【導(dǎo)讀】電源系統(tǒng)的主要木筆是維持高水平的持續(xù)供電能力，螺線管和繼電器是所有接電設(shè)備中不可缺少的部分，本文詳細(xì)介紹了有關(guān)螺線管線圈在開關(guān)設(shè)備中的驅(qū)動方法，一定不會讓你失望！
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
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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℃為電阻20℃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℃（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。
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℃下線圈電阻為400Ω，則IPick-up= 24 mA。當(dāng)線圈溫度上升至40℃時，線圈電阻增加至432Ω。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℃，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
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）。
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：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)
圖9：RMS電壓檢測磁接觸器系統(tǒng)
圖10：欠壓和過壓保護(hù)
總結(jié)：
電源調(diào)節(jié)是制動器力控制最為精確的方法，不但節(jié)能，而且系統(tǒng)不受線圈電阻、電源電壓和溫度變化的影響，無須增加余量，體統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高，并且經(jīng)過螺線管反復(fù)優(yōu)化，降低了成本，并獲得了更好的驅(qū)動性能。
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