Аналоговый коммутатор снижает мощность, рассеиваемую реле

Конструкторы часто используют реле в качестве переключателей с электрическим управлением. В отличие от транзисторов, их переключающие контакты электрически изолированы от управляющего входа. Однако мощность, рассеиваемая катушкой реле, может сделать устройство непривлекательным для приложений с батарейным питанием. Эту рассеиваемую мощность можно уменьшить, добавив аналоговый коммутатор, который позволяет реле работать при более низком напряжении (Рисунок 1). Мощность, потребляемая реле, равна V²/R_COIL, где R_COIL – сопротивление его катушки. Схема снижает это рассеивание после срабатывания, подавая на реле напряжение, меньшее обычного рабочего напряжения 5 В. Обратите внимание, что напряжение срабатывания, необходимое для включения реле, больше, чем напряжение необходимое для его удержания. Реле на Рисунке 1 имеет напряжение срабатывания 3.5 В и напряжение отпускания 1.5 В. Схема позволяет реле работать от среднего напряжения питания 2.5 В. В Таблице 1 сравнивается мощность, рассеиваемая реле при фиксированных рабочих напряжениях и в схеме, показанной на Рисунке 1.

Таблица 1.	Мощность, рассеиваемая реле
Напряжение (В) Ток (мА) Общая рассеиваемая мощность (мВт) 5 (нормальное рабочее напряжение) 90 450 3.5 (напряжение срабатывания) 63 221 2.5 (схема на Рисунке 1) 45 112

Рисунок 1.	Используя аналоговый коммутатор, можно уменьшить энергопотребление реле.

При замыкании выключателя S₁ через катушку реле потечет ток, и конденсаторы C₁ и C₂ начнут заряжаться. Реле будет оставаться неактивным, так как напряжение питания ниже напряжения срабатывания. Постоянные времени RC таковы, что конденсатор C₁ заряжается почти полностью до того, как напряжение на C₂ достигнет логического порога аналогового коммутатора. Когда напряжение на C₂ доходит до этого порога, аналоговый коммутатор подключает C₁ последовательно с источником питания 2.5 В и катушкой реле. В результате напряжение на его катушке повышается до 5 В, что в два раза превышает напряжение питания, и реле включается. Когда конденсатор C₁ разрядится через катушку, напряжение на ней снова упадает до 2.5 В за вычетом падения на диоде D₁, но реле остается включенным, поскольку напряжение на его катушке на 1.5 В выше напряжения отпускания. Номиналы компонентов для этой схемы зависят от характеристик реле и напряжения питания. Сопротивление резистора R₁, защищающего аналоговый коммутатор от начального броска тока через конденсатор C₁, должно быть достаточно низким, чтобы позволить C₁ быстро заряжаться, но достаточно высоким, чтобы импульс тока не превышал максимального пикового значения, допустимого для аналогового коммутатора.

Допустимый пиковый ток микросхемы IC₁ составляет 400 мА, а фактический пиковый ток I_PEAK в этой схеме равен

где

R_ON – максимальное сопротивление замкнутого переключателя (равное 1.2 Ом);
V_D1 – падение напряжения на диоде D₁;
V_IN – входное напряжение.

Величина емкости C₁ зависит от характеристик реле и от разности между V_IN и напряжением срабатывания реле. Чем больше энергии требуется для включения реле, тем больше должна быть емкость конденсатора C₁. Номиналы R₂ и C₂ выбирают такими, чтобы позволить C₁ почти полностью зарядиться до того, как напряжение на C₂ достигнет порога срабатывания аналогового коммутатора. В этом примере постоянная времени R₂C₂ приблизительно в семь раз больше, чем (R₁ + R_ON)C₁. Бóльшие значения R₂C₂ увеличивают задержку между замыканием коммутатора и активацией реле.

Материалы по теме

1. Datasheet Maxim MAX4624