Esto se está convirtiendo en una respuesta bastante larga, pero agregué muchas fotos bonitas, que deberían evitar que te duermas ;-)
Soy consciente de los relés biestables, y son los grandes ahorradores, pero aquí analizaré diferentes soluciones, todas para el mismo relé sin bloqueo, en caso de que no desee utilizar un relé de bloqueo. Eso podría ser por retroalimentación o por razones de manejo más complicadas, por ejemplo. (Una forma de obtener retroalimentación es mediante el uso de un contacto de un relé de dos polos, pero luego lo reduce a un relé de un solo polo. Existen relés de tres polos, pero son caros).
De todos modos, se trata de su astable común de bajo costo relé. Usaré este relé como referencia.
Resistencia en serie
Una forma sencilla y económica de reducir la potencia, y aplicable a la mayoría de los relés. Esté atento a la tensión de funcionamiento en la hoja de datos, a veces llamada "tensión de entrada". Para la versión estándar de 12 V del relé anterior, es de 8.4 V. Eso significa que el relé de 12 V también funcionará si le aplica un mínimo de 8.4 V. La razón de este amplio margen es que los 12 V para relés a menudo no están regulados y pueden variar, por ejemplo, con tolerancias de voltaje de red. Verifique los márgenes en los 12 V antes de hacer esto.
Mantengamos un margen y avancemos a 9 V. El relé tiene una resistencia de bobina de 360 Ω, luego una resistencia en serie de 120 Ω provocará una caída de 3 V y 9 V restantes para el relé. La disipación de potencia es de 300 mW en lugar de 400 mW, un ahorro de energía del 25%, con solo una resistencia en serie.
En este y en los otros gráficos, la potencia de la solución común se muestra en azul, normalizada para una entrada de 12 V, y nuestra solución mejorada en púrpura. El eje x muestra el voltaje de entrada.
Regulador LDO
Con la resistencia en serie, el ahorro de energía es un constante 25%, la relación de nuestras resistencias. Si el voltaje aumenta, la potencia aumentará cuadráticamente. Pero si podemos mantener constante el voltaje del relé, independientemente de nuestro voltaje de suministro de energía, la energía solo aumentará linealmente con el aumento del voltaje de entrada. Podemos hacer esto usando un LDO de 9 V para alimentar el relé. Tenga en cuenta que, en comparación con la resistencia en serie, esto ahorra más energía a voltajes de entrada más altos, pero menos si el voltaje de entrada cae por debajo de 12 V.
Ahorro de energía: 25%.
Relé sensible
Esta es la forma más sencilla de reducir drásticamente la potencia: utilice la versión sensible del relé. Nuestro relé está disponible en una versión estándar que necesita 400 mW, y una versión sensible que está contenta con la mitad de eso.
Entonces, ¿por qué no usar siempre relés sensibles? Primero, no todos los relés vienen en tipos sensibles, y cuando lo hacen, a menudo tienen restricciones, como contactos sin cambio (CO) o una corriente de conmutación limitada. Son más caros también. Pero si puede encontrar uno que se ajuste a su aplicación, sin duda lo consideraría.
Ahorro de energía: 50%.
Relé de 12 V a 5 V
Aquí llegamos al Real Savings ™. Primero tendremos que explicar la operación de 5 V. Ya vimos que podemos operar el relé a 9 V, ya que el "voltaje de operación debe ser" fue de 8.4 V. Pero 5 V es considerablemente más bajo que eso, por lo que no activará el relé. Parece, sin embargo, que el "voltaje de operación debe" solo es necesario para activar el relé; una vez que se activa, permanecerá activo incluso a voltajes mucho más bajos. Puedes probar esto fácilmente. Abra el relé y coloque 5 V a través de la bobina, y verá que no se activa. Ahora cierre el contacto con la punta de un lápiz y verá que permanece cerrado. Excelente.
Hay una trampa: ¿cómo sabemos que esto funcionará para nuestro relé? No menciona los 5 V en ninguna parte. Lo que necesitamos es el "voltaje de retención" del relé, que proporciona el voltaje mínimo para permanecer activado, y desafortunadamente eso a menudo se omite en las hojas de datos. Entonces tendremos que usar otro parámetro: "debe liberar voltaje". Esa es la tensión máxima a la que el relé garantizará la desconexión. Para nuestro relé de 12 V es 0.6 V, que es realmente bajo. El "voltaje de retención" suele ser solo un poco más alto, como 1,5 V o 2 V. En muchos casos, vale la pena arriesgar 5 V No si desea ejecutar una producción de 10k / año del dispositivo sin consultar al fabricante del relé; Es posible que tenga muchas devoluciones.
Por lo tanto, solo necesitamos el alto voltaje por un tiempo muy corto, y luego podemos conformarnos con los 5 V. Esto se puede lograr fácilmente con un circuito RC paralelo en serie con el relé. Cuando se enciende el relé, el condensador se descarga y, por lo tanto, hace un cortocircuito en la resistencia paralela, de modo que los 12 V completos están a través de la bobina y puede activarse. El condensador se carga y habrá una caída de voltaje a través de la resistencia que reduce la corriente.
Esto es como en nuestro primer ejemplo, solo entonces fuimos por un voltaje de bobina de 9 V, ahora queremos 5 V. ¡Calculadora! 5 V a través de los 360 Ω de la bobina son 13,9 mA, entonces la resistencia debe ser (12 V - 5 V) /13,9 mA = 500 Ω. Antes de que podamos encontrar el valor del condensador, debemos consultar la hoja de datos una vez más: el tiempo máximo de operación es de 10 ms como máximo. Eso significa que el condensador debería cargar lo suficientemente lento como para tener 8,4 V en la bobina después de 10 ms. Así es como debería verse el voltaje de la bobina con el tiempo:
El valor R para la constante de tiempo RC es el paralelo de 500 Ω a los 360 Ω de la bobina, debido a Thévenin. Eso es 209 Ω. La ecuación del gráfico es
VdoOh yoL= 5 V+ 7 V⋅ e- tR C
VdoOh yoLtRdo
Entonces, en estado estacionario, tenemos una resistencia de 860 Ω en lugar de 360 Ω. Estamos ahorrando 58% .
Relé de 12 V a 5 V, repita
La siguiente solución nos da los mismos ahorros a 12 V, pero con un regulador de voltaje mantendremos el voltaje a 5 V, incluso si el voltaje de entrada aumentara.
¿Qué sucede cuando cerramos el interruptor? C1 se carga rápidamente a 4,3 V a través de D1 y R1. Al mismo tiempo, C2 se carga a través de R2. Cuando se alcanza el umbral del interruptor analógico, el interruptor en IC1 alternará, y el polo negativo de C1 se conectará a +5 V, de modo que el polo positivo vaya a 9.3 V. Eso es suficiente para que el relé se active, y después de que C1 se descargue, el El relé es alimentado por los 5 V a D1.
Entonces, ¿cuál es nuestra ganancia? Tenemos 5 V / 360 Ω = 14 mA a través del relé, y provienen de 12 V a través de un LM7805 o similar que es 167 mW en lugar de 400 mW.
Ahorro de energía: 58%.
Relé de 12 V a 5 V, repetición 2
Podemos hacerlo aún mejor usando un SMPS para obtener nuestros 5 V de nuestra fuente de alimentación de 12 V. Usaremos el mismo circuito con el interruptor analógico, pero ahorraremos mucho más. Con un SMPS 90% eficiente, tenemos un ahorro de energía del 80% (!) .
(gráficos hechos con Mathematica)