超节能交流驱动多路继电器的电路设计

kaixi_ants

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 ）。


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继电器设计


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。



电路波形

Multisim14仿真文件




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


关断后继电器无电压


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

kaixi_ants

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

gdszyrx

LED都画错了

kaixi_ants

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

毁灭者e5

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:

kaixi_ants

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

ar_zxy

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。

hgq21102

要是用保持继电器，那就更加省电

kaixi_ants

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

kaixi_ants

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

tomyluo

换成固态继电器不好吗？:smile:

蕴殇

直流继电器串联一个阻容电路就可以了

mistersheng

有单片机，直接pwm驱动就行了

kaixi_ants

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

ljlun

LZ这帖可得好好拜读一下

kaixi_ants

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