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[综合] 超节能交流驱动多路继电器的电路设计

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发表于 2021-10-7 02:37:09 | 显示全部楼层 |阅读模式

爱科技、爱创意、爱折腾、爱极致,我们都是技术控

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一、背景信息

国庆期间感冒在家待着,折腾刚买的天猫精灵开关模块,用起来还挺方便的,不足之处就是待机功率(0.5W)和开启功率(1W)都比较大,于是就想用继电器节能驱动电路,来改造这个灯。10年前做过多路遥控插座:http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=293007,用的是磁保持继电器,这个省电但是太贵、而且电流小,且无法断电复位不适合某些应用场景。也做过简单的串电阻电容节能,但这种不太可靠,节能效果也并不大,只适合用在有限的场景。我希望做一个通用、可靠、高效的继电器节能驱动,以后就它了。

二、电路设计

继电器有几个重要参数通态电流、关态电流、线圈电阻,虽然到达通态电流就能吸合,但它无法保证足够的吸合力,继电器接触电阻无法做到最小,如果负载电流较大触点更易发热损坏。通过测试发现,继电器驱动只到通态电流,继电器触点接触电阻不稳定,而且降低保持电流,触点接触电阻会继续增大。只有到达更高的一个电流值,触点接触电阻降到最小,而且即使电流减少到关态电流前,触点接触电阻也不变。基于以上信息,要确保继电器稳定工作,驱动电压一定要接近标称电压,此时的电流一般远大于通态电流,然后就可以降低保持电流了,当然也不能降低到略高于关断电流,这样稍微有点干扰就会关断,我认为取通态电流和关态电流的平均值为保持电流是个理想的选择。

例如松乐SRD-24VDC-SL-C这款继电器,1.6K欧姆线圈,24V标称功率为360mW,13V即可达到通态电流,5V左右关断,如果启动驱动电压接近20V左右,保持电压降低到9V依然可以保证可靠的工作,此时功率为约50mW,可节能86%。

要达到以上的效果,就需要继电器的启动电压和保持电压是两个值,网上比较容易找到的方法是倍压法,这种方法有它限定的适用范围,继电器电压和工作电压要匹配,本文不做过多描述(有需要的可以参考 直流5V高速节能驱动12V继电器.7z (134.15 KB, 下载次数: 10) )。

倍压驱动.png
倍压驱动继电器


经过这几天的设计和实践,我最终采用了容阻降压法来作为可变电压源,做到了启动电压和保持电流可任意设计,几乎可以应用在所有的继电器上。

电路图如下
12v.png
12V继电器设计

24v.png
24V继电器设计

原理:通过光耦隔离控制MOS通断,MOS默认导通,驱动压降最小,继电器默认关断。光耦导通MOS关闭,电容充电升压,到达设定值后,触发可控硅导通,继电器闭合,由于容阻降压有近似恒流特性,继电器的保持电流会因为电容放电而逐步稳定下来。光耦关闭MOS导通,电容电压通过MOS降低到接近MOS的开启电压,可控硅因为电流太小而截断。如此循环往复。由于容阻降压的近似恒流特性,此驱动可以串联,实现多路驱动。


波形.png
电路波形

Multisim14仿真文件
超节能交流驱动8路12V继电器.7z (231.26 KB, 下载次数: 4)
超节能交流驱动8路24V继电器.7z (219.73 KB, 下载次数: 4)


DIY建议:1,继电器用>=12V的,太低电压的继电器电流大,节能效果不好。48V 对应的低Vt且便宜的MOS难找,24V继电器最理想;2,通过C1大小控制保持电流,D2控制触发电压,这些值要和你的继电器匹配;3,MOS的栅极一定要有保护,LED或稳压管均可,红色LED效果最好(我开始实验没加保护烧掉一个);4,用最便宜的小电流可控硅(我用的MCR100);5,MOS注意实际测量,耐压要高于触发电压,Vt要<=1V(我用的寨版AO3400);6,多路串联不建议超过8路,不要混用不同参数的继电器;7,C2控制通态电流维持时间,要适中大小,太大延时大,太小不可靠(实测10uf即可稳定驱动24V继电器)。


三、实际效果

面包板搭建验证,没有24v稳压管用的22V的,C1电容用两个实测0.28uF的CBB串联,0.14uF。几个品牌的12V(400欧姆)、24V(1.6K欧姆)继电器都通过验证了,相同阻值的继电器参数差异不是很大。

开启后继电器保持电压.jpg
开启后继电器保持电压

关断后继电器无电压.jpg
关断后继电器无电压

无继电器保持电压,即触发电压.jpg
无继电器保持电压,即触发电压






补充内容 (2021-10-17 13:31):
想不到这个帖子被评为精华了,谢谢版主了。
补充48V NPN三极管驱动,在14楼

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snoopy8008 + 10 楼主研究的很细致!忍不住要赞一下!.

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 楼主| 发表于 2021-10-7 02:41:54 | 显示全部楼层
备用楼层



后续:我把家里的86型开关面板插座和插线板改造为可触摸开关了
https://www.mydigit.cn/thread-292666-1-1.html


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发表于 2021-10-7 08:24:14 | 显示全部楼层
LED都画错了
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 楼主| 发表于 2021-10-7 09:13:03 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
gdszyrx 发表于 2021-10-7 08:24
LED都画错了

你看错了。这是通过仿真和实际验证的
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发表于 2021-10-7 10:53:19 | 显示全部楼层
做过类似的 可以优化下电路 外加一个电容 MOS 和几个电阻就能实现 触发双通道驱动 然后延时后只维持通道维持,另一通道关闭:lol:
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 楼主| 发表于 2021-10-7 11:30:48 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
毁灭者e5 发表于 2021-10-7 10:53
做过类似的 可以优化下电路 外加一个电容 MOS 和几个电阻就能实现 触发双通道驱动 然后延时后只维持通道维 ...

我明白你的意思,就是双直流电压驱动,当然可以,这需要额外设计高压电源,限定了使用场景。
我这个不用额外设计电源
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发表于 2021-10-7 12:02:32 | 显示全部楼层
继电器串一个电解电容,电容上并一个电阻,通电时继电器电压是电源电压,确保吸合有力;稳定后通过电阻限流,12V继电器有可能5V就能维持,如果电阻取继电器等效直流电阻,功率是原先的一半。
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发表于 2021-10-7 15:54:38 | 显示全部楼层
要是用保持继电器,那就更加省电
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 楼主| 发表于 2021-10-7 16:20:40 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
ar_zxy 发表于 2021-10-7 12:02
继电器串一个电解电容,电容上并一个电阻,通电时继电器电压是电源电压,确保吸合有力;稳定后通过电阻限流 ...

文章中说过这样做的缺点,我以前也做过,浪费了功率在电阻上 节能50%就不错了
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 楼主| 发表于 2021-10-7 16:30:50 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
hgq21102 发表于 2021-10-7 15:54
要是用保持继电器,那就更加省电

磁保持很好,但价格贵限制了它的推广。 现在已经便宜了不少,做的厂家也多了
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发表于 2021-10-7 17:04:04 | 显示全部楼层
换成固态继电器不好吗?:smile:
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发表于 2021-10-7 21:10:08 | 显示全部楼层
直流继电器串联一个阻容电路就可以了
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发表于 2021-10-8 13:31:41 | 显示全部楼层
有单片机,直接pwm驱动就行了
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 楼主| 发表于 2021-10-17 13:30:28 | 显示全部楼层
帖子找不到编辑入口了,补充48V继电器驱动,
改用npn低电平驱动,使用更便宜的三极管如9014,驱动12V、24V也是可以的,
但注意这是低电平开启,
适合默认自动开启继电器
否则需控制输入默认高电平

超节能交流驱动4路48V继电器.png
超节能交流驱动4路48V继电器

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发表于 2021-10-27 15:58:43 | 显示全部楼层
LZ这帖可得好好拜读一下
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 楼主| 发表于 2021-11-24 13:01:21 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
kaixi_ants 发表于 2021-10-17 13:30
帖子找不到编辑入口了,补充48V继电器驱动,
改用npn低电平驱动,使用更便宜的三极管如9014,驱动12V、24V ...

使用贴片电容器需要注意:
贴片电容器有老化和温度特性,直流特性差,
需要加大冗余量并提升触发电压才能长期稳定可靠驱动继电器。

对应图中c2和d2可靠取值:
驱动24v继电器,要用25v耐压 33uf的(或者22u加10u并联),27v或30v稳压管;
驱动48v继电器,要用50v耐压 10uf,51v稳压管。
以上是经过实测失败后改造验证的结论,理论上贴片电容老化10年依然可靠
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