этой цели.

Рисунок 4.2 — Напряжение обратного хода реле

Синяя кривая показывает, когда замыкается размыкающий контакт при отпускании реле, и имеет значение от нуля до 12 В. Пиковое напряжение реле ((A) — без диода), измеренное на моем осциллографе, превышало 400 В, и из-за диапазона напряжений видно мало деталей о падении напряжения. В обоих случаях реле были подключены таким же образом, как показано на рисунке 4.1, но с использованием переключателя вместо транзистора. Вторая кривая показывает время отпускания и скачок напряжения, когда диод и резистор 270 Ом используются для увеличения скорости отпускания.Диод не является важным, но без него схема реле будет потреблять в два раза больше тока, чем требуется, из-за тока через резистор. Обратите внимание, что горизонтальный масштаб составляет 1 мс / деление в (A) и 2 мс / деление в (B), а вертикальный масштаб для обратной ЭДС реле (желтые линии) также изменен с 100 В / деление (A) до 10 В / деление в (B).

Изгиб кривой напряжения реле вызван смещением якоря от полюсного наконечника реле и уменьшением индуктивности.Контакты «NC» замыкаются при срабатывании реле. Как видите, это 4 мсек после отключения реле (с установленным резистором + диодом). Без подавления обратной ЭДС реле будет отключаться быстрее, потому что ток прерывается почти мгновенно (исключая, конечно, искрение переключателя).

Эти графики являются только репрезентативными, так как разные реле будут иметь разные характеристики. Вы можете запускать свои собственные тесты, и я рекомендую вам это сделать, но во всех случаях поведение будет похоже на показанное.После замыкания нормально разомкнутых контактов я измерил дребезг контактов 2,5 мс (не показано на графиках выше). Эти тесты могут быть немного утомительными, но очень поучительными.

Когда сопротивление резистора равно внутреннему сопротивлению катушки, обратная ЭДС всегда будет в два раза больше приложенного напряжения. Если резистор в 10 раз превышает сопротивление катушки, пиковое напряжение будет в 10 раз больше приложенного напряжения (оба плюс одно падение напряжения на диоде 0,7 В). Это соотношение полностью предсказуемо и работает практически для любого номинала катушки и внешнего резистора.Он просто основан на токе реле. Если реле потребляет 44 мА, коллапсирующее магнитное поле будет пытаться поддерживать тот же ток. 44 мА на внешнем резисторе 270 Ом будут генерировать 12 В, а если сопротивление резистора 2,7 кОм, напряжение должно быть 120 В (достаточно близко).

Хотя этот трюк был распространен в ранних электрических часах (но без диода, потому что они не были изобретены в то время), похоже, что мало кто использует его. Это позор, потому что он работает хорошо, ограничивает пиковое напряжение до чего-то разумного и сокращает время срабатывания реле по сравнению с использованием только диода.

Если вы посмотрите достаточно внимательно, вы найдете это упомянуто в нескольких местах, и было указано ^[8] , что простое использование диода может привести к слишком медленному срабатыванию реле, чтобы прервать «прихваточную сварку», которая может произойти, если контакты должны замыкаться при высоких пусковых токах. Это может произойти из-за того, что физическое движение якоря замедляется, и он не развивает достаточной внезапной силы, чтобы сломать сварной шов. Это намного сложнее, чем просто дополнительная задержка, когда диод размещается параллельно катушке.

Схема стабилитрона, показанная выше, может быть немного дороже, чем резистор, но она позволяет реле отключаться намного быстрее. Чаще всего используется стабилитрон, рассчитанный на то же напряжение, что и катушка реле и источник питания. В примере время восстановления составило 2,6 мс, что значительно быстрее, чем при использовании резистора и диода (4 мс). Стабилитрон с более высоким напряжением снова будет работать быстрее, с стабилитроном 24 В, обеспечивающим время отпускания 1.84 мс. Если напряжение слишком высокое, вам может потребоваться более дорогой транзистор привода для получения номинального напряжения, но использование более чем удвоенного напряжения питания не сильно улучшит ситуацию. В целом, такое расположение, вероятно, лучший компромисс. Это быстрее, чем резистор, и не требует больших дополнительных затрат и не требует от вас покупки деталей, которые могут быть недоступны в вашем местном магазине электроники.

Я также протестировал показанную схему с керамическим конденсатором емкостью 100 нФ, подключенным параллельно катушке.Напряжение обратного хода составило 86 В, а реле сработало через 1,23 мс. Это хороший результат, но напряжение выше желаемого, а цоколь должен быть высоконадежным, чтобы обеспечить долгий срок службы. Это делает его более дорогим, чем другие варианты, но могут быть ситуации, когда он окажется лучшим выбором для приложения, с последовательным резистором или без него.

Могут быть использованы другие методы подавления переходных процессов, которые не сильно влияют на скорость расцепления якоря, включая использование тщательно подобранного диода TVS , низковольтного MOV или демпфирующей цепи резистора / конденсатора.Последнее, как правило, не является рентабельным и редко используется сейчас, но было довольно распространено в ранних системах и до сих пор используется с катушками реле переменного тока. Если реле должны использоваться для достижения максимальных номинальных значений контактов, имейте в виду, что они часто указываются без подавления обратной ЭДС, что обеспечивает максимально быстрое время размыкания контактов. Если вы решите использовать TVS, вам потребуется либо двунаправленный тип, либо последовательно добавить диод. MOV будут работать хорошо, но их напряжение зажима — это что-то вроде лотереи, поэтому вам необходимо предусмотреть запас прочности для максимального номинального напряжения переключающего транзистора, который соответствует диапазону напряжения MOV (или TVS — они тоже не являются точными устройствами).

А как насчет номиналов диодов? Диод должен быть рассчитан как минимум на полное напряжение питания. Эта часть проста, потому что диод 1N4004 не только широко распространен, но и дешев, как микросхемы. Не так много приложений, где вам нужны катушки реле с напряжением более 400 В. Может возникнуть соблазн использовать диоды 1N4148, и хотя их номинальное напряжение обычно в порядке, они довольно хрупкие, а их номинальный ток составляет всего 200 мА непрерывного или 1 А пикового (1 секунда, без повторения). Я не доверяю им ни в чем другом, кроме выпрямителей сигналов, но во многих коммерческих продуктах они используются через реле.

Номинальный ток диода в идеале должен быть как минимум таким же, как ток обмотки реле, не потому, что это необходимо, а для обеспечения надежности и долговечности. Для большинства реле общего назначения хорошим выбором является 1N4004 — постоянный ток 1 А, неповторяющийся импульс 30 А (8,3 мс) и напряжение пробоя 400 В. Помните, что пиковый ток через диод будет таким же, как ток обмотки реле, поэтому, если у вас есть (большое) реле, которое тянет ток обмотки 2 А, вам понадобится диод с номиналом не менее 2 А, а желательно больше.Вы можете рассчитывать на номинальный импульсный ток диода, но лучше предусмотреть значительный запас прочности. Стоимость незначительна.

Итак, вы, возможно, думали, что катушки реле были простыми, и вам нужно только добавить диод, чтобы управляющий транзистор не разрушился при выключении. Теперь вы знаете, что это на самом деле удивительно сложная область, и есть много вещей, которые необходимо учитывать, чтобы обеспечить надежность и долговечность. Только благодаря исследованиям и тестированию вы узнаете о влиянии различных техник подавления и ограничениях, которые каждая налагает.

Чтобы еще больше запутать ситуацию, некоторые реле спроектированы таким образом, что катушки могут работать от переменного тока без какого-либо заметного «дребезжания» (вибрации, вызывающей шум — часто очень слышимой) и, возможно, постоянного дребезга контактов. Реле переменного тока обычно могут работать от постоянного тока с некоторыми оговорками, но катушка реле постоянного тока никогда не должна использоваться с переменным током. В более крупных реле переменного тока используются полюс, ярмо и якорь из многослойной стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи, которые могут вызвать перегрев, но обычно это не проблема для сравнительно небольших реле.Ток, протекающий в катушке реле постоянного тока, определяется ее сопротивлением, но когда используется переменный ток, возникает комбинация сопротивления и индуктивного реактивного сопротивления, охватываемая термином «импеданс». Если производитель не сообщает вам ток катушки, его необходимо измерить, поскольку его нельзя определить путем измерения сопротивления катушки.

Есть небольшой секрет того, как заставить катушку работать с переменным током, и это называется «затеняющим» кольцом (или затеняющей катушкой). Если вы внимательно посмотрите на фото большего восьмеричного реле на рисунке 1.2, вы можете его увидеть (ну, хорошо, вы не можете его четко увидеть, поэтому вместо этого посмотрите на рисунок 4.4). В верхнюю часть полюса вдавлен толстый кусок покрытой меди, который действует как закороченный виток, но только на половине диаметра центрального полюса. Закороченный виток вызывает противофазный ток в его части полюса, который продолжает создавать небольшое магнитное поле, когда основное поле проходит через ноль. Каким бы маловероятным это ни казалось, оно работает настолько хорошо, что реле переменного тока, изображенное выше, почти полностью бесшумно, без дребезга.

Рисунок 4.4 — Затеняющее кольцо реле переменного тока

Это тот же принцип, что и в двигателях переменного тока с расщепленными полюсами (поищите его, если вы никогда не слышали этот термин). Небольшого магнитного поля, создаваемого затеняющим кольцом, достаточно для удержания якоря реле в замкнутом состоянии, когда основное поле проходит через ноль, устраняя дребезг и / или высокоскоростные движения контактов, которые в конечном итоге изнашивают контакты просто механическим движением. Дребезжание контактов также создаст небольшие дуги с высокими токовыми нагрузками, которые повредят контакты и, возможно, нагрузку.

переменного тока можно использовать с постоянным током, но могут возникнуть некоторые проблемы. Вам нужно будет уменьшить напряжение постоянного тока настолько, чтобы катушка могла надежно втягивать реле, но без перегрева. Вы также можете столкнуться с возможным заеданием арматуры — подробнее об этом явлении см. Ниже. В моем случае реле на 32 В переменного тока отлично работает с 24 В постоянного тока, но потребляет почти вдвое больший ток, чем при переменном токе. Катушка имеет сопротивление 184 Ом и потребляет 62 мА при 32 В переменного тока — полное сопротивление 516 Ом.Для примерно того же тока должен работать при постоянном токе не более 12 В, но при таком напряжении он не будет работать. При 24 В постоянного тока катушка потребляет 129 мА и рассеивает более 3 Вт, что приводит к перегреву. Ток втягивания при 32 В переменного тока составляет 104 мА, поскольку индуктивность мала, когда якорь открыт и потребляется больший ток. Это означает, что при открытом якоре полное сопротивление составляет всего 307 Ом.

Никогда не используйте реле постоянного тока с переменным током на катушке, так как оно будет сильно дребезжать и может нанести себе травму из-за быстрой вибрации якоря.Контакты почти наверняка будут замыкаться и размыкаться с частотой, в два раза превышающей частоту сети (100 или 120 Гц). Если вы должны управлять реле постоянного тока от источника переменного тока, используйте мостовой выпрямитель и фильтрующий конденсатор. Время отпускания будет зависеть от значения крышки фильтра, сопротивления катушки и т. Д. Если на катушке реле есть конденсатор емкостью более нескольких микрофарад (конечно, в зависимости от размера реле), вам не нужен диод, потому что конденсатор будет поглощать и гасить небольшую обратную ЭДС. Вы можете включить диод, если хотите — он ничего не повредит, но и пользы не принесет.

Ярмо и якорь большинства реле изготовлены из мягкой стали, а не из «мягкого железа», о котором вы увидите во многих статьях. Низкоуглеродистая сталь магнитно «мягкая» в том смысле, что она не очень хорошо сохраняет магнетизм (удерживание магнитного поля называется остаточной намагниченностью), но у нее есть некоторая остаточная намагниченность, поэтому она может слегка намагнетиться. Это может привести к прилипанию якоря к полюсу, и это может стать реальной проблемой. Если якорь заедает, контакты не вернутся в «нормальное» состояние после снятия тока катушки.Это можно преодолеть с помощью более сильной пружины, но тогда катушке требуется больший ток, чтобы втянуть якорь против натяжения, создаваемого пружиной.

Во многих реле постоянного тока центральный полюсный наконечник может иметь либо очень тонкий слой немагнитного материала наверху (там, где якорь соприкасается), либо крошечный медный штифт, расположенный так, чтобы якорь не мог создать полностью замкнутый магнитный цепь. Этого небольшого зазора должно хватить, чтобы реле всегда могло отпускать , не прибегая к более сильной пружине.Вы почти наверняка увидите, как этот метод применяется в «чувствительных» реле — тех, которые предназначены для работы с минимально возможным током.

С катушками реле переменного тока, если вам нужно подавление обратной ЭДС, вы должны использовать двунаправленную (неполяризованную) схему. Это может быть TVS с подходящим номинальным напряжением для обработки пикового напряжения переменного тока, два встречных стабилитрона, опять же с номинальным напряжением, превышающим пиковое напряжение переменного тока, или «демпферная» сеть резистора / конденсатора.Может потребоваться более высокая обратная ЭДС, чем вы могли бы предпочесть, чтобы гарантировать, что якорь вернется в «исходное» положение без замедления схемой подавления.

В этой статье не рассматриваются подробно схемы привода. Это просто потому, что существует так много возможностей, что можно было бы охватить только небольшой выбор. Общие схемы показаны в этой статье, но есть много других, которые тоже подойдут.

Я показал самый простой привод на транзисторе NPN, в котором катушка реле подключается к шине питания, а схема возбуждения подключает другой конец к земле / земле. Вместо этого можно использовать транзистор PNP, но он используется для переключения питания на катушку реле (другой конец заземлен). Реле могут приводиться в действие повторителями эмиттера, но это не очень полезно в качестве автономной схемы переключения, но может быть полезно в некоторых случаях. Некоторые реле с особенно низким током катушки могут управляться непосредственно с выхода операционного усилителя, и использование таймеров 555 в качестве драйверов реле также является обычным явлением.

Вы также можете использовать маломощные полевые МОП-транзисторы (например, 2N7000), а когда-то давным-давно даже клапаны использовались для управления катушками реле в некотором раннем тестовом оборудовании и промышленных контроллерах. Существуют специальные микросхемы, которые можно использовать, и, конечно, любое реле можно активировать с помощью переключателя (почти любого типа) или другого реле. Вы можете сделать это, если цепь с низким энергопотреблением должна управлять нагрузкой высокой мощности, а реле используются в качестве формы усиления. Например, ваша схема может иметь герконовое реле, переключающее мощность на сверхмощное реле, которое подает питание от сети на катушку контактора (если вы помните из вступления, контактор — это просто большое реле на самом деле ).

Там, где время выключения особенно критично, могут быть уместны полевые МОП-транзисторы с управляемой лавиной. Они специально разработаны, чтобы позволить любому переходному перенапряжению безвредно рассеиваться в паразитном диоде с обратным смещением, который является стандартной функцией всех MOSFET. Не толкайте полевые МОП-транзисторы, не относящиеся к категории и конкретно , рассчитанные на лавинную работу (такие устройства могут быть классифицированы как «защищенные» или рассчитанные на лавинную нагрузку), до пробоя прямого напряжения. Для большинства релейных приложений я бы даже не рассматривал этот подход, поскольку он просто не нужен для большинства «обычных» схем управления.Если вы хотите поиграть с лавинными МОП-транзисторами, IRF540N — это недорогой МОП-транзистор, который должен выжить без диода, подключенного параллельно катушке.

Управление катушками реле переменного тока обычно осуществляется с помощью переключателя или другого реле. Конечно, можно создать электронную схему, которая может управлять катушкой переменного тока, но в целом это бессмысленное занятие. Подавляющее большинство всех систем управления будут использовать катушки постоянного тока, и это редкий случай, когда катушки переменного тока являются единственным реле, которое вы можете получить, которое будет управлять мощностью управляемой системы (какой бы она ни была).Если это относится к микроконтроллеру или другому контроллеру на базе ИС, то гораздо проще использовать реле с катушкой постоянного тока для переключения питания на катушку реле переменного тока.

Вы должны знать, что включение или выключение катушки реле может вызвать переходные процессы в цепи низкого уровня. Компоновки печатных плат обычно должны быть тщательно оптимизированы, чтобы гарантировать, что питание реле, включая цепь возврата / заземления / заземления, изолировано от источника питания, используемого для схемы низкого уровня. Если этого не сделать в аудиосхемах, при срабатывании реле могут быть слышны щелчки и хлопки.Для систем управления или измерения переходные процессы обмотки реле могут интерпретироваться как действительные данные, вызывая ошибки на выходе. Если вы выберете схему, использующую, например, диод и стабилитрон, переходный процесс при выключении будет очень быстро , что повышает вероятность возникновения переходных процессов в окружающих схемах.

Если довести реле до крайности, у вас может быть даже релейная логика! Раньше это было довольно распространено для контроллеров процессов и других промышленных систем, где управляющие переключатели и релейные контакты скомпонованы для создания основных логических вентилей — И, И НЕ, ИЛИ, ИЛИ и НЕ (инвертор) и исключающее ИЛИ.Одна из наиболее распространенных (и сложных) форм релейной логики использовалась в коммутаторах телефонных станций («центральных офисов»). Они интерпретировали набранный номер и перенаправляли вызов в запрошенное место назначения — часто через несколько коммутаторов. В обменных переключателях использовалась комбинация обычных реле и поворотных «шаговых» реле. Униселектор работал на одной (поворотной) оси, а пошаговый двухосевой шаговый двигатель (одна поворотная и одна вертикальная) был широко известен как переключатель Строуджера в честь его изобретателя.Позже обменные переключатели использовали матричный переключатель с перекладиной, причем последний из них управлялся электроникой.

Диаграммы, используемые для описания релейной логики, обычно называют «лестничными» диаграммами, и вы также увидите, что используется термин «лестничная логика». Раньше (и, возможно, до сих пор в некоторых случаях) это обязательная область исследования для всех, кто занимается промышленной электроникой. Она настолько укоренилась, что многие системы управления на базе микропроцессоров все еще программируются с использованием релейной диаграммы, хотя большинство функций реализовано в программном обеспечении.Одно руководство, которое я видел для «логического реле», растянуто почти на 300 страниц!

Рисунок 5.1 — Логические схемы реле

На трех приведенных выше рисунках показаны основные логические блоки — вентили И, ИЛИ и XOR (исключающее ИЛИ). Диоды для ясности опущены. При использовании логического элемента И вход 1 И Вход 2 должен иметь высокий уровень, чтобы активировать два реле, и цепь замкнута. Во втором случае, если Input1 OR Input2 высокий, цепь завершена. Это остается так, если один или оба входа являются высокими.Последний — это вентиль XOR . Выход будет утвержден , только , если Input1 и Input2 разных . Если оба высокие или низкие, цепь не замкнута. Обратные версии (NAND, NOR) достигаются простым использованием нормально замкнутых контактов вместо нормально разомкнутых, как показано. Для логического элемента XOR нет обратного. Инвертированная логика может использоваться с реле так же, как и с полупроводниковой логикой.

Это очень специализированная область, и, хотя очевидно, что некоторые ранние релейные логические системы все еще используются, в большинстве случаев они будут заменены много лет назад.В отличие от микроконтроллера, перепрограммирование настоящей релейной логической системы обычно выполняется с помощью жесткой проводки. Все необходимые входы подаются к основному «логическому» блоку, а выходы управляют оборудованием.

Входы могут включать в себя кнопки, датчики давления, концевые выключатели, термодатчики, магнитные датчики и / или выходные сигналы от другого логического блока реле. Выходы обычно представляют собой двигатели, нагреватели, клапаны для воды, гидравлической жидкости, газа и т. Д. Обычно не термоэлектронные клапаны (также известные как «трубки»), хотя это тоже возможно — например, старые высокомощные усилители RF для систем высокочастотной сварки. .

Еще одно связанное применение реле — это матрица переключения. Коммутаторы коммутационной телефонной станции являются одним из примеров, но матричные переключатели используются для перенаправления всех видов сигналов в требуемое место назначения и для направления выходов другого оборудования в нужное место. Управление технологическим процессом, автоматизированное испытательное оборудование, матрицы переключения аудио, видео и RF — это лишь некоторые из возможностей. Герконовые реле особенно хорошо подходят для систем матричной коммутации для сигналов малой мощности.

Релейная логика и матричная коммутация — обширные темы, и я не собираюсь вдаваться в подробности.Информации так много, а приложения настолько разнообразны, что даже поверхностное прикосновение заняло бы несколько книг. Если вас это вообще интересует, стоит поискать «релейная логика» или «релейная матрица» — вы будете удивлены количеством веб-страниц, посвященных этим темам.

В наиболее подробных спецификациях реле указаны напряжения срабатывания (или срабатывания) и отпускания (отпускания). Они сильно различаются в зависимости от конструкции реле, но вы можете увидеть цифры, которые показывают, что конкретное реле должно срабатывать при 75% номинального напряжения и должно срабатывать, когда напряжение падает до 25% от номинального напряжения.Исходя из этого, типичное реле на 12 В должно срабатывать при напряжении около 9 В и отпускаться, когда напряжение упадет до 3 В. Это тест, который вы можете запустить самостоятельно, но в большинстве случаев это не имеет большого значения. Напряжения втягивания и отпускания также могут называться напряжениями «должен срабатывать» и «должен отпускаться», и они различаются в зависимости от реле.

Большинство схем предназначены для быстрого переключения питания на реле, обычно с использованием схемы, подобной показанной на рисунке 4.1. Полное напряжение появляется практически мгновенно, а при выключении транзисторного ключа ток питания немедленно прерывается. Ток реле продолжает течь через диод, но это не влияет на фактическое напряжение, при котором реле срабатывает. Эти цифры говорят нам о том, что после включения реле значительно более низкое напряжение и ток будут удерживать его во включенном состоянии. Это означает, что можно уменьшить ток и держать реле под напряжением. Это приводит нас к…

Есть одно приложение, в котором необходимо знать отпускающее или отпускающее напряжение. В некоторых системах (особенно с батарейным питанием) может быть важно получить максимально возможную эффективность от реле. Это означает, что на катушку подается низкий ток удержания после срабатывания реле. Это минимальный безопасный ток, при котором реле будет оставаться под напряжением, и соответственно уменьшится разряд батареи.Ранние системы использовали резистор, но теперь доступны ИС, которые используют PWM для изменения текущего профиля после того, как реле установило ^[3] .

При первой активации катушка реле получает полное напряжение и ток в течение заданного периода времени, после чего схема снижает ток до известного значения, которое будет поддерживать реле под напряжением. Если вы планируете использовать этот тип устройства, вам необходимо знать индуктивность катушки, потому что это необходимо, чтобы можно было установить правильную частоту переключения ШИМ.Тем не менее, простая система, подобная показанной ниже, может быть всем, что вам нужно. У него не такая высокая эффективность, как у импульсного решения, но он прост, дешев и эффективен. Я предположил, что сопротивление катушки реле составляет 270 Ом.

Рисунок 6.1 — Цепи КПД простого и ШИМ-реле

Если посмотреть на простую цепь дистанционного управления, когда Q1 включен, C1 разряжается и может заряжаться только через катушку реле. Таким образом, катушка получает полное напряжение и ток при включении Q1, но по мере заряда C1 они уменьшаются.В конечном итоге он будет уменьшен ровно до половины нормального тока, в данном случае около 22 мА вместо 44 мА. Тот же трюк можно использовать с более высокими, чем обычно, напряжениями питания, позволяя резистору ограничивать ток до безопасного удерживающего значения, но обеспечивая «повышенный» ток при включении реле. Подача напряжения до 24 В или около того на катушку 12 В обычно не повредит ее, при условии, что длительный рабочий ток не превышает номинального значения. В большинстве случаев ток катушки можно уменьшить вдвое, и реле не сработает.Конечно, это необходимо проверить и проверить. Конденсатор следует выбирать таким образом, чтобы постоянная времени составляла не менее 100 мсек, что обычно достаточно для правильного включения реле. Постоянная времени определяется как …

t = R × C, где R — последовательное сопротивление в омах (R2), а C — в фарадах (C1)
t = 270 × 470 мкФ = 126 мс

Можно использовать конденсатор большего размера. Цель состоит в том, чтобы реле получало не менее 90% полного номинального тока обмотки в течение не менее 5 мс для типичных небольших реле.Колпачок 470 мкФ с протестированным реле дает ток катушки 40 мА или более в течение более 13 мс — хороший результат. Реле для тяжелых условий эксплуатации может потребовать больше времени, а емкость конденсатора должна быть больше, чем определено из приведенных выше расчетов. Максимального значения нет, и все ограничения (выше рекомендованного минимума) будут работать, но если они будут слишком большими, они будут физически больше и дороже, чем это необходимо для надежной работы. Всегда тщательно проверяйте свою последнюю схему, чтобы убедиться, что она каждый раз работает.

Драйвер широтно-импульсной модуляции (ШИМ) немного сложнее понять, если вы не знакомы с схемами ШИМ, питающими индуктивные нагрузки.Драйвер PWM является только символическим и не представляет собой какое-либо конкретное устройство. «Ct» — это временная граница, используемая для установки рабочей частоты. Когда цепь срабатывает, реле получает постоянный ток в течение заданного времени (возможно, 1/2 секунды или около того — форма волны не масштабируется). Затем внутренний транзистор быстро включается и выключается, обычно с частотой 20 кГц или более. D1 теперь либо очень быстрый, либо предпочтительно диод Шоттки, и каждый раз, когда переключатель выключается, обратная ЭДС поддерживает ток через катушку.Если конечный рабочий цикл составляет 50%, то средний ток через катушку и диод будет 50% от максимального (с 44 мА до 22 мА для демонстрационного реле). Преимущество заключается в том, что внешний резистор не теряет мощность, а из-за схемы переключения ток, потребляемый от источника питания, будет только 11 мА … в идеальном мире. В действительности будут некоторые потери, поэтому ток питания может быть немного выше, чем в идеальном случае.

ИС драйвера представляет собой импульсный стабилизатор, поэтому общий КПД намного выше, чем у версии с резистором и конденсатором.Стоимость — относительная сложность, а микросхемы дороже транзисторов, но если время автономной работы имеет первостепенное значение, у вас нет другого выбора, кроме как использовать реле с защелкой. Снижение тока может стоить затраченных усилий, если вам нужно сэкономить электроэнергию. Во многих случаях микроконтроллер может быть запрограммирован на то же самое, управляя переключающим транзистором вместо специальной ИС. В идеале, если вы планируете использовать схему КПД ШИМ, по возможности используйте реле, предназначенные для этой цели.Реле общего назначения (сплошное ярмо и якорь) могут перегреться из-за потерь на вихревые токи, если ток пульсации через катушку слишком велик.

Я провел тест схемы эффективности ШИМ на реле общего назначения на 12 В с номинальной катушкой 240 Ом и индуктивностью, измеренной при 300 мГн. Даже при частоте сигнала возбуждения 1 кГц в ярме был обнаружен лишь очень незначительный нагрев. Для «основного» теста я использовал диод 1N4148 и транзистор BC550 (ни один из них не идеален, но оба работали почти холодными) и управлял базой с прямоугольной волной 5 кГц.Входной ток составлял 48 мА в установившемся режиме на входе и упал до 11,7 мА при подаче прямоугольной волны 50/50. Хотя напряжение на катушке варьируется во всем диапазоне 12,8 В (прямое напряжение диода добавляется к напряжению питания), ток через катушку довольно стабильный и составляет 23,4 мА с пульсацией около 5 мА, поэтому потери на вихревые токи ниже вы могли ожидать. Волна с быстрым переключением будет вызывать помехи в сигналах низкого уровня, которые находятся поблизости, и это, вероятно, исключит управление ШИМ в аудио или тестовых и измерительных приложениях.

Обратите внимание, что измеренная индуктивность неверна в соответствии с тестом на низкой частоте, как описано ранее, но нам все равно. Большинство измерителей индуктивности тестируют на довольно высокой частоте, и ШИМ тоже выполняется на высокой частоте. Измеренная индуктивность является хорошим индикатором минимальной частоты ШИМ, которую можно использовать, и если окажется, что она выше измеренной, это просто означает, что при работе ШИМ меньше пульсаций тока.

Независимо от типа цепи, оптимальный ток удержания может быть больше или меньше 50%, используемых в качестве примера.Это означает, что номинал резистора может не совпадать с сопротивлением катушки, но регулируется в соответствии с реле. Точно так же может потребоваться изменить рабочий цикл схемы ШИМ в соответствии с реле. Цифра 50% работает с большинством реле, но некоторые будут довольны меньшим, другим может потребоваться больше.

Неожиданное преимущество использования схемы «эффективности» (активной или пассивной) состоит в том, что время срабатывания реле сокращается из-за гораздо более низкого магнитного поля и меньшей обратной ЭДС.Однако это то, что вам нужно будет тщательно протестировать для вашего конкретного приложения, потому что каждый тип реле будет несколько отличаться от других, даже если внешне такой же.

Имейте в виду, что катушка реле чувствительна к температуре из-за теплового коэффициента сопротивления медного провода (около 0,004 / ° C). Это может быть приблизительно 4% изменения сопротивления на каждые 10 ° C. Когда катушка реле горячая, напряжение срабатывания увеличивается пропорционально температуре.Это может быть связано с тем, что змеевик проработал некоторое время и стал теплым (или горячим), или из-за высокой температуры окружающей среды. Падение напряжения также будет увеличено, поэтому реле может срабатывать при более высоком напряжении, чем ожидалось. Для большинства схем это не проблема, но в некоторых приложениях вам может потребоваться это учитывать.

В сети есть по крайней мере одна версия очень некорректной схемы эффективности. В схеме используются нормально замкнутые контакты для короткого замыкания последовательного резистора, поэтому, когда реле срабатывает, короткое замыкание устраняется, и резистор находится в цепи.Есть только одна проблема — реле включается последовательно с катушкой до того, как якорь реле контактирует с полюсным наконечником . Это означает, что реле, вероятно, никогда не замкнется должным образом, потому что его полный ток недоступен достаточно долго. Если контактное давление слишком низкое (а оно почти наверняка будет), сопротивление может быть намного выше, чем должно быть, что приведет к выходу из строя контакта или может вообще не войти в контакт. Идея может работать с одним реле , а с другими совсем не работать.Было бы неплохо, если бы ей можно было доверять, но это слишком рискованно для приложения с высоким током. Настоятельно рекомендую избегать копирования ошибки. Я проверил его, и реле сработало ровно настолько, чтобы размыкать контакты NC, но недостаточно, чтобы закрыть контакты NO. Якорь находился в подвешенном состоянии, примерно на полпути. Эпический провал .

Техника, которая когда-то была возможной, заключалась в использовании лампы накаливания последовательно с катушкой реле. При тщательном выборе холодное сопротивление лампы позволит реле надежно включиться, но по мере того, как нить накаливания нагревается, сопротивление увеличивается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между лампой и катушкой.К сожалению, это больше не вариант, потому что ассортимент подходящих ламп накаливания сократился до такой степени, что будет сложно найти лампу с необходимыми характеристиками. Использование серийной лампы никогда не было «прецизионной» техникой, но пользователь обычно мог найти подходящую лампу. Сейчас это будет очень сложно, но вам может повезти и вы найдете именно ту лампу, которая подходит для используемого реле. Однако не рассчитывайте на это.