【導讀】電源系統的主要木筆是維持高水平的持續供電能力，螺線管和繼電器是所有接電設備中不可缺少的部分，本文詳細介紹了有關螺線管線圈在開關設備中的驅動方法，一定不會讓你失望！
過電流保護器件（例如：斷路器等），用于保護導體不受過電流的損害。設計這些保護器件的目的是，讓電路中的電流保持在一個安全水平，以防止電路導體器過熱。電流接觸器主要用于連接或者斷開導體接觸電流。它們用于一些頻繁或者長期不變的導通-斷開連接。
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何時出現，并能自動將電氣設備同電源斷開。過電流保護器件必須能夠區分過電流與短路的區別，并以 正確的方式做出反應。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。
螺線管線圈特性
機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）。電樞用于向一些機械裝置提供機械力。
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，電磁可用于控制機械閥門。螺線管一通電，電流便增加，從而使磁場不斷擴展，直到其強至能 夠移動電樞為止。電樞移動會增加磁場的集中度，因為電樞自有磁質量移至更遠，進入該磁場。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。注意觀察電流波形上升過程中的明顯下探點。
螺線管線圈驅動：電壓還是電流驅動？
所前所述，螺線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線圈的電感變化成比例關系。另外，它還與流經線圈的電流成比例關系（根據法拉第的電感定律）。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；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。
傳 統上，電壓驅動用于驅動螺線管線圈；因此，線圈內持續消耗電力。這種功率消耗的一個不利影響是線圈發熱，之后擴散至整個繼電器。線圈溫度由環境溫度、 V×I線圈功耗帶來的自發熱、接觸系統引起的發熱、渦電流產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，其等于0.0034每攝氏度。根據RCoil_20℃（一般可在螺線管線圈產品說明書中找到），可計算得到高溫下的極端線圈電阻。在電路設計期間，需注意進行極端條件下的相關計算，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）。大多數繼電器均由銅線制成。根據方程式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更高，以產生要求的拾取電流。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，如果使用電壓驅動，則用戶可能不得不對線圈進行超裕度設計。
圖3：螺線管電壓驅動的超裕量設計
功耗優化
關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閉，將其維持在這種狀態下所要求的電流（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。
使用電壓驅動時，螺線管線圈的電流持續，并且高于使用電流驅動的情況（圖4）。與電壓驅動不同，電流驅動無需為溫度或者螺線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），并同時使用固態保持電流（可能僅為峰值電流值的1/20）。
傳統上，我們直接通過微控制器（MCU） 的通用輸入/輸出（GPIO）來驅動螺線管線圈（圖5a）。通過一個由MCU的GPIO控制的一個開關，激活線圈。人們開發出了一種新的驅動系統，其使用 波形的脈寬調制（PWM）（圖5b）。線圈經由一個受MCU的PWM控制的開關來激活，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 節的節能型螺線管控制器（圖5c）。
這種基于DRV110的系統，設計它的目的是通過較好控制的波形來調節電流，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，目的是避免發熱問題和降低功耗。圖6的曲線圖比較了傳統驅動器和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：線圈驅動方法
圖6：傳統驅動器和DRV110工作原理比較
圖7：DRV110和螺線管電流波形的典型應用電路
計算DRV110的IPeak和IHold
DRV110的激活（峰值）電流由線圈的“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，制造廠商均在其產品說明書中列出了建議電壓值；但是， 應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：
接電裝置應用舉例
如果在規定時間負載超出器件的額定電流，則過載保護會讓器件斷開電路連接。圖8所示保護電路實現通過測量電流和電壓來產生激活（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
圖9：RMS電壓檢測磁接觸器系統
圖10：欠壓和過壓保護
總結：
電源調節是制動器力控制最為精確的方法，不但節能，而且系統不受線圈電阻、電源電壓和溫度變化的影響，無須增加余量，體統的可靠性進一步提高，并且經過螺線管反復優化，降低了成本，并獲得了更好的驅動性能。
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