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如何不让好用的继电器浪费电?

我对继电器是又爱又恨,这类机电元件(你可以认为它们是主动或被动元件)是电子工程工具套件中最早问世的元件之一;尽管现在已有替代元件能在某些情况下取代继电器,但...

虽然继电器(relay)运作时耗电量大,但仍然是设计工程师百宝箱中最有用的元件之一,此弱点可以透过一些非静态驱动器和专用IC来克服。XPiesmc

老实说,我对继电器是又爱又恨,这类机电元件(你可以认为它们是主动或被动元件)是电子工程工具套件中最早问世的元件之一;尽管现在已有替代元件如固态继电器( SSR)和光耦合器(光隔离器),能在某些情况下取代继电器,但在许多情况下,继电器仍然是最佳或唯一的解决方案。XPiesmc

为什么不是呢?没错,继电器是「老古董」了,或许并没有很多菜鸟工程师给予它应有的尊重或考量,但市场上具有规格极其广泛、数不清的继电器型号,这足以证明其价值。我相信继电器每年的销售量都有数百万颗(而且我们还没考虑RF继电器)。XPiesmc

让我们面对现实:继电器容易使用,尺寸也容易调整,输入线圈和输出触点可以有完全不同的额定值(包括电流、电压、AC和DC);触点在很大程度上是不挑讯号的;触点很容易「浮动」(未接地);触点配置可以针对具体情况而变化,包括常开(NO)、常闭(NC),同时NO和NC;还有多个独立的极点(pole)以及各种安装方式,以上只是几个例子。XPiesmc

它的另一个主要优点是线圈驱动侧电路和触点闭合侧之间是绝对隔离的。简而言之,继电器可以做很多事情,但不会出现令人头痛或意外的情况。此外,如果在规格范围内使用,一颗高品质继电器具有超过百万次的使用寿命,还有什么不好的?XPiesmc

实际上,继电器的确有一个缺点,就是其固有的物理缺陷:耗电量大──它的「近亲」螺线管(solenoid)也有这种缺陷。作为一种基于磁场能量的元件,它需要电流激励线圈,而电流就意味着耗散功率(这显然是一种浪费)和发热(这会产生严重的后果)。XPiesmc

幸运的是,有一些方法可以解决这个难题。首先,我们要知道继电器的「保持」(hold)电流通常约为其吸合(pull-in)电流的一半,有鉴于此,有不少聪明人想出将电容应用于例如RC计时电路、古老的555计时器等其他电路中,将继电器电流从其较高的吸合值切换到较低的保持值。虽然这些解决方案得付出一些代价,但还是值得的,这样就可以摆脱过去那种简单的「通电后就放任不管」的做法,从而减少不必要的耗电。XPiesmc

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图1:驱动继电器的直接而明显的方法是施加开/关电压(Case 1),但这会浪费电;较好的方法是使用处理器驱动的PWM讯号(Case 2),甚至可以藉由专用IC完全控管继电器的运作(Case 3)。
(图片来源:TI)XPiesmc

例如,可以采用具有可变占空比的PWM设计方案,这是降低功耗的常用技巧,如图1 (Case 2);随着占空比减小,平均功耗也会降低。其中的「撇步」是不管占空比如何,要保持脉冲速率足够高,以便继电器的时间常数可以平均电流和合力。有鉴于继电器是一种机电元件,产生如此高重复率的PWM讯号原则上不是问题,但实际上它会给微控制器带来负担。XPiesmc

IC供应商知道这一点,也知道继电器是一个很好的机会。这就是为什么有专门针对这一应用的IC,例如德州仪器(TI)的DRV110 PWM电流控制器,可以减轻微控制器的负载(图1的Case 3),还允许使用者设​​置初始启动电流、达到峰值电流的时间、保持电流和其他参数。XPiesmc

由于电路设计中不可避免的高温问题,对启动和保持电流进行单独控制非常重要。当继电器线圈由于施加电流温度升高时,其铜绕组(copper winding)的电阻会显著增加,如图2所示。XPiesmc

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图2:继电器有一个鲜为人知的特性:像大多数情况一样,线圈电阻随着线圈温度的升高而不断增加,这会导致电流和磁力减小,从而引起不稳定且意想不到的操作。
(图片来源:TE Connectivity)XPiesmc

这反过来降低了线圈的电流,以及减少产生磁场的安培匝数(ampere-turns)。结果则可能是继电器线圈接收不到足够的吸合电流,只是「轻轻」吸合或是根本没有吸合;也有可能在较高温度期间保持电流太低,会无预警断线。需要小心研究产品规格表并分析驱动情况。XPiesmc

因此,不要害怕继电器,它会是可行的解决方案──很多时候还是最好、甚至是唯一的解决方案,特别是在控制讯号和负载非常不同或需要隔离的情况下。请记住,既然有如此多使用中的继电器,一定有很好的方法可以克服继电器的最大缺点,也就是在吸合后需要过大且不必要的功耗来保持状态。XPiesmc

你是否曾经用过继电器来解决问题?是标准、常规的用途,还是那种「我们遇到某个问题,而继电器也许可以解决」的情况?XPiesmc

(参考原文:Relays Are Great, But There's No Need to Let Them Waste Power,by Bill Schweber;本文同步刊登于EDN电子技术设计2018年10月平面杂志)XPiesmc

Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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