為繼電器電路添加LED進行權衡

作者 : Bill Schweber,Planet Analog

除了技術專長外,工程技術的真正核心是能夠闡明不可避免的折衷,以及設計方案的優缺點,然後在應用的背景中對它們進行權衡。這些折衷有些明顯,有些不太明顯,包含了許多因素,例如基本性能、尺寸、功耗、對整體設計的影響、設計信心、可靠性、重量和成本等…

除了技術專長外,工程技術的真正核心是能夠闡明不可避免的折衷,以及設計方案的優缺點,然後在應用的背景中對它們進行權衡。這些折衷有些明顯,有些不太明顯,包含了許多因素,例如基本性能、尺寸、功耗、對整體設計的影響、設計信心、可靠性、重量和成本等。

有次當我被問及一個簡單的技術問題時,我遇到了上述情況的另一個基本示例。有位朋友想在雙刀單擲(DPST)機電式繼電器上增加一個LED——這個繼電器以產業標準命名法命名為「2 Form A」——以表示繼電器線圈的通電狀態。電氣參數非常清楚:繼電器電源為24Vrms/1A交流電源,線圈阻值為600Ω,因此根據歐姆定律,繼電器電流為40mA,如圖1所示。

圖1 基本拓撲非常簡單——24VAC電源,為600Ω DPST繼電器供電。

我的第一個想法就是保持簡單:只需插入一個40mA的LED,而與繼電器線圈形成串聯即可。這個繼電器線圈用作限流電阻:只有一個元件,既快速又便宜(圖2)。但是由於多種原因,這個解決方案在我看來並不理想。首先,我不確定在線圈上串聯一個二極體(LED是二極體)是否會影響線圈工作——經過半波整流的電流會導致線圈以60Hz的頻率發生「震顫」。其次,繼電器在斷電時通常會產生一個電感「反衝」,這可能對LED的壽命不利。眾所周知,電氣應力、機械應力和熱應力是導致元件過早失效的最常見的原因。

圖2 第一個想法是將LED與繼電器線圈串聯,這個解決方案只用到一個元件,看上去很簡單。

由於這個裝置已工作了「一段時間」,因此要解決這些故障就可能令人沮喪。可以在線圈上增加一個鉗位二極體來解決,但這意味著要增加一個元件。再者,我通常不喜歡把原本正常工作的電路打斷而串聯加入別的元件,因為這樣做通常會在機械上造成難以清潔和正確固定的問題。

因此我轉而採用B計畫:在線圈兩端增加這個LED,以及一個限流電阻(圖3)。這個1A變壓器具有足夠的容量來處理額外的20~30mA負載,因此這樣做沒有問題。我還認為,可能不需要對整流器的交流輸出進行濾波而減少可見波紋,因為眼睛的視覺暫留現象很可能會解決這一問題,但是電感反衝的問題仍然存在。

圖3 替代方案是將LED和電阻與線圈並聯,而不是將LED串聯進去,這比第一種方案只多使用了一個電阻。

此外,有些人的眼睛對60Hz波紋特別敏感。如果要解決這個問題,那麼就必須在外部添加一個半波或全波整流器來為LED供電,然後用一個10μF~100μF的小電容對其進行濾波。由於這種附加版的指示器電路是與線圈並聯,因此實際安裝會更容易(如有必要,也更容易將其取出)。

但是退後一步,我意識到這些方法中存在很多的不確定性,這通常會令人擔憂,會讓人花費大量時間進行微調,甚至會影響長期可靠性。因此,我花了一些時間思考一個基本問題:「這裡還有哪些其他資源可以使用?」答案顯而易見:未使用的那個繼電器刀觸點——這個觸點與工作觸點在電氣上獨立而在機械上耦合。請注意,雖然單刀繼電器(SPST——1 Form A)很常見,但許多設計人員為方便起見和「預防萬一」會選擇雙刀版本,甚至會選擇DPDT (2 Form C)繼電器而不使用那些多餘的觸點,因為它們未來提供的額外的靈活性通常可以抵消成本差異。

因此,我建議將LED及其電阻透過那個未使用的繼電器刀開關從24VAC電源進行接線(圖4),這樣他所得到的指示器電路就完全獨立於繼電器線圈電路本身,從而有助於最大程度地減少電氣影響與實際安裝這兩個困難。而且,除了顯示線圈通電以外,獨立電路還能表現出繼電器銜鐵實際上處於吸合狀態,因此就可以對繼電器的工作情況更加有信心。如果從交流線路驅動LED產生了不可接受的視覺閃爍,那麼有很簡單的方法可以解決這個問題,並且無需擔心會影響到線圈驅動迴路。

圖4 使用繼電器未使用的刀開關是一種更好、更高明的、靈活、無風險的解決方案,它不僅驗證了線圈已通電,而且還驗證了繼電器銜鐵的實際吸合。

你是否曾經考慮過一個簡單的設計問題,但在深思熟慮後卻發現,儘管採用了保持簡單(KISS)原則,但這個顯而易見的解決方案確實不是明智之舉?更好的是,你是否發現了額外的未使用的繼電器觸點而可以予以利用,或者只要將BOM表從SPST繼電器升級到SPDT甚至DPDT繼電器,就可以解決問題?

(參考原文:Adding an LED to a relay illustrates circuit tradeoffs,by Bill Schweber)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年12月號雜誌

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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