所有電源係統的主要目的都是維持高水平的持續供電能力，並在出現不可承受狀態時，最小化其影響範圍和斷電時間。功率損耗
、電壓下降、過電流和過壓總會出現，因為我們無法避免自然事件、物理事故、設備故障或者人為誤操作。組合使用一些器件
，用於保護電氣設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/斷開受保護設備的電源。本文為您介紹繼電器、dianliujiechuqihefamenzhongchangjiandeluoxianguanxianquandeyixietexing。lingwai，wenzhanghaijieshaoleyixiequdongtamendefangfa，bingshuomingyouxiaoqudongdefazhanqushi。benwenhailiejuleyixiejiedianzhuangzhiyingyongdianludelizi。

過電流保護器件（例如：斷路器等）
，用(yong)於(yu)保(bao)護(hu)導(dao)體(ti)不(bu)受(shou)過(guo)電(dian)流(liu)的(de)損(sun)害(hai)。設(she)計(ji)這(zhe)些(xie)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)的(de)目(mu)的(de)是(shi)
，讓(rang)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)保(bao)持(chi)在(zai)一(yi)個(ge)安(an)全(quan)水(shui)平(ping)，以(yi)防(fang)止(zhi)電(dian)路(lu)導(dao)體(ti)器(qi)過(guo)熱(re)。電(dian)流(liu)接(jie)觸(chu)器(qi)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)連(lian)接(jie)或(huo)者(zhe)斷(duan)開(kai)導(dao)體(ti)接(jie)觸(chu)電(dian)流(liu)。它(ta)們(men)用(yong)於(yu)一(yi)些(xie)頻(pin)繁(fan)或(huo)者(zhe)長(chang)期(qi)不(bu)變(bian)的(de)導(dao)通(tong)-斷開連接。

weilebaohudianlumianshouqiangdianliudesunhai，baohuxingqijianbixuzhidaoguzhangzhuangtaiheshichuxian

，bingnengzidongjiangdianqishebeitongdianyuanduankai。guodianliubaohuqijianbixunenggouqufenguodianliuyuduanludequbie
，bingyizhengquedefangshizuochufanying。keyiyunxuyidingshijiandexiaoguodianliu，danshi，suizhedianliuliangdezengjia
，baohuqijianbixunenggougengjiaxunsudizuochuxiangying，liru：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）。電樞用於向一些機械裝置提供機械力。

圖1：螺線管工作原理

螺luo線xian管guan的de主zhu要yao電dian特te性xing是shi，它ta是shi一yi種zhong電dian感gan器qi
，擁yong有you電dian感gan，這zhe是shi一yi種zhong對dui抗kang電dian流liu變bian化hua的de特te性xing。這zhe就jiu是shi當dang螺luo線xian管guan帶dai電dian時shi電dian流liu不bu會hui立li即ji達da到dao最zui大da水shui平ping的de原yuan因yin。相xiang反fan
，電dian流liu以yi一yi種zhong穩wen定ding的de速su率lv增zeng加jia，直zhi到dao其qi受shou到dao螺luo線xian管guanDC電阻的限製為止。電感器（例如：螺線管）以集中磁場的方式存儲能量。隻要線路或者導體內存在電流
，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）yihou
，cichangbianbiandefeichangjizhong。tongguodianxinhao，diancikeyongyukongzhijixiefamen。luoxianguanyitongdian，dianliubianzengjia，congershicichangbuduankuozhan
，zhidaoqiqiangzhinenggouyidongdianshuweizhi。dianshuyidonghuizengjiacichangdejizhongdu，yinweidianshuziyoucizhiliangyizhigengyuan
，jinrugaicichang。jizhu，cichangbianhuadefangxiangyurangqixingchengdedianliudefangxiangxiangtong
，congerzairaozuzhongyinqifanxiangdianya。youyudianshuyundongshicichangxunsukuozhan，tahuishitongguoluoxianguanraozudedianliuduanzanxiajiang。zaidianshuyundonghou


，dianliujixuyanqizhengchanglujingshangshengzhizuidashuiping。jieguorutu2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。

圖2：螺線管電流
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螺線管線圈驅動：電壓還是電流驅動？

所(suo)前(qian)所(suo)述(shu)，螺(luo)線(xian)管(guan)的(de)電(dian)樞(shu)用(yong)於(yu)為(wei)機(ji)械(xie)裝(zhuang)置(zhi)提(ti)供(gong)機(ji)械(xie)力(li)。施(shi)加(jia)給(gei)電(dian)樞(shu)的(de)力(li)與(yu)電(dian)樞(shu)位(wei)置(zhi)變(bian)化(hua)時(shi)線(xian)圈(quan)的(de)電(dian)感(gan)變(bian)化(hua)成(cheng)比(bi)例(li)關(guan)係(xi)。另(ling)外(wai)
，它(ta)還(hai)與(yu)流(liu)經(jing)線(xian)圈(quan)的(de)電(dian)流(liu)成(cheng)比(bi)例(li)關(guan)係(xi)（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，電壓驅動用於驅動螺線管線圈
；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，之後擴散至整個繼電器。線圈溫度由環境溫度、V×I線圈功耗帶來的自發熱、接觸係統引起的發熱、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。由於線圈發熱
，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則為銅的熱係數，其等於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。拾取電流取決於拾取電壓和線圈電阻（IPick-up= VPick-up/RCoil）。大多數繼電器均由銅線製成。根據方程式2
，由於線圈溫度上升

，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，並且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，由於線圈的溫度上升
，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

簡而言之，由於電流隨線圈電阻、溫度、電源電壓等變化而變化，因此電壓驅動迫使我們隻能進行超裕度設計。所以
，對於許多螺線管的器件來說

，使用電流驅動是最佳方式。
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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）則大大小於峰值電流。一般而言，保持電流均小於峰值電流：IHold< IPeak。

使用電壓驅動時，螺線管線圈的電流持續，並且高於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餘量。這種設計要求使用單獨的峰值電流值（大小可能為數安培）
，並同時使用固態保持電流（可能僅為峰值電流值的1/20）。

圖4：電壓驅動和電流驅動的螺線管電流

螺線管線圈驅動的電流控製實施

傳統上，我們直接通過微控製器（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控製的一個開關，激活線圈。人們開發出了一種新的驅動係統
，其使用波形的脈寬調製（PWM）（圖5b）。線圈經由一個受MCU的PWM控製的開關來激活
，然後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製器（圖5c）。這種基於DRV110的de係xi統tong
，設she計ji它ta的de目mu的de是shi通tong過guo較jiao好hao控kong製zhi的de波bo形xing來lai調tiao節jie電dian流liu
，以yi降jiang低di功gong耗hao。在zai初chu始shi上shang升sheng以yi後hou，螺luo線xian管guan電dian流liu保bao持chi在zai峰feng值zhi上shang
，以yi確que保bao正zheng常chang工gong作zuo，之zhi後hou降jiang至zhi某mou個ge更geng低di的de保bao持chi水shui平ping
，目mu的de是shi避bi免mian發fa熱re問wen題ti和he降jiang低di功gong耗hao。圖tu6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顯示了基於DRV110的一個典型應用電路。DRV110控製通過螺線管的電流（LS）
，如圖7所示。EN引腳電壓被（內部或者外部驅動器）拉高時，激活開始。在激活之初，DRV110允許負載電流升高至峰值（IPeak），然後在降低至IHold以前對其進行tKeep時間的調節。隻要EN引腳維持高電平，則把負載電流調節至保持值。初始電流上升時間取決於螺線管的電感和電阻。一旦EN引腳被驅動至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用電路
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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）可用於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，製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餘量。許多繼電器製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：

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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

磁接觸器需要一個電流通過線圈，以移動該接觸器進入關閉或者開啟位置。圖9顯示了使用DRV110的一個接觸器係統的RMS電壓檢測電路實現。

圖9：RMS電壓檢測磁接觸器係統

利用DRV110還可以實現欠壓和過壓保護（圖10）。使用兩個比較器來測量高低閾值電壓。根據每個比較器的輸出，SR觸發器向DRV110發送一個激活（EN）信號。

圖10：欠壓和過壓保護

結論

使(shi)用(yong)集(ji)成(cheng)電(dian)源(yuan)調(tiao)節(jie)的(de)節(jie)能(neng)型(xing)螺(luo)線(xian)管(guan)控(kong)製(zhi)器(qi)有(you)很(hen)多(duo)好(hao)處(chu)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)節(jie)能(neng)的(de)目(mu)的(de)
，電(dian)流(liu)調(tiao)節(jie)是(shi)致(zhi)動(dong)器(qi)力(li)控(kong)製(zhi)最(zui)為(wei)精(jing)確(que)的(de)方(fang)法(fa)。由(you)於(yu)這(zhe)種(zhong)係(xi)統(tong)不(bu)受(shou)線(xian)圈(quan)電(dian)阻(zu)、電dian源yuan電dian壓ya和he溫wen度du變bian化hua的de影ying響xiang，因yin此ci無wu需xu增zeng加jia餘yu量liang。另ling外wai

，係xi統tong可ke靠kao性xing也ye得de到dao了le提ti高gao，因yin為wei螺luo線xian管guan行xing為wei經jing過guo了le反fan複fu優you化hua。最zui後hou
，還hai降jiang低di了le係xi統tong成cheng本ben。由you於yu能neng量liang得de到dao精jing確que控kong製zhi，使shi用yong更geng小xiao、更便宜的線圈
，便可輕鬆獲得可以接受的驅動性能。

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