Ce înseamnă tensiunea de tragere și tensiunea de eliberare a unui releu?

Bine ați venit la ghidul nostru complet despre parametrii electrici ai releului cheie. Vom acoperi conceptele de bază ale funcționării releului care contează pentru proiectarea fiabilă a sistemului.

Tensiunea de tragere se mai numește și tensiune „trebuie să funcționeze”. Este tensiunea minimă a bobinei necesară pentru a alimenta releul. Aceasta își mută contactele din poziția lor normală în poziția acționată.

Tensiunea de eliberare este tensiunea „trebuie să elibereze”. Este tensiunea maximă la care un releu alimentat se va dezactiva cu siguranță. Acest lucru permite contactelor sale să revină la starea lor normală, de repaus.

Trebuie să înțelegeți acești doi parametri pentru a proiecta circuite electronice predictibile, robuste și rezistente{0}}la defecțiuni. Acest ghid depășește definițiile simple. Vom explora implicațiile practice, factorii de mediu care influențează aceste valori și cum să le citim corect din fișele de date.

În acest ghid, vom acoperi:

Definițiile fundamentale și fizica din spatele tensiunii de atrage-in și eliberare.

Conceptul critic de histerezis și de ce asigură o comutare stabilă.

Factorii reali-lumii, cum ar fi variațiile de temperatură și de alimentare, care modifică performanța releului.

Cum să citiți și să interpretați specificațiile fișei de date pentru un design de circuit fiabil.

Reguli de proiectare acționabile și un studiu de caz practic.

Fundamentele

Ce este tensiunea de tragere-?

Tragerea-tensiunii declanșează acțiunea mecanică a releului. Când tensiunea este aplicată pe bobina releului, curentul curge și creează un câmp electromagnetic.

Tensiunea de tragere-înăuntru este punctul specific în care forța magnetică devine suficient de puternică. Trebuie să depășească forțele opuse combinate. Acestea includ tensiunea arcului de retur al armăturii și presiunea statică a contactelor normal închise.

La această tensiune, armătura este trasă spre miezul bobinei. Acest lucru face ca contactele mobile să își schimbe starea. Contactele normal deschise se vor închide, iar contactele normal închise se vor deschide.

Valoarea de pe o fișă de date este un maxim garantat. Tensiunea reală de tragere-a oricărei unități releu individuale poate fi mai mică. Fișa tehnică garantează că releul va funcționa la sau sub această tensiune specificată. De exemplu, o „tensiune de funcționare mai mică sau egală cu 9,6 V”.

Pentru majoritatea releelor ​​DC standard, tensiunea de tragere-in este specificată ca procent din tensiunea nominală a bobinei. Aceasta este de obicei 70% sau 80%. Pentru un releu comun de 12 VDC, tensiunea garantată de tragere-ar fi specificată ca mai mică sau egală cu 9,6VDC (80% din 12V).

Ce este tensiunea de eliberare?

Tensiunea de eliberare reprezintă pragul pentru de-declanșare. Pe măsură ce tensiunea pe o bobină alimentată este redusă, fluxul de curent scade. Câmpul magnetic slăbește.

Tensiunea de eliberare este punctul în care forța magnetică devine prea slabă. Nu mai poate ține armătura împotriva forței mecanice a arcului de revenire.

La această tensiune, forța de restabilire a arcului depășește atracția magnetică reziduală. Acest lucru trage armătura departe de miez. Această acțiune readuce contactele la starea lor normală, de-energizată.

La fel ca tensiunea de tragere-, tensiunea de eliberare pe o foaie de date este un minim garantat. Se garantează că releul s-a eliberat odată ce tensiunea bobinei scade la acest nivel sau mai jos. O specificație tipică ar putea citi „trebuie să elibereze o tensiune mai mare sau egală cu 1,2 V”.

Această valoare este adesea exprimată ca procent din tensiunea nominală. Pentru releele DC, tensiunea de declanșare este de obicei specificată ca 10% sau mai mult din valoarea nominală. Pentru un releu de 12VDC, tensiunea de declanșare garantată ar fi mai mare sau egală cu 1,2VDC.

Conceptul de histerezis

Ce înseamnă tensiunea de tragere și tensiunea de eliberare a unui releu pentru o funcționare stabilă? Tensiunea de tragere-a unui releu este întotdeauna semnificativ mai mare decât tensiunea de declanșare. Această diferență între cele două praguri este cunoscută sub numele de histerezis.

Această caracteristică nu este un defect. Este o caracteristică fundamentală și necesară pentru funcționarea stabilă a releului. Histerezisul împiedică releul să „clatănească”-oscilarea rapidă a pornirii și opririi-când tensiunea de control plutește în apropierea unui singur punct de comutare.

Imaginați-vă dacă tensiunile de tragere-în și de eliberare ar fi identice. Orice mic zgomot sau fluctuație a semnalului de control în jurul acelui prag unic ar determina pornirea și oprirea rapidă a releului. Acest lucru duce la formarea unui arc de contact, uzura prematură și comportamentul imprevizibil al sistemului.

Bucla de histerezis oferă o bandă moartă. Odată ce releul este introdus, tensiunea trebuie să scadă semnificativ înainte de a se elibera. Acest lucru asigură o acțiune de comutare curată și decisivă.

Putem vizualiza acest lucru cu un grafic simplu care prezintă starea releului în funcție de tensiunea bobinei.

Acest grafic arată clar două căi separate pentru pornire și oprire. Ele formează o buclă care reprezintă histerezisul releului.

Factori{0}}reali care influențează lumea

Rolul temperaturii bobinei

Cel mai influent factor care afectează tensiunile de tracțiune-în și eliberare ale unui releu într-un circuit-real este temperatura bobinei acestuia.

Fizica este simplă. O bobină de releu este înfășurată cu sârmă de cupru, care are un coeficient de rezistență pozitiv la temperatură. Pentru cupru, această valoare este de aproximativ +0.4% pe grad Celsius.

Pe măsură ce temperatura bobinei crește, rezistența DC crește. Acest lucru se întâmplă fie dintr-un mediu ambiant ridicat, fie din cauza auto--încălzirii datorită funcționării continue. Conform legii lui Ohm (V=IR), dacă rezistența (R) crește, este necesară o tensiune mai mare (V) pentru a produce același nivel de curent (I) necesar pentru a genera câmpul magnetic de acționare.

Pe măsură ce bobina devine mai fierbinte, tensiunea sa efectivă de tragere{0}}crește. Un releu care intră în mod fiabil la 9 V într-un laborator de 25 de grade ar putea necesita 11 V sau mai mult pentru a trage atunci când funcționează într-o carcasă fierbinte la 80 de grade.

Efectul asupra tensiunii de eliberare este similar. O bobină mai fierbinte cu rezistență mai mare înseamnă că tensiunea trebuie să scadă la un nivel mai scăzut pentru a reduce câmpul magnetic suficient pentru ca armătura să se elibereze. Prin urmare, tensiunea efectivă de declanșare crește și cu temperatura.

Am investigat odată o defecțiune pe teren în care o unitate de control a funcționat perfect în laborator (25 de grade), dar nu a reușit să acționeze un releu critic de siguranță într-o incintă exterioară sub soarele de vară (70 de grade). Designul a furnizat o tensiune chiar peste tracțiunea la rece-în specificație. Nu a reușit să țină seama de creșterea semnificativă a tracției-de tensiune la temperaturi ridicate. Soluția a necesitat reproiectarea circuitului driverului pentru a oferi o tensiune de ieșire garantată mai mare în toate condițiile termice.

Variații de alimentare

Sursa de alimentare a unui circuit nu este niciodată perfectă. Variațiile sale influențează direct funcționarea releului. Designerii trebuie să țină cont de aceste realități.

În primul rând este însăși toleranța de aprovizionare. O sursă de alimentare nominală pentru „12V” este adesea 12V ±5% sau chiar ±10%. Un designer trebuie să lucreze în cel mai rău caz-. Dacă sursa de alimentare poate scădea la 11,4 V (-5%), această tensiune minimă trebuie să fie în continuare confortabil peste tensiunea maximă posibilă a releului, luând în considerare efectele temperaturii totale.

Al doilea este căderea de tensiune sau căderea I*R. Firele și urmele PCB care conectează sursa de alimentare la bobina releului au rezistență. Chiar și o rezistență mică pe un fir lung poate provoca o cădere semnificativă de tensiune atunci când bobina atrage curent. Tensiunea la bobina releului va fi mai mică decât tensiunea la bornele de alimentare. Acest factor trebuie calculat și compensat în proiectare.

În cele din urmă, ondularea tensiunii este o preocupare, în special în sursele de alimentare AC-DC mai simple. Dacă ondularea tensiunii de curent continuu este suficient de mare, jgheabul de tensiune ar putea coborî sub tensiunea de reținere sau de eliberare a releului. Acest lucru face ca releul să clătenească sau să se elibereze în mod neașteptat. Acest lucru este deosebit de problematic pentru circuitele care funcționează aproape de pragul tensiunii de declanșare.

Impact de suprimare a bobinei

Când un tranzistor oprește curentul la o sarcină inductivă precum o bobină de releu, câmpul magnetic care se prăbușește induce un vârf mare de tensiune (V=-L * di/dt). Acest vârf poate distruge cu ușurință tranzistorul de antrenare dacă nu este suprimat.

Cea mai comună metodă de suprimare este o simplă diodă flyback plasată în paralel cu bobina. Când tranzistorul se oprește, dioda oferă o cale sigură pentru ca curentul indus să circule și să se disipeze. Acest lucru îl protejează pe șofer.

Cu toate acestea, această metodă are un schimb-important. Curentul circulant prelungeste existenta campului magnetic. Aceasta menține armătura releului în starea de alimentare pentru mai mult timp. Acest lucru crește dramatic timpul de eliberare al releului.

Această întârziere poate fi inacceptabilă în aplicațiile care necesită comutare rapidă. Mai mult, decăderea lentă a câmpului magnetic poate crește efectiv și tensiunea la care releul se eliberează în cele din urmă.

Pentru aplicațiile în care timpul de eliberare este critic, sunt necesare metode de suprimare mai bune. O diodă Zener în serie cu dioda standard sau o rețea de amortizor-condensator (RC) cu rezistență poate oferi o cale de dezintegrare mai rapidă pentru curentul bobinei.

Iată o comparație a tehnicilor comune de suprimare:

Alegerea metodei corecte de suprimare reprezintă un echilibru între protejarea componentei driverului și obținerea performanței de eliberare a releului cerute.

Aplicație practică și design

Citirea unei fișe de date

Traducerea teoriei în practică începe cu interpretarea corectă a fișei de date a unui releu. Secțiunea de date a bobinei conține specificațiile critice de tensiune care guvernează proiectarea circuitului driverului.

Să defalcăm parametrii cheie pe care îi veți găsi.

Tensiune nominală a bobinei:Aceasta este tensiunea de operare standard, destinată utilizării continue. Releul este proiectat pentru performanțe optime și durată de viață la această tensiune.

Trebuie să funcţioneze (Trage-in) Tensiune:Aceasta este specificată ca valoare maximă (de exemplu, mai mică sau egală cu 9,6 V). Circuitul dvs. trebuie să furnizeze cel puțin această tensiune în toate condițiile (în cel mai rău caz-alimentare scăzută, temperatură maximă) pentru a garanta activarea.

Tensiunea de eliberare:Aceasta este specificată ca valoare minimă (de exemplu, Mai mare sau egală cu 1,2 V). Pentru a garanta că releul se dezactivează, tensiunea de stare „oprit” a circuitului dvs. trebuie să fie sub acest nivel.

Tensiune continuă maximă:Aceasta este cea mai mare tensiune pe care o poate suporta bobina pe termen nelimitat fără a se supraîncălzi sau a suferi daune. Depășirea acestuia poate scurta drastic durata de viață a releului.

Mai jos este un exemplu de tabel tipic de date a bobinei pentru un releu „cub de zahăr” de 12 VDC.

Lectura atentă este esențială. Rețineți că aceste specificații de bază sunt adesea date la o temperatură de referință, de obicei 25 de grade. După cum am discutat, aceste valori se vor schimba la diferite temperaturi de funcționare.

Studiu de caz de proiectare: UVLO

Să aplicăm aceste concepte la o problemă practică de proiectare: crearea unui circuit de blocare la subtensiune a bateriei (UVLO).

Scopul este de a proteja o baterie cu plumb-acid de descărcare profundă. Circuitul trebuie să deconecteze automat o sarcină atunci când tensiunea bateriei scade la un nivel critic, de exemplu, 11,5 V. Ar trebui să reconectați sarcina numai după ce bateria a fost reîncărcată la o tensiune mai sănătoasă, cum ar fi 12,5 V.

Provocarea este de a selecta un releu adecvat și de a proiecta logica de control. Histerezisul natural al unui releu pare perfect pentru această sarcină.

Analiza noastră necesită ca releul să efectueze două acțiuni bazate pe praguri de tensiune:

Releul trebuieeliberare(deconectați sarcina) când tensiunea sistemului scade la 11,5 V.

Releul trebuietrage-înăuntru(reconectați sarcina) când tensiunea sistemului crește la 12,5 V.

În procesul de selecție, am începe prin a căuta un releu nominal standard de 12VDC. Specificațiile fișei de date sunt ghidul nostru principal. Tensiunea de eliberare trebuie să fie cu mult sub pragul nostru de deconectare de 11,5 V. Tensiunea de funcționare trebuie să fie sub pragul nostru de reconectare de 12,5 V.

Cu toate acestea, un inginer profesionist știe să nu proiecteze direct în conformitate cu aceste specificații de toleranță largi-. În practică, nu ne-am baza niciodată pe tensiunile imprecise de atrage-in și de eliberare ale releului pentru a stabili pragurile noastre critice UVLO. Tensiunea de tragere și tensiunea de eliberare a releului au histerezis inerent care este prea variabil și dependent în mare măsură de temperatură.

În schimb, folosim specificațiile releului pentru a crea o fereastră de funcționare sigură pentru un circuit de declanșare extern mult mai precis. Am proiecta un circuit comparator (folosind un op-amplificator sau un circuit integrat de supraveghere dedicat) cu un divizor rezistiv precis pentru a seta pragurile de 11,5 V și 12,5 V. Acest comparator comandă apoi un tranzistor, care, la rândul său, antrenează bobina releului.

Pentru acest design, alegerea releului este ghidată de a ne asigura că nu interferează cu circuitul nostru de precizie. Am alege un releu cu o tensiune de eliberare obligatorie, de exemplu, mai mare sau egală cu 1,2 V și o tensiune de funcționare obligatorie mai mică sau egală cu 9,6 V. Această fereastră largă și garantată (de la 1,2 V la 9,6 V) ne oferă spațiu amplu. Circuitul nostru de precizie poate funcționa apoi în mod fiabil la 11,5 V și 12,5 V, complet imun la toleranțele largi ale releului și la deriva termică.

Acest studiu de caz arată cum proprietățile releului sunt o parte crucială a proiectării sistemului. Dar ele sunt gestionate și controlate de inteligența externă, mai degrabă decât să se bazeze pe ei înșiși pentru precizie.

Regulile generale de proiectare

Pentru o conducere robustă a releului, urmăm un set de principii de bază rezumate în această listă de verificare.

Regula 1: Gândește-te la goluri.Asigurați-vă întotdeauna că tensiunea de ieșire minimă garantată a circuitului driverului este mai mare decât tensiunea maximă specificată-de tracțiune a releului. Luați în considerare cea mai ridicată temperatură de funcționare posibilă.

Regula 2: Gama de jos contează.Asigurați-vă că tensiunea de scurgere „-în stare oprită” a șoferului, combinată cu orice zgomot de sistem, este întotdeauna mai mică decât tensiunea minimă de declanșare specificată a releului. Acest lucru împiedică releul să nu se dezactiveze-.

Regula 3: Temperatura nu este prietenul tău.Reduceți întotdeauna calculele de tensiune pentru cel mai rău caz-mediu termic. O bună practică este să bugetați pentru o creștere de cel puțin 20-25% a tensiunii de tragere atunci când treceți de la un mediu de laborator de 25 de grade la o aplicație industrială fierbinte de 85 de grade.

Regula 4: Conduceți cu autoritate.Nu conduceți niciodată o bobină de releu direct de la un pin I/O standard al microcontrolerului. Acești pini au o capacitate limitată de aprovizionare cu curent și o impedanță ridicată de ieșire. Utilizați un driver dedicat, cum ar fi un BJT sau un MOSFET, care poate furniza bobinei o putere curată, cu impedanță -scăzută.

Regula 5: Suprimă cu înțelepciune.O diodă flyback peste bobină este cerința minimă pentru protejarea șoferului. Dacă aplicația dvs. este sensibilă la timpul de lansare, investiți componentele suplimentare pentru o soluție Zener-diodă sau RC snubber.

Considerații avansate

Relee de blocare

Este important să se diferențieze releele standard fără-blocare de releele cu blocare, care funcționează pe o altă paradigmă.

Spre deosebire de un releu fără-blocare care necesită o bobină continuă pentru a-și menține starea, un releu de blocare este bistabil. Schimbă starea cu un impuls scurt de tensiune și apoi rămâne în acea stare nouă cu consum de energie zero.

Aceste relee nu au o tensiune tradițională de tragere{0}}sau de eliberare. În schimb, fișele lor de date specifică un impuls Set Voltage pentru a muta contactele în poziția alimentată și un impuls Reset Voltage (adesea pe o bobină separată) pentru a le readuce în poziția normală.

Beneficiul principal este economiile imense de energie. Acest lucru face ca releele de blocare să fie ideale pentru aplicații alimentate cu baterie-sau cu energie-sensibile, unde o stare trebuie menținută pentru perioade lungi de timp.

Bobine AC vs DC

Principiile discutate în acest ghid se aplică în primul rând releelor ​​cu bobine DC-. Releele bobinelor AC-sunt proiectate diferit.

Funcționarea unei bobine de curent continuu este guvernată de rezistența ei de curent continuu și de curentul rezultat. Funcționarea unei bobine de curent alternativ, totuși, se bazează pe impedanța acesteia la frecvența de linie specificată (de exemplu, 50Hz sau 60Hz).

Bobinele AC încorporează adesea un inel de umbrire sau o bobină de umbrire. Aceasta este o singură tură de cupru, scurtcircuitată, încorporată în fața miezului. Acesta creează un flux magnetic întârziat care menține armătura așezată în timpul trecerilor de zero-undei sinusoidale AC. Acest lucru previne bâzâitul audibil și discuțiile de contact.

Specificațiile tensiunii de tragere și eliberare ale acestora sunt, prin urmare, date în Volți AC (VAC) și trebuie evaluate în contextul stabilității sursei de alimentare AC.

Concluzie: Fundamentul unui control de încredere

Tensiunea de tragere și de eliberare sunt mai mult decât numere pe o foaie de date. Ele definesc fereastra fundamentală de funcționare a unui releu electromecanic. Histerezisul creat de decalajul dintre aceste două praguri este cheia pentru a asigura o comutare curată, stabilă și fără vibrații-.

Cu toate acestea, un design de succes trebuie să privească dincolo de aceste valori statice ale temperaturii camerei-. Mesajul central al acestui ghid este că un circuit robust trebuie să țină cont de factorii dinamici, reali-lumii care influențează direct performanța releului. Aceasta include în special efectele semnificative ale temperaturii bobinei și ale variațiilor de alimentare.

Trecând dincolo de fișa de date a componentelor și luând în considerare întregul sistem-de la sursa de alimentare și circuitul driverului până la mediul termic ambiental-inginerii pot gestiona în mod corespunzător acești parametri critici. Această abordare ne permite să valorificăm caracteristicile fundamentale ale releelor ​​pentru a construi circuite de control care nu sunt doar funcționale pe o bancă de laborator, ci sunt cu adevărat fiabile în teren.

Vezi de asemenea

Procesul de producție a releului și fluxul de testare

Aplicarea releelor ​​în sistemele de generare a energiei solare

Cum se face distincția între contactele normal deschise și cele normal închise ale unui releu

Cum să alegeți releele auto și cutiile de siguranțe potrivite