Què significa la tensió d'atracció i la tensió d'alliberament d'un relé?

Benvingut a la nostra guia completa sobre paràmetres elèctrics clau del relé. Cobrirem els conceptes bàsics del funcionament del relé que són importants per al disseny del sistema fiable.

La tensió d'entrada-també s'anomena tensió "ha de funcionar". És la tensió mínima de la bobina necessària per activar el relé. Això mou els seus contactes de la seva posició normal a la posició accionada.

La tensió d'alliberament és la tensió "ha d'alliberar". És la tensió màxima on un relé activat definitivament es desactivarà-. Això permet que els seus contactes tornin al seu estat normal de repòs.

Heu d'entendre aquests dos paràmetres per dissenyar circuits electrònics previsibles, robusts i resistents{0}}a fallades. Aquesta guia va més enllà de les definicions simples. Explorarem les implicacions pràctiques, els factors ambientals que influeixen en aquests valors i com llegir-los correctament a partir de fulls de dades.

En aquesta guia, tractarem:

Les definicions i la física fonamentals darrere de la tensió d'atracció{0}}i alliberament.

El concepte crític de la histèresi i per què garanteix una commutació estable.

Factors reals-com la temperatura i les variacions de la font d'alimentació que alteren el rendiment del relé.

Com llegir i interpretar les especificacions del full de dades per a un disseny de circuits fiable.

Regles de disseny accionables i un cas pràctic.

Els Fonaments

Què és la tensió d'entrada-?

La tensió{0}}activa activa l'acció mecànica del relé. Quan s'aplica tensió a la bobina del relé, el corrent flueix i crea un camp electromagnètic.

La tensió d'atracció-és el punt específic on la força magnètica es fa prou forta. Ha de vèncer les forces oposades combinades. Aquests inclouen la tensió de la molla de retorn de l'induït i la pressió estàtica dels contactes normalment tancats.

A aquesta tensió, l'induït s'estira cap al nucli de la bobina. Això fa que els contactes mòbils canviïn d'estat. Els contactes normalment oberts es tancaran i els contactes normalment tancats s'obriran.

El valor d'un full de dades és un màxim garantit. La tensió real d'entrada-de qualsevol unitat de relé individual pot ser inferior. El full de dades garanteix que el relé funcionarà a aquesta tensió especificada o per sota. Per exemple, "ha de funcionar una tensió inferior o igual a 9,6 V".

Per a la majoria dels relés de corrent continu estàndard, la tensió d'entrada-s'especifica com a percentatge de la tensió nominal de la bobina. Això normalment és del 70% o del 80%. Per a un relé comú de 12 VCC, la tensió d'atracció garantida-s'especificaria com a inferior o igual a 9,6 VCC (80% de 12 V).

Què és la tensió d'alliberament?

La tensió d'alliberament representa el llindar per a la des{0}}activació. A mesura que es redueix la tensió a través d'una bobina energitzada, el flux de corrent disminueix. El camp magnètic es debilita.

La tensió d'alliberament és el punt on la força magnètica es torna massa feble. Ja no pot aguantar l'induït contra la força mecànica de la molla de retorn.

A aquesta tensió, la força de restauració de la molla supera l'atracció magnètica residual. Això allunya l'armadura del nucli. Aquesta acció torna els contactes al seu estat normal-d'energia.

Igual que la tensió d'entrada-, la tensió d'alliberament d'un full de dades és un mínim garantit. Es garanteix que el relé s'ha alliberat una vegada que la tensió de la bobina cau a aquest nivell o per sota. Una especificació típica podria llegir "ha d'alliberar una tensió superior o igual a 1,2 V".

Aquest valor també s'expressa sovint com a percentatge de la tensió nominal. Per als relés de corrent continu, la tensió d'alliberament s'especifica habitualment com un 10% o més de la valoració nominal. Per a un relé de 12 VCC, la tensió d'alliberament garantida seria superior o igual a 1,2 VCC.

El concepte d'histeresi

Què signifiquen la tensió d'atracció i la tensió d'alliberament d'un relé per a un funcionament estable? La tensió d'atracció-d'un relé sempre és significativament superior a la seva tensió d'alliberament. Aquesta diferència entre els dos llindars es coneix com a histèresi.

Aquesta característica no és cap defecte. És una característica fonamental i necessària per a un funcionament estable del relé. La histèresi impedeix que el relé "parloqui"-oscil·li ràpidament-quan la tensió de control es troba prop d'un únic punt de commutació.

Imagineu-vos si els voltatges d'entrada i d'alliberament fossin idèntics. Qualsevol petit soroll o fluctuació en el senyal de control al voltant d'aquest llindar únic faria que el relé s'encengui i apagui ràpidament. Això provoca un arc de contacte, un desgast prematur i un comportament impredictible del sistema.

El bucle d'histèresi proporciona una banda morta. Una vegada que el relé s'ha introduït, la tensió ha de baixar significativament abans que s'alliberi. Això garanteix una acció de canvi neta i decidida.

Ho podem visualitzar amb un gràfic senzill que representa l'estat del relé contra la tensió de la bobina.

Aquest gràfic mostra clarament dos camins diferents per encendre i apagar. Formen un bucle que representa la histèresi del relé.

Factors-reals que influeixen en el món

El paper de la temperatura de la bobina

El factor més influent que afecta les tensions d'entrada i d'alliberament d'un relé en un circuit-real és la temperatura de la seva bobina.

La física és senzilla. Una bobina de relé s'enrotlla amb filferro de coure, que té un coeficient de resistència de temperatura positiu. Per al coure, aquest valor és d'aproximadament un +0.4% per grau centígrad.

A mesura que augmenta la temperatura de la bobina, augmenta la seva resistència de corrent continu. Això passa per un ambient ambient alt o per l'autoescalfament-degut al funcionament continu. D'acord amb la Llei d'Ohm (V=IR), si la resistència (R) augmenta, es necessita una tensió més alta (V) per produir el mateix nivell de corrent (I) necessari per generar el camp magnètic d'accionament.

A mesura que la bobina s'escalfa, augmenta la seva tracció efectiva-de tensió. Un relé que entra de manera fiable a 9 V en un laboratori de 25 graus pot requerir 11 V o més per entrar quan funciona dins d'un recinte calent a 80 graus.

L'efecte sobre la tensió d'alliberament és similar. Una bobina més calenta amb una resistència més alta significa que la tensió ha de baixar a un nivell més baix per reduir el camp magnètic prou perquè l'induït s'alliberi. Per tant, la tensió d'alliberament efectiva també augmenta amb la temperatura.

Una vegada vam investigar una fallada de camp on una unitat de control funcionava perfectament al laboratori (25 graus) però no va poder accionar un relé de seguretat crític en un recinte exterior sota el sol d'estiu (70 graus). El disseny proporcionava una tensió just per sobre de l'atracció en fred-a l'especificació. No va tenir en compte l'augment significatiu de la tracció-de la tensió a altes temperatures. La solució requeria redissenyar el circuit del controlador per proporcionar una tensió de sortida garantida més alta en totes les condicions tèrmiques.

Variacions de la font d'alimentació

La font d'alimentació d'un circuit mai és perfecta. Les seves variacions afecten directament el funcionament del relé. Els dissenyadors han de tenir en compte aquestes realitats.

El primer és la tolerància de l'oferta en si. Una font d'alimentació classificada per a "12V" sovint és de 12V ±5% o fins i tot ±10%. Un dissenyador ha de treballar amb el pitjor-cas. Si el subministrament pot baixar a 11,4 V (-5%), aquesta tensió mínima encara ha d'estar còmodament per sobre de la tensió d'entrada màxima possible del relé, tenint en compte els efectes de la temperatura total.

La segona és la caiguda de tensió o la caiguda I * R. Els cables i les traces de PCB que connecten la font d'alimentació a la bobina del relé tenen resistència. Fins i tot una petita resistència durant un llarg recorregut de cable pot provocar una caiguda de tensió important quan la bobina consumeix corrent. La tensió a la bobina del relé serà inferior a la tensió als terminals d'alimentació. Aquest factor s'ha de calcular i compensar en el disseny.

Finalment, la ondulació de tensió és una preocupació, especialment en fonts d'alimentació AC-DC més senzilles. Si la ondulació de la tensió de CC és prou gran, el canal de tensió podria caure per sota de la tensió de retenció o alliberament del relé. Això fa que el relé parloteixi o s'alliberi de manera inesperada. Això és particularment problemàtic per als circuits que funcionen a prop del llindar de tensió d'alliberament.

Impacte de la supressió de la bobina

Quan un transistor desactiva el corrent a una càrrega inductiva com una bobina de relé, el camp magnètic col·lapsant indueix un gran pic de tensió (V=-L * di/dt). Aquest pic pot destruir fàcilment el transistor de conducció si no es suprimeix.

El mètode de supressió més comú és un simple díode flyback col·locat en paral·lel a la bobina. Quan el transistor s'apaga, el díode proporciona un camí segur perquè el corrent induït circuli i es dissipi. Això protegeix el conductor.

No obstant això, aquest mètode té un avantatge-important. El corrent circulant perllonga l'existència del camp magnètic. Això manté l'armadura del relé en estat d'energia durant més temps. Això augmenta dràsticament el temps d'alliberament del relé.

Aquest retard pot ser inacceptable en aplicacions que requereixen un canvi ràpid. A més, la lenta decadència del camp magnètic també pot augmentar efectivament la tensió a la qual finalment s'allibera el relé.

Per a aplicacions on el temps d'alliberament és crític, es requereixen millors mètodes de supressió. Un díode Zener en sèrie amb el díode estàndard, o una xarxa d'amortització de resistències-condensadors (RC), pot proporcionar un camí de desintegració més ràpid per al corrent de la bobina.

Aquí hi ha una comparació de tècniques de supressió habituals:

L'elecció del mètode de supressió adequat és un equilibri entre protegir el component del controlador i assolir el rendiment d'alliberament del relé requerit.

Aplicació pràctica i disseny

Lectura d'un full de dades

Traduir la teoria a la pràctica comença amb la interpretació correcta del full de dades d'un relé. La secció de dades de la bobina conté les especificacions de tensió crítiques que regeixen el disseny del circuit del controlador.

Desglossem els paràmetres clau que trobareu.

Tensió nominal de la bobina:Aquesta és la tensió de funcionament estàndard, destinada a un ús continu. El relé està dissenyat per a un rendiment i una vida útil òptims a aquesta tensió.

Voltatge que ha de funcionar (-entrar):S'especifica com a valor màxim (p. ex., Menor o igual a 9,6 V). El vostre circuit ha de subministrar almenys aquesta tensió en totes les condicions (en el pitjor dels casos-alimentació baixa, temperatura màxima) per garantir l'activació.

Tensió d'alliberament:S'especifica com a valor mínim (p. ex., superior o igual a 1,2 V). Per garantir que el relé es des-activa, la tensió d'estat "apagat" del vostre circuit ha d'estar per sota d'aquest nivell.

Tensió contínua màxima:Aquesta és la tensió més alta que la bobina pot suportar indefinidament sense sobreescalfar ni patir danys. Superar això pot escurçar dràsticament la vida útil del relé.

A continuació es mostra un exemple d'una taula de dades de bobina típica per a un relé "cub de sucre" de 12 VCC.

La lectura atenta és essencial. Tingueu en compte que aquestes especificacions bàsiques sovint es donen a una temperatura de referència, normalment de 25 graus. Com hem comentat, aquests valors canviaran a diferents temperatures de funcionament.

Cas pràctic de disseny: UVLO

Apliquem aquests conceptes a un problema de disseny pràctic: crear un circuit de bloqueig de baixa tensió de la bateria (UVLO).

L'objectiu és protegir una bateria de plom-àcid de 12 V de descàrregues profundes. El circuit ha de desconnectar automàticament una càrrega quan la tensió de la bateria cau a un nivell crític, per exemple, 11,5 V. Només hauria de tornar a connectar la càrrega després que la bateria s'hagi recarregat a un voltatge més saludable, com ara 12,5 V.

El repte és seleccionar un relé adequat i dissenyar la lògica de control. La histèresi natural d'un relé sembla perfecta per a aquesta tasca.

La nostra anàlisi requereix que el relé realitzi dues accions basades en els llindars de tensió:

El relleu ha dealliberament(desconnecteu la càrrega) quan la tensió del sistema baixa a 11,5 V.

El relleu ha deentra-(torneu a connectar la càrrega) quan la tensió del sistema puja a 12,5 V.

En el procés de selecció, començaríem buscant un relé nominal estàndard de 12VDC. Les especificacions del full de dades són la nostra guia principal. La tensió d'alliberament ha d'estar molt per sota del nostre llindar de desconnexió d'11,5 V. La tensió de funcionament ha d'estar per sota del nostre llindar de reconnexió de 12,5 V.

Tanmateix, un enginyer professional sap no dissenyar directament amb aquestes especificacions de tolerància -àmplies. A la pràctica, mai no confiaríem en les tensions imprecís-d'entrada i alliberament del relé per establir els nostres llindars crítics d'UVLO. La tensió d'entrada i la tensió d'alliberament del relé tenen una histèresi inherent que és massa variable i depèn molt de la temperatura.

En canvi, utilitzem les especificacions del relé per crear una finestra de funcionament segura per a un circuit d'activació extern molt més precís. Dissenyaríem un circuit comparador (utilitzant un op-amplificador o un IC supervisor dedicat) amb un divisor resistiu precís per establir els llindars d'11,5 V i 12,5 V. Aquest comparador acciona llavors un transistor, que al seu torn impulsa la bobina del relé.

Per a aquest disseny, la nostra elecció de relés es guia assegurant-nos que no interfereixi amb el nostre circuit de precisió. Escolliríem un relé amb una tensió d'alliberament obligatori de, per exemple, superior o igual a 1,2 V i una tensió de funcionament obligatori inferior o igual a 9,6 V. Aquesta finestra àmplia i garantida (d'1,2V a 9,6V) ens ofereix un espai ampli. El nostre circuit de precisió pot funcionar de manera fiable a 11,5 V i 12,5 V, completament immune a les àmplies toleràncies i la deriva tèrmica del relé.

Aquest estudi de cas mostra com les propietats del relé són una part crucial del disseny del sistema. Però són gestionats i controlats per la intel·ligència externa en lloc de confiar en ells per a la precisió.

Regles de disseny

Per a una conducció robusta de relés, seguim un conjunt de principis bàsics resumits en aquesta llista de verificació.

Regla 1: Compte amb els buits.Assegureu-vos sempre que la tensió de sortida mínima garantida del vostre circuit del controlador sigui superior a la tensió màxima especificada del relé{0}}. Tenir en compte la temperatura de funcionament més alta possible.

Regla 2: La gamma baixa importa.Assegureu-vos que la tensió de fuga d'"estat-apagat" del vostre controlador, combinada amb qualsevol soroll del sistema, sigui sempre inferior a la tensió d'alliberament mínima especificada del relé. Això evita que el relé no es desactivi-.

Regla 3: la temperatura no és la teva amiga.Baixeu sempre els vostres càlculs de tensió per al pitjor-cas de l'entorn tèrmic. Una bona pràctica és pressupostar almenys un 20-25% d'augment de la tensió d'entrada quan es passa d'un entorn de laboratori de 25 graus a una aplicació industrial calenta de 85 graus.

Regla 4: Condueix amb autoritat.No conduïu mai una bobina de relé directament des d'un pin d'E/S de microcontrolador estàndard. Aquests pins tenen una capacitat limitada de subministrament de corrent i una alta impedància de sortida. Utilitzeu un controlador dedicat, com un BJT o un MOSFET, que pugui proporcionar una potència neta i de baixa-impedància a la bobina.

Regla 5: Suprimir amb prudència.Un díode flyback a través de la bobina és el requisit mínim per protegir el controlador. Si la vostra aplicació és sensible al temps de llançament, invertiu els components addicionals per a una solució de díode Zener-o amortiguador RC.

Consideracions avançades

Relés de bloqueig

És important diferenciar els relés estàndard sense-bloqueig dels relés de bloqueig, que funcionen amb un paradigma diferent.

A diferència d'un relé sense -bloqueig que requereix alimentació contínua de la bobina per mantenir el seu estat, un relé de bloqueig és biestable. Canvia d'estat amb un pols de tensió breu i després es manté en aquest nou estat amb un consum d'energia zero.

Aquests relés no tenen una tensió d'entrada ni d'alliberament tradicional. En canvi, els seus fulls de dades especifiquen un pols de tensió de configuració per moure els contactes a la posició d'energia i un pols de voltatge de restabliment (sovint en una bobina separada) per tornar-los a la posició normal.

El principal avantatge és un immens estalvi d'energia. Això fa que els relés de tancament siguin ideals per a aplicacions amb bateria-o sensibles a l'energia-en què s'ha de mantenir un estat durant llargs períodes.

Bobines AC vs DC

Els principis tractats al llarg d'aquesta guia s'apliquen principalment als relés de bobina de CC-. Els relés de bobina-AC estan dissenyats de manera diferent.

El funcionament d'una bobina de corrent continu es regeix per la seva resistència de corrent continu i el corrent resultant. El funcionament d'una bobina de CA, però, es basa en la seva impedància a la freqüència de línia especificada (per exemple, 50 Hz o 60 Hz).

Les bobines de CA sovint incorporen un anell d'ombra o una bobina d'ombra. Es tracta d'una única volta de coure curtida incrustada a la cara del nucli. Crea un flux magnètic retardat que manté l'armadura asseguda durant els-creuaments per zero de l'ona sinusoïdal de CA. Això evita el brunzit audible i la xerrada de contactes.

Les seves especificacions de tensió d'entrada i alliberament es donen en volts CA (VAC) i s'han d'avaluar en el context de l'estabilitat de la font d'alimentació CA.

Conclusió: La base del control fiable

La tensió d'entrada{0}}i alliberament és més que només números en un full de dades. Defineixen la finestra de funcionament fonamental d'un relé electromecànic. La histèresi creada per la bretxa entre aquests dos llindars és la clau per garantir un canvi net, estable i lliure de xerrades-.

Un disseny reeixit, però, ha de mirar més enllà d'aquests valors estàtics de temperatura{0}}ambiental. El missatge central d'aquesta guia és que un circuit robust ha de tenir en compte els factors reals-dinàmics que afecten directament el rendiment del relé. Això inclou especialment els efectes significatius de la temperatura de la bobina i les variacions de la font d'alimentació.

En anar més enllà del full de dades dels components i tenint en compte tot el sistema-des de la font d'alimentació i el circuit del controlador fins a l'entorn tèrmic ambiental-, els enginyers poden gestionar correctament aquests paràmetres crítics. Aquest enfocament ens permet aprofitar les característiques fonamentals dels relés per construir circuits de control que no només són funcionals en un banc de laboratori, sinó que són realment fiables en el camp.

Vegeu també

Procés de producció de relés i flux de proves

Aplicació de relés en sistemes de generació d'energia solar

Com distingir entre els contactes normalment oberts i els normalment tancats d'un relé

Com triar els relés d'automoció i les caixes de fusibles adequats