Экономное управление реле

Как мимолётное виденье,
Передо мной явилось ты,
Контакты "щёлк", и за мгновенье
Письмо ушло за две версты…

Так, или примерно так, мог бы писать Пушкин о реле, проживи он всего лишь на шесть месяцев дольше до того момента как Морзе изобрел первое коммутационное реле. Многое изменилось с тех пор: “писатели” пишут по пять романов в год, радиокомпоненты стремительно уменьшаются в размерах и количество электронов на затворе достаточное для переключения транзистора легко укладывается в unsigned char, но старые добрые механические реле все еще не потеряли своей актуальности для многих приложений. Благодаря ряду преимуществ, недостижимых пока в полупроводниковых компонентах, реле встречаются в схемах требующих повышенной надежности и безопасности для пользователя. Однако некоторые недостатки, присущие этим электромеханическим динозаврам становятся особенно ощутимыми сегодня. Так, тенденция к уменьшению потребляемой конечным устройством мощности приводит к тому, что реле может стать одним из самых прожорливых компонентов на плате и даже не вписаться в ТЗ по общему потреблению. Разберемся что можно предпринять.

Для переключения реле из нормального состояния в активное требуется выполнить механическую работу по перемещению пружинного контакта (или группы контактов) в противоположное состояние. Надежное и быстрое выполнение этого действия требует, чтобы к управляющим выводам реле было приложено достаточное напряжение, так чтобы ток, протекающий через соленоид, создал магнитное поле достаточной силы для преодоления механического сопротивления. После того как контакт переключился в противоположное устойчивое состояние, затрачивать большую мощность уже не требуется и достаточно небольшой удерживающей силы для сохранения его пространственного положения. Если после переключения реле напряжение на его управляющих входах оставить неизменным, то его потребление также не изменится (так как омическое сопротивление обмотки катушки, а следовательно и протекающий ток, постоянны), а это значит что большая часть мощности затрачивается напрасно. Для удержания контактов реле в активном состоянии порой бывает достаточно всего около 30..40% от значения напряжения переключения (точное значение тока или напряжения удержания на каждый конкретный тип реле можно узнать в спецификации - ключевое слово holding - “удерживающий”). Отсюда следует простой и логичный вывод - нужно прикладывать полное напряжение к реле в момент переключения и уменьшать его когда коммутация завершена, и в автоматизации этого трюка могут помочь как раз полупроводниковые устройства.

ДРАЙВЕРУ РЕЛЕ ТРЕБУЕТСЯ ВСЕГО 25% НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ

На приведенной ниже схеме (Рис. 1) показана реализация общепринятой практики управления катушкой реле полной мощностью для активации контактов, а затем уменьшения до мощности удержания после того как компонент механически переключен.

Рисунок 1: Эта схема прикладывает напряжение близкое к 6 Вольтам для включения реле,
а затем уменьшает потребляемую мощность на 75% снижая приложенное напряжение
до удерживающего уровня 3,3 В.

На приведенной схеме шестивольтовое реле управляется от напряжения 3,3 Вольта, и использует схему накачки заряда (микросхема IC1 выступает в роли инвертора напряжения) для генерации дополнительных –3 Вольт, необходимых для активации реле. Включение транзистора Q1 внешним сигналом управления прикладывает примерно 3,3 Вольта к верхнему по схеме управляющему контакту реле (1), и IC1 (активированная наличием напряжения на ножке 8 ) прикладывает –3 Вольта к его нижнему входу (2). Уникальные функции используемой микросхемы позволяют сделать схему весьма компактной. Так, микросхема накачки заряда (IC1) работает на высокой внутренней частоте (1 МГц) по сравнению с популярной ICL7660, которая переключается с частотой 10 кГц. Высокая частота переключения позволяет обойтись небольшими номиналами емкостей (порядка 1 мкФ) входного, выходного и переключаемого конденсаторов (C1, С3 и C2). В их качестве могут использоваться обычные недорогие керамические конденсаторы X7R такие как 1206YC105MAT2A от AVX.

Когда микросхема IC1 переводится в режим пониженного энергопотребления (высоким логическим уровнем на входе 7), ее выход (вывод 5) перестает быть высокоимпедансным и соединяется с общим проводом внутренним ключом с сопротивлением канала не более 5 Ом. Эта возможность позволяет входу SHDN работать в качестве силового ключа, переключая выход инвертора с номинального напряжения –3 Вольта (схема накачки разрешена) к земле (схема накачки запрещена). В режиме пониженного энергопотребления сама микросхема IC1 потребляет ток менее 1 мкА.

Для тестовой схемы, работающей от 3,3 В, измеренная частота переключения микросхемы составила 955 кГц. Ниже в таблице показаны результаты измеренной эффективности схемы накачки заряда, выраженной как суммарное напряжение на реле, для случаев использования шестивольтовых реле с различным сопротивлением катушки (400, 180 и 90 Ом).

В первой колонке показано напряжение срабатывания на выводах управляющей катушки для случая когда в качестве C1, C2 и C3 использованы обыкновенные выводные танталовые конденсаторы номиналом 1 мкФ, вместо конденсаторов с низким значением ESR. Во второй колонке приведены результаты для случая когда только один конденсатор C2 заменен на конденсатор с низким значением ESR не превышающим 350 мОм (Sanyo OS-CON 25SC1M). Как видно, эта замена конденсатора дает существенное улучшение эффективности работы схемы, что иллюстрирует тот факт, что к выбору компонентов для схем накачки заряда необходимо подходить ответственно.

В качестве верхнего ключа включающего и выключающего ток обмотки реле использован pnp-транзистор. Для приведенной схемы был выбран компактный транзистор в корпусе SOT23 (Zetex FMMT717) из-за его высокого коэффициента передачи тока hfe (минимум 180) и допустимого постоянного тока до 2.5А. Высокое значение hfe позволяет использовать высокоомный резистор в цепи токоограничения базы. Для того чтобы сэкономить даже на этом небольшом базовом токе, можно использовать p-канальный МОП-транзистор (MOSFET) в качестве Q1.

Скачать статью в формате PDF (120 кБ)

Похожие статьи:

• Пассивация в гальванических элементах (3)
• Использование активной подтяжки (3)
• Защита от обратной полярности с малым падением напряжения (3)