引言
所有電源系統(tǒng)的主要目的都是維持高水平的持續(xù)供電能力,，并在出現(xiàn)不可承受狀態(tài)時,，最小化其影響范圍和斷電時間,。功率損耗,、電壓下降,、過電流和過壓總會出現(xiàn),，因為我們無法避免自然事件,、物理事故,、設(shè)備故障或者人為誤操作。組合使用一些器件,，用于保護(hù)電氣設(shè)備免受這些事件的損害,，也即“接電裝置”。螺線管和繼電器是所有接電裝置中不可或缺的組成部分,。它們通過線圈通電和接觸,，連接/斷開受保護(hù)設(shè)備的電源。本文為您介紹繼電器,、電流接觸器和閥門中常見的螺線管線圈的一些特性,。另外，文章還介紹了一些驅(qū)動它們的方法,，并說明有效驅(qū)動的發(fā)展趨勢,。本文還列舉了一些接電裝置應(yīng)用電路的例子。
過電流保護(hù)器件（例如：斷路器等）,，用于保護(hù)導(dǎo)體不受過電流的損害,。設(shè)計這些保護(hù)器件的目的是，讓電路中的電流保持在一個安全水平，以防止電路導(dǎo)體器過熱,。電流接觸器主要用于連接或者斷開導(dǎo)體接觸電流,。它們用于一些頻繁或者長期不變的導(dǎo)通-斷開連接。
為了保護(hù)電路免受強(qiáng)電流的損害,，保護(hù)性器件必須知道故障狀態(tài)何時出現(xiàn),，并能自動將電氣設(shè)備同電源斷開。過電流保護(hù)器件必須能夠區(qū)分過電流與短路的區(qū)別,，并以正確的方式做出反應(yīng),。可以允許一定時間的小過電流,，但是,，隨著電流量的增加，保護(hù)器件必須能夠更加迅速地做出響應(yīng),，例如：迅即阻止短路,。
螺線管線圈特性
機(jī)電螺線管由一個圍繞可移動鋼或鐵芯（稱作“電樞”）的電磁感應(yīng)線圈繞組組成。該線圈的形狀可讓電樞移入或移出其中心,，從而改變線圈的電感,，最終形成電磁（請參見圖1）。電樞用于向一些機(jī)械裝置提供機(jī)械力,。
圖1螺線管工作原理
螺線管的主要電特性是,，它是一種電感器，擁有電感,，這是一種對抗電流變化的特性,。這就是當(dāng)螺線管帶電時電流不會立即達(dá)到最大水平的原因。相反,，電流以一種穩(wěn)定的速率增加,，直到其受到螺線管DC電阻的限制為止。電感器（例如：螺線管）以集中磁場的方式存儲能量,。只要線路或者導(dǎo)體內(nèi)存在電流,，就會在線路周圍形成磁場（盡管很小）,。把線路繞成一個線圈（例如：螺線管中的線圈）以后,，磁場便變得非常集中。通過電信號,，電磁可用于控制機(jī)械閥門,。螺線管一通電，電流便增加,，從而使磁場不斷擴(kuò)展,，直到其強(qiáng)至能夠移動電樞為止,。電樞移動會增加磁場的集中度,，因為電樞自有磁質(zhì)量移至更遠(yuǎn),，進(jìn)入該磁場。記住,，磁場變化的方向與讓其形成的電流的方向相同,，從而在繞組中引起反向電壓。由于電樞運(yùn)動時磁場迅速擴(kuò)展,，它會使通過螺線管繞組的電流短暫下降,。在電樞運(yùn)動后，電流繼續(xù)沿其正常路徑上升至最大水平,。結(jié)果如圖2中電流波形所示,。注意觀察電流波形上升過程中的明顯下探點。
螺線管線圈驅(qū)動：電壓還是電流驅(qū)動,？
所前所述,，螺線管的電樞用于為機(jī)械裝置提供機(jī)械力。施加給電樞的力與電樞位置變化時線圈的電感變化成比例關(guān)系,。另外,，它還與流經(jīng)線圈的電流成比例關(guān)系（根據(jù)法拉第的電感定律）。方程式1計算螺線管電磁對某個通過電荷所施加的力：
力=Q ×V×（磁常量× N × I）,，（1）
其中,，Q為通過點電荷的電荷；V為該點電荷的速度,；磁常量為4π×10–7,；N為螺線管線圈的匝數(shù)；I為通過螺線管的電流,。這表明,，螺線管的電磁力直接與電流有關(guān)。
傳統(tǒng)上,，電壓驅(qū)動用于驅(qū)動螺線管線圈,；因此，線圈內(nèi)持續(xù)消耗電力,。這種功率消耗的一個不利影響是線圈發(fā)熱,，之后擴(kuò)散至整個繼電器。線圈溫度由環(huán)境溫度,、V×I線圈功耗帶來的自發(fā)熱,、接觸系統(tǒng)引起的發(fā)熱、渦電流產(chǎn)生的磁化損耗以及其它熱源（例如：繼電器附近的一些組件）共同決定,。由于線圈發(fā)熱,，線圈電阻增加。高溫電阻計算方法如方程式2所示：
其中，RCoil_20°C為電阻20°C值,，而kR_T則為銅的熱系數(shù),，其等于0.0034每攝氏度。根據(jù)RCoil_20°C（一般可在螺線管線圈產(chǎn)品說明書中找到）,，可計算得到高溫下的極端線圈電阻,。在電路設(shè)計期間，需注意進(jìn)行極端條件下的相關(guān)計算,，例如：工作拾取電壓的最高可能線圈溫度,。
圖2 螺線管電流
需要注意的另一點是，就特定線圈而言,，在任何條件下拾取電流都保持不變,。拾取電流取決于拾取電壓和線圈電阻（IPick-up= VPick-up/RCoil）。大多數(shù)繼電器均由銅線制成,。根據(jù)方程式2,，由于線圈溫度上升，線圈電阻增加,。因此,，熱線圈的拾取電壓應(yīng)更高，以產(chǎn)生要求的拾取電流,。例如,，如果一個12VDC繼電器的拾取電壓為9.6VDC，并且20°C下線圈電阻為400 Ω,，則IPick-up= 24 mA,。當(dāng)線圈溫度上升至40°C時，線圈電阻增加至432 Ω,。因此,，拾取電壓為10.36 VDC。（拾取電流保持不變,。）換句話說,，溫度增加20°C，拾取電壓上升0.76VDC,。繼電器使用更高占空比時,，由于線圈的溫度上升，每個連續(xù)周期的拾取電壓可能會稍微上升,。圖3表明,，如果使用電壓驅(qū)動，則用戶可能不得不對線圈進(jìn)行超裕度設(shè)計,。
圖3 螺線管電壓驅(qū)動的超裕量設(shè)計
簡而言之,，由于電流隨線圈電阻,、溫度、電源電壓等變化而變化,，因此電壓驅(qū)動迫使我們只能進(jìn)行超裕度設(shè)計,。所以，對于許多螺線管的器件來說,，使用電流驅(qū)動是最佳方式,。
功耗優(yōu)化
關(guān)閉一個繼電器或者閥門,，要求使用大量的能量,。激活螺線管致動器的瞬間電流（稱作“峰值電流”，Ipeak）會非常高,。但是,，一旦繼電器或者閥門關(guān)閉，將其維持在這種狀態(tài)下所要求的電流（稱作“保持電流”,，IHold）則大大小于峰值電流,。一般而言，保持電流均小于峰值電流：IHold<< IPeak,。
使用電壓驅(qū)動時,，螺線管線圈的電流持續(xù)，并且高于使用電流驅(qū)動的情況（圖4）,。與電壓驅(qū)動不同,，電流驅(qū)動無需為溫度或者螺線管差異引起的參數(shù)變化留出余量。這種設(shè)計要求使用單獨的峰值電流值（大小可能為數(shù)安培）,，并同時使用固態(tài)保持電流（可能僅為峰值電流值的1/20）,。
圖4 電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動的螺線管電流
螺線管線圈驅(qū)動的電流控制實施
傳統(tǒng)上，我們直接通過微控制器（MCU）的通用輸入/輸出（GPIO）來驅(qū)動螺線管線圈（圖5a）,。通過一個由MCU的GPIO控制的一個開關(guān),，激活線圈。人們開發(fā)出了一種新的驅(qū)動系統(tǒng),，其使用波形的脈寬調(diào)制（PWM）（圖5b）,。線圈經(jīng)由一個受MCU的PWM控制的開關(guān)來激活，然后占空比決定通過線圈的平均電流,。我們使用了德州儀器DRV110,，它是一種帶有集成電源調(diào)節(jié)的節(jié)能型螺線管控制器（圖5c）。這種基于DRV110的系統(tǒng),，設(shè)計它的目的是通過較好控制的波形來調(diào)節(jié)電流,，以降低功耗。在初始上升以后,，螺線管電流保持在峰值上,，以確保正常工作,，之后降至某個更低的保持水平，目的是避免發(fā)熱問題和降低功耗,。圖6的曲線圖比較了傳統(tǒng)驅(qū)動器和DRV110的工作情況,。注意，其它一些方法也可降低電壓,，但卻需要一定的開銷才能保證在各種溫度下保持電流始終不變,。
圖5 線圈驅(qū)動方法
圖6 傳統(tǒng)驅(qū)動器和DRV110工作原理比較
圖7顯示了基于DRV110的一個典型應(yīng)用電路。DRV110控制通過螺線管的電流（LS）,，如圖7所示,。EN引腳電壓被（內(nèi)部或者外部驅(qū)動器）拉高時，激活開始,。在激活之初,，DRV110允許負(fù)載電流升高至峰值（IPeak），然后在降低至IHold以前對其進(jìn)行tKeep時間的調(diào)節(jié),。只要EN引腳維持高電平,，則把負(fù)載電流調(diào)節(jié)至保持值。初始電流上升時間取決于螺線管的電感和電阻,。一旦EN引腳被驅(qū)動至GND,，則DRV110允許螺線管電流降至零。
圖7 DRV110和螺線管電流波形的典型應(yīng)用電路
計算DRV110的IPeak和IHold
DRV110的激活（峰值）電流由線圈的“導(dǎo)通”電阻和繼電器要求的拾取電壓所決定,。最高溫度電阻值（RCoil_T(max)）和繼電器額定工作電壓（Vnom）可用于計算最高溫度下要求的IPeak值：
DRV110的保持電流由線圈的“導(dǎo)通”電阻以及避免繼電器出現(xiàn)壓降所要求的電壓決定,。為了使繼電器不出現(xiàn)壓降，制造廠商均在其產(chǎn)品說明書中列出了建議電壓值,；但是,，應(yīng)為振動和其它意外情況留出一定的余量。許多繼電器制造廠商把額定電壓的35%作為安全極限,。假設(shè)這一極限值夠用,，則可使用RCoil_T(max)值和繼電器額定工作電壓（Vnom）來計算不同工作溫度的IHold值：
接電裝置應(yīng)用舉例
如果在規(guī)定時間負(fù)載超出器件的額定電流，則過載保護(hù)會讓器件斷開電路連接,。圖8所示保護(hù)電路實現(xiàn)通過測量電流和電壓來產(chǎn)生激活（EN）信號,。（為了簡化圖8-10，未顯示OSC,、PEAK,、HOLD和KEEP的DRV110引腳連接。）
圖8 過載保護(hù)
磁接觸器需要一個電流通過線圈,，以移動該接觸器進(jìn)入關(guān)閉或者開啟位置,。圖9顯示了使用DRV110的一個接觸器系統(tǒng)的RMS電壓檢測電路實現(xiàn)。
圖9 RMS電壓檢測磁接觸器系統(tǒng)
利用DRV110還可以實現(xiàn)欠壓和過壓保護(hù)（圖10）,。使用兩個比較器來測量高低閾值電壓,。根據(jù)每個比較器的輸出,，SR觸發(fā)器向DRV110發(fā)送一個激活（EN）信號。
圖10 欠壓和過壓保護(hù)
結(jié)論
使用集成電源調(diào)節(jié)的節(jié)能型螺線管控制器有很多好處,。為了實現(xiàn)節(jié)能的目的,，電流調(diào)節(jié)是致動器力控制最為精確的方法。由于這種系統(tǒng)不受線圈電阻,、電源電壓和溫度變化的影響,，因此無需增加余量。另外,，系統(tǒng)可靠性也得到了提高,，因為螺線管行為經(jīng)過了反復(fù)優(yōu)化。最后,，還降低了系統(tǒng)成本,。由于能量得到精確控制,，使用更小,、更便宜的線圈，便可輕松獲得可以接受的驅(qū)動性能,。
參考文獻(xiàn)
1,、《集成電源調(diào)節(jié)的節(jié)能型螺線管控制器》，DRV110產(chǎn)品說明書,，網(wǎng)址：www.ti.com/slvsba8-aaj,。