单稳型继电器的低功耗驱动方法

只看该作者 · 2010-1-3 17:43

本帖最后由 avatar_21ic 于 2010-1-4 01:02 编辑

单稳型继电器的低功耗驱动方法

小型单稳继电器常用于模拟电路中的信号切换，相对于半导体开关，具有可通过较高的信号电压，价格低等优点。但其需要较大的驱动电流，如松下TQ系列5V电压的继电器其额定电流为28.1mA，驱动功耗达到了140mW。在多路继电器驱动电路中，如何降低继电器的驱动功耗，成为了继电器驱动电路设计的关键。在MCU端口资源充足的前提下，我们完全可以用价格便宜的通用三极管和电阻电容设计工作稳定可靠的继电器低功耗驱动电路。

驱动电路见下图：

工作原理：
单稳型继电器在吸合时，其动作电压（加在继电器驱动线圈两端的电压）一般要在其工作电压的75%左右（各种型号继电器的动作电压不同，具体参看其数据表），才能保证可靠动作。可靠吸合后，其线圈两端的维持吸合电压一般只要其工作电压的30%-40%（具体亦需要参看数据表）。低功耗驱动就是根据继电器的这一特点实现的。

Vi为低时，Q1截止。Ice=0，继电器不工作；

Vi为高时，对C1充电，R1相当于暂态短路，Q1工作在饱和导通状态。继电器线圈两端电压≈VCC。C1充电完成后，由于R1的作用Ib减小，Q1工作于放大区，调整R1的阻值可控制Ice的大小，从而控制落在继电器线圈两端的电压，达到降低继电器闭合时功耗的目的。

元件的选择与取值：

Q1：可选择通用NPN管，Ic＞＞继电器额定电流，Vceo＞＞Vcc；

R2：为Q1饱和导通时的限流电阻，可按照以下公式取值：

其中：hFE(min)为
三极管Q1 hFE的最低值，可查Q1的数据表获得；
Ik为继电器的额定工作电流，可查其数据表获得。
R1：电路工作在稳态后，由于R1与R2的共同作用，Q1工作在放大区，以达到继电器闭合后低功耗维持的目的。

R1可依照以下公式取值：

其中：
Vk为维持继电器闭合的电压，一般可取继电器额定工作电压的30%-50%，Vk越大，继电器维持闭合状态越可靠，但同时功耗也越大。Vk的取值可参考不同型号继电器的数据表；

Rk为继电器的直流电阻，可在数据表中查得；

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本帖最后由 avatar_21ic 于 2010-1-4 01:03 编辑

R3：R3的作用是确保Vi为低时继电器不工作，可在10K-20K之间取值；

C1：C1的取值决定了电路的暂态工作时间，也就是继电器线圈两端加上额定电压使其可靠吸合的时间。不同型号的继电器需要的吸合时间（置位时间）不同，如松下的TQ系列单稳继电器的置位时间为3ms。通过加大C1的值，可增加继电器线圈两端暂态吸合电压的时间，确保继电器可靠吸合。但C1如果太大，会导致Vi从高变化为低时，其通过R1的放电时间过长，在继电器短时间内需要频繁动作的场合会出现无法控制的问题。

C1的取值可通过实验获得。

D1：续流二极管，防止继电器复位时产生的反向电动势击穿Q1，可选用通用开关二极管。



以下是一个实例：

   继电器：松下TQ2-5V单稳继电器，Ik=28.1mA，Rk=178Ω，置位时间3ms，Vk取40%×5V=2V；

   Q1：BC817-40，Ic（max）=500mA，VCEO（max）=45V，hFE(min)=250；

   D1：BAS316；

   Vi=3.3V。

   R2＜ 16KΩ，取R2=15 KΩ；

      R1= 45.075KΩ，取R2=43 KΩ；

取R3=20 KΩ；

取C1=1UF。

以下是用示波器测量得到的继电器线圈两端电压变化波形

示波器型号：HD-6101USB数字存储示波器，水平时基：20ms/Div，电压幅值：2V/Div，触发电压：2V，触发方式：单次。

从波形中可以看出，在28.4ms时线圈两端电压下降到继电器额定驱动电压的75%（3.75V），远大于继电器置位时间3ms，继电器完全可以可靠闭合。

当Vi从高变低时，C1通过R1放电，当放电时间大于4倍的时间常数时可认为放电结束，因此，本实例的放电时间为4×43000×0.000001=172ms，也就是说，为保证继电器能够被可靠控制，两次驱动的时间间隔应大于172ms。在实际应用中，可通过减小C1的取值缩小这个时间。