去年 10 月做過 ESP8266 耗電實驗,跟讀者 JJC66601 討論到改用繼電器控制供電的可能,當時提到我沒考慮繼電器的理由有二:一是在經驗裡對繼電器的壽命很沒信心,二是靠電磁維持閉路狀態的繼電器,直覺耗電量應該不低,但就只是直覺。當時覺得這是個有趣議題,有時間應要實測看看。趁著年假,我還真的把實驗做完了。

繼電器有很多種,這裡說的是 Arduino 常用的藍色方塊狀電磁式繼電器(下圖左),內部靠電磁線圈通電吸附簧片接觸導電,最大優點是可以控制 110V+ 10A 大電流交流電,但機械動作切換速度不快,且易因觸點火花、物理磨耗損壞,壽命不長。如要控制 36V 以下的直流電,我後來又學會電晶體開關、MOS 管開關(下圖右)... 等更好選擇,不但切換速度快又無物理損耗。(但繼電器是我以前唯一會用程式控制的電源開關,以至於幹過用繼電器切換接地改變電容的天才行為,現在回頭看覺得很有趣。)

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這次實驗會比較用繼電器跟 MOS 管切換 LED 亮滅的耗電,為了方便量測,5V 電源要同時供應 LED 及繼電器或 MOS 管模組的電力,故要先測量 LED 耗電,稍後扣除它算出繼電器或 MOS 管的耗電。

實測 LED 耗電為 13.5mA。

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分別接上繼電器跟 MOS 管控制 LED 亮滅,用三用電錶測量流回接地端的電流。繼電器通電狀態之總耗電約 91.6mA,扣除 LED 耗電 13.5mA,耗電約 78mA;MOS 管通電狀態總耗電 15.4mA,扣除 LED 耗電 13.5mA,耗電約 2mA。

測試影片

實驗結果符合推測,產生電磁的耗電果然可觀,MOS 管的電子動作耗電僅有電磁繼電器的 1/39。

除了耗電,電磁繼電器速度不快,每次切換快一秒才能完成。我手上的 MOS 管開關適用電壓 5V ~ 36V,最大電流 15A,支援 PWM 頻率可達 20KHz,推測一秒切換幾百上千次應該不是問題,就順便也實測看看。

我用 ESP32 接可變電阻調整頻率從 2Hz 提升到 500Hz,控制 MOS 管開關 9V 電壓,並以示波器觀察頻率跟波形。

測試影片

實測顯示,MOS 管可依輸入電壓控制達到每次開關 500 次沒問題,但頻率到 500Hz 時斷路期間電壓上升到 5V,猜想是電容效應造成,但這部分超出我的知識範圍,無法再深究,而一秒數百次的切換速度對我的應用已綽綽有餘。

【結論】對於 36V 以下的直流電開關,在耗電、速度與使用壽命上,MOS 管電子開關模組遠勝電磁繼電器。


Comments

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小弟本身是電力電子專業 覺得有可能會有以下問題其一或多個 1. 電源無法供應足夠功率 2. MOS本身體質不好 這種模組使用的MOS用料可能不會太好 3. 驅動能力的問題 通常電力電子在使用 會在數位控制器的PWM訊號與MOS之間加上閘極驅動器 圖中看不太出來那個模組有無閘極驅動器 增加驅動能力(涉及到功率切換速度等 可能要查一下datasheet 即使有 也有可能因為模組省成本 使用品質不太好的驅動器 驅動能力不好高頻依然會出現問題 目前電力電子的開關頻率普遍都在10kHz-100kHz數量級的範圍

# by Jeffrey

to 儒,MOS 開關模組的型號為 XY-MOS,一顆不到 30 元,元件只有兩顆 D4184、三個電阻跟一個 LED,DataSheet 不難找,但對外行如我與天書無異,呵。

# by Yunus

作者您好 , 請問零件是在哪裡買的? 我看網路XY-MOS 價格都不低於100.. 想了解一下 之後嘗試東西

# by Jeffrey

to Yunus,試試關鍵字「大功率MOS管 PWM調節電子開關」

# by Yunus

看到了!! 謝謝~

# by jjc66601

今天上班一直在想一個問題,這個XY-MOS 設計上是切斷GND,VCC沒有切斷,所以有應用上的限制,尤其是"主控"與"被控"之間有其他的信號接線SPI,CS,I2C....當這些控制信號一直出現低電位信號的時候,會導致"被控"端因為一直存在VCC的問題,會有誤動作(電流透過BUS變成接地).(ex Nano - XY-MOS-I2C LCD) 有電子基礎的人當然不會碰到這種問題,但是現在很多創客可能連電表都不會用,"完全取代繼電器"會不會有人異想天開拿去控制110V AC 燈泡之類的!?

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