引言
所有電源系統的主要目的都是維持高水平的持續供電能力，并在出現不可承受狀態(tài)時(shí)，最小化其影響范圍和斷電時(shí)間。功率損耗、電壓下降、過(guò)電流和過(guò)壓總會(huì )出現，因為我們無(wú)法避免自然事件、物理事故、設備故障或者人為誤操作。組合使用一些器件，用于保護電氣設備免受這些事件的損害，也即“接電裝置”。螺線(xiàn)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(guò)線(xiàn)圈通電和接觸，連接/斷開(kāi)受保護設備的電源。本文為您介紹繼電器、電流接觸器和閥門(mén)中常見(jiàn)的螺線(xiàn)管線(xiàn)圈的一些特性。另外，文章還介紹了一些驅動(dòng)它們的方法，并說(shuō)明有效驅動(dòng)的發(fā)展趨勢。本文還列舉了一些接電裝置應用電路的例子。

過(guò)電流保護器件（例如：斷路器等），用于保護導體不受過(guò)電流的損害。設計這些保護器件的目的是，讓電路中的電流保持在一個(gè)安全水平，以防止電路導體器過(guò)熱。電流接觸器主要用于連接或者斷開(kāi)導體接觸電流。它們用于一些頻繁或者長(cháng)期不變的導通-斷開(kāi)連接。

為了保護電路免受強電流的損害，保護性器件必須知道故障狀態(tài)何時(shí)出現，并能自動(dòng)將電氣設備同電源斷開(kāi)。過(guò)電流保護器件必須能夠區分過(guò)電流與短路的區別，并以正確的方式做出反應�？梢栽试S一定時(shí)間的小過(guò)電流，但是，隨著(zhù)電流量的增加，保護器件必須能夠更加迅速地做出響應，例如：迅即阻止短路。

螺線(xiàn)管線(xiàn)圈特性
機電螺線(xiàn)管由一個(gè)圍繞可移動(dòng)鋼或鐵芯（稱(chēng)作“電樞”）的電磁感應線(xiàn)圈繞組組成。該線(xiàn)圈的形狀可讓電樞移入或移出其中心，從而改變線(xiàn)圈的電感，最終形成電磁（請參見(jiàn)圖1）。電樞用于向一些機械裝置提供機械力。

圖1螺線(xiàn)管工作原理

螺線(xiàn)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。這就是當螺線(xiàn)管帶電時(shí)電流不會(huì )立即達到最大水平的原因。相反，電流以一種穩定的速率增加，直到其受到螺線(xiàn)管DC電阻的限制為止。電感器（例如：螺線(xiàn)管）以集中磁場(chǎng)的方式存儲能量。只要線(xiàn)路或者導體內存在電流，就會(huì )在線(xiàn)路周?chē)�形成磁�?chǎng)（盡管很�。�。把線(xiàn)路繞成一個(gè)線(xiàn)圈（例如：螺線(xiàn)管中的線(xiàn)圈）以后，磁場(chǎng)便變得非常集中。通過(guò)電信號，電磁可用于控制機械閥門(mén)。螺線(xiàn)管一通電，電流便增加，從而使磁場(chǎng)不斷擴展，直到其強至能夠移動(dòng)電樞為止。電樞移動(dòng)會(huì )增加磁場(chǎng)的集中度，因為電樞自有磁質(zhì)量移至更遠，進(jìn)入該磁場(chǎng)。記住，磁場(chǎng)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(dòng)時(shí)磁場(chǎng)迅速擴展，它會(huì )使通過(guò)螺線(xiàn)管繞組的電流短暫下降。在電樞運動(dòng)后，電流繼續沿其正常路徑上升至最大水平。結果如圖2中電流波形所示。注意觀(guān)察電流波形上升過(guò)程中的明顯下探點(diǎn)。

螺線(xiàn)管線(xiàn)圈驅動(dòng)：電壓還是電流驅動(dòng)？
所前所述，螺線(xiàn)管的電樞用于為機械裝置提供機械力。施加給電樞的力與電樞位置變化時(shí)線(xiàn)圈的電感變化成比例關(guān)系。另外，它還與流經(jīng)線(xiàn)圈的電流成比例關(guān)系（根據法拉第的電感定律）。方程式1計算螺線(xiàn)管電磁對某個(gè)通過(guò)電荷所施加的力：

力=Q ×V×（磁常量× N × I），（1）

其中，Q為通過(guò)點(diǎn)電荷的電荷；V為該點(diǎn)電荷的速度；磁常量為4π×10–7；N為螺線(xiàn)管線(xiàn)圈的匝數；I為通過(guò)螺線(xiàn)管的電流。這表明，螺線(xiàn)管的電磁力直接與電流有關(guān)。

傳統上，電壓驅動(dòng)用于驅動(dòng)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈；因此，線(xiàn)圈內持續消耗電力。這種功率消耗的一個(gè)不利影響是線(xiàn)圈發(fā)熱，之后擴散至整個(gè)繼電器。線(xiàn)圈溫度由環(huán)境溫度、V×I線(xiàn)圈功耗帶來(lái)的自發(fā)熱、接觸系統引起的發(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(xiàn)圈發(fā)熱，線(xiàn)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，其等于0.0034每攝氏度。根據RCoil_20°C（一般可在螺線(xiàn)管線(xiàn)圈產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中找到），可計算得到高溫下的極端線(xiàn)圈電阻。在電路設計期間，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(xiàn)圈溫度。

圖2 螺線(xiàn)管電流

 
需要注意的另一點(diǎn)是，就特定線(xiàn)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(xiàn)圈電阻（IPick-up= VPick-up/RCoil）。大多數繼電器均由銅線(xiàn)制成。根據方程式2，由于線(xiàn)圈溫度上升，線(xiàn)圈電阻增加。因此，熱線(xiàn)圈的拾取電壓應更高，以產(chǎn)生要求的拾取電流。例如，如果一個(gè)12VDC繼電器的拾取電壓為9.6VDC，并且20°C下線(xiàn)圈電阻為400 Ω，則IPick-up= 24 mA。當線(xiàn)圈溫度上升至40°C時(shí)，線(xiàn)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(huà)說(shuō)，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(shí)，由于線(xiàn)圈的溫度上升，每個(gè)連續周期的拾取電壓可能會(huì )稍微上升。圖3表明，如果使用電壓驅動(dòng)，則用戶(hù)可能不得不對線(xiàn)圈進(jìn)行超裕度設計。

圖3 螺線(xiàn)管電壓驅動(dòng)的超裕量設計
 

簡(jiǎn)而言之，由于電流隨線(xiàn)圈電阻、溫度、電源電壓等變化而變化，因此電壓驅動(dòng)迫使我們只能進(jìn)行超裕度設計。所以，對于許多螺線(xiàn)管的器件來(lái)說(shuō)，使用電流驅動(dòng)是最佳方式。

功耗優(yōu)化
關(guān)閉一個(gè)繼電器或者閥門(mén)，要求使用大量的能量。激活螺線(xiàn)管致動(dòng)器的瞬間電流（稱(chēng)作“峰值電流”，Ipeak）會(huì )非常高。但是，一旦繼電器或者閥門(mén)關(guān)閉，將其維持在這種狀態(tài)下所要求的電流（稱(chēng)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。

使用電壓驅動(dòng)時(shí)，螺線(xiàn)管線(xiàn)圈的電流持續，并且高于使用電流驅動(dòng)的情況（圖4）。與電壓驅動(dòng)不同，電流驅動(dòng)無(wú)需為溫度或者螺線(xiàn)管差異引起的參數變化留出余量。這種設計要求使用單獨的峰值電流值（大小可能為數安培），并同時(shí)使用固態(tài)保持電流（可能僅為峰值電流值的1/20）。

圖4 電壓驅動(dòng)和電流驅動(dòng)的螺線(xiàn)管電流
 

螺線(xiàn)管線(xiàn)圈驅動(dòng)的電流控制實(shí)施
傳統上，我們直接通過(guò)微控制器（MCU）的通用輸入/輸出（GPIO）來(lái)驅動(dòng)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈（圖5a）。通過(guò)一個(gè)由MCU的GPIO控制的一個(gè)開(kāi)關(guān)，激活線(xiàn)圈。人們開(kāi)發(fā)出了一種新的驅動(dòng)系統，其使用波形的脈寬調制（PWM）（圖5b）。線(xiàn)圈經(jīng)由一個(gè)受MCU的PWM控制的開(kāi)關(guān)來(lái)激活，然后占空比決定通過(guò)線(xiàn)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節的節能型螺線(xiàn)管控制器（圖5c）。這種基于DRV110的系統，設計它的目的是通過(guò)較好控制的波形來(lái)調節電流，以降低功耗。在初始上升以后，螺線(xiàn)管電流保持在峰值上，以確保正常工作，之后降至某個(gè)更低的保持水平，目的是避免發(fā)熱問(wèn)題和降低功耗。圖6的曲線(xiàn)圖比較了傳統驅動(dòng)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(kāi)銷(xiāo)才能保證在各種溫度下保持電流始終不變。

圖5 線(xiàn)圈驅動(dòng)方法
 

圖6 傳統驅動(dòng)器和DRV110工作原理比較
 

圖7顯示了基于DRV110的一個(gè)典型應用電路。DRV110控制通過(guò)螺線(xiàn)管的電流（LS），如圖7所示。EN引腳電壓被（內部或者外部驅動(dòng)器）拉高時(shí)，激活開(kāi)始。在激活之初，DRV110允許負載電流升高至峰值（IPeak），然后在降低至IHold以前對其進(jìn)行tKeep時(shí)間的調節。只要EN引腳維持高電平，則把負載電流調節至保持值。初始電流上升時(shí)間取決于螺線(xiàn)管的電感和電阻。一旦EN引腳被驅動(dòng)至GND，則DRV110允許螺線(xiàn)管電流降至零。

圖7 DRV110和螺線(xiàn)管電流波形的典型應用電路

 
計算DRV110的IPeak和IHold
DRV110的激活（峰值）電流由線(xiàn)圈的“導通”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(xiàn)圈的“導通”電阻以及避免繼電器出現壓降所要求的電壓決定。為了使繼電器不出現壓降，制造廠(chǎng)商均在其產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中列出了建議電壓值；但是，應為振動(dòng)和其它意外情況留出一定的余量。許多繼電器制造廠(chǎng)商把額定電壓的35%作為安全極限。假設這一極限值夠用，則可使用RCoil_T(max)值和繼電器額定工作電壓（Vnom）來(lái)計算不同工作溫度的IHold值：

 
接電裝置應用舉例
如果在規定時(shí)間負載超出器件的額定電流，則過(guò)載保護會(huì )讓器件斷開(kāi)電路連接。圖8所示保護電路實(shí)現通過(guò)測量電流和電壓來(lái)產(chǎn)生激活（EN）信號。（為了簡(jiǎn)化圖8-10，未顯示OSC、PEAK、HOLD和KEEP的DRV110引腳連接。）

圖8 過(guò)載保護

 
磁接觸器需要一個(gè)電流通過(guò)線(xiàn)圈，以移動(dòng)該接觸器進(jìn)入關(guān)閉或者開(kāi)啟位置。圖9顯示了使用DRV110的一個(gè)接觸器系統的RMS電壓檢測電路實(shí)現。

圖9 RMS電壓檢測磁接觸器系統
 

利用DRV110還可以實(shí)現欠壓和過(guò)壓保護（圖10）。使用兩個(gè)比較器來(lái)測量高低閾值電壓。根據每個(gè)比較器的輸出，SR觸發(fā)器向DRV110發(fā)送一個(gè)激活（EN）信號。

圖10 欠壓和過(guò)壓保護

 

結論
使用集成電源調節的節能型螺線(xiàn)管控制器有很多好處。為了實(shí)現節能的目的，電流調節是致動(dòng)器力控制最為精確的方法。由于這種系統不受線(xiàn)圈電阻、電源電壓和溫度變化的影響，因此無(wú)需增加余量。另外，系統可靠性也得到了提高，因為螺線(xiàn)管行為經(jīng)過(guò)了反復優(yōu)化。最后，還降低了系統成本。由于能量得到精確控制，使用更小、更便宜的線(xiàn)圈，便可輕松獲得可以接受的驅動(dòng)性能。