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牛人解讀開關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng):螺線管線圈驅(qū)動(dòng)

發(fā)布時(shí)間:2014-01-16 責(zé)任編輯:mikeliu

【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(dòng)方法,一定不會(huì)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(jì)這些保護(hù)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(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(shí)出現(xiàn),并能自動(dòng)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)??梢栽试S一定時(shí)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(gè)圍繞可移動(dòng)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(qǐng)參見圖1)。電樞用于向一些機(jī)械裝置提供機(jī)械力。

牛人解讀開關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng):螺線管線圈驅(qū)動(dòng)

 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(duì)抗電流變化的特性。這就是當(dāng)螺線管帶電時(shí)電流不會(huì)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(chǎng)的方式存儲(chǔ)能量。只要線路或者導(dǎo)體內(nèi)存在電流,就會(huì)在線路周圍形成磁場(chǎng)(盡管很?。?。
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把線路繞成一個(gè)線圈 (例如:螺線管中的線圈)以后,磁場(chǎng)便變得非常集中。通過電信號(hào),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(chǎng)不斷擴(kuò)展,直到其強(qiáng)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?yàn)殡姌凶杂写刨|(zhì)量移至更遠(yuǎn),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(yùn)動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)迅速擴(kuò)展,它會(huì)使通過螺線管繞組的電流短暫下降。在電樞運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。

螺線管線圈驅(qū)動(dòng):電壓還是電流驅(qū)動(dòng)?

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(shí)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(jì)算螺線管電磁對(duì)某個(gè)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(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(dòng)用于驅(qū)動(dòng)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(gè)不利影響是線圈發(fā)熱,之后擴(kuò)散至整個(gè)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(jì)算方法如方程式2所示:

牛人解讀開關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng):螺線管線圈驅(qū)動(dòng)

 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(jì)算得到高溫下的極端線圈電阻。在電路設(shè)計(jì)期間,需注意進(jìn)行極端條件下的相關(guān)計(jì)算,例如:工作拾取電壓的最高可能線圈溫度。

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需要注意的另一點(diǎn)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(gè)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(shí),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(shí),由于線圈的溫度上升,每個(gè)連續(xù)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(qū)動(dòng),則用戶可能不得不對(duì)線圈進(jìn)行超裕度設(shè)計(jì)。

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 圖3:螺線管電壓驅(qū)動(dòng)的超裕量設(shè)計(jì)
 
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(dòng)迫使我們只能進(jìn)行超裕度設(shè)計(jì)。所以,對(duì)于許多螺線管的器件來說,使用電流驅(qū)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,要求使用大量的能量。激活螺線管致動(dòng)器的瞬間電流(稱作“峰值電流”,Ipeak)會(huì)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(dòng)時(shí),螺線管線圈的電流持續(xù),并且高于使用電流驅(qū)動(dòng)的情況(圖4)。與電壓驅(qū)動(dòng)不同,電流驅(qū)動(dòng)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(jì)要求使用單獨(dú)的峰值電流值(大小可能為數(shù)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)。

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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(dòng)螺線管線圈(圖5a)。通過一個(gè)由MCU的GPIO控制的一個(gè)開關(guān),激活線圈。人們開發(fā)出了一種新的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),其使用 波形的脈寬調(diào)制(PWM)(圖5b)。線圈經(jīng)由一個(gè)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(jì)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(gè)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(dòng)器和DRV110的工作情況。注 意,其它一些方法也可降低電壓,但卻需要一定的開銷才能保證在各種溫度下保持電流始終不變。

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圖5:線圈驅(qū)動(dòng)方法
 
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圖6:傳統(tǒng)驅(qū)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(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(dòng)器)拉高時(shí),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(duì)其進(jìn)行tKeep時(shí)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(shí)間取決于螺線管的電感和電阻。一旦EN引腳被驅(qū)動(dòng)至GND,則DRV110允許螺線管電流降至零。

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圖7:DRV110和螺線管電流波形的典型應(yīng)用電路
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計(jì)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(jì)算最高溫度下要求的IPeak值:

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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(dòng)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(jì)算不同工作溫度的IHold值:
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接電裝置應(yīng)用舉例

如果在規(guī)定時(shí)間負(fù)載超出器件的額定電流,則過載保護(hù)會(huì)讓器件斷開電路連接。圖8所示保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)通過測(cè)量電流和電壓來產(chǎn)生激活(EN)信號(hào)。(為了簡化圖8-10,未顯示OSC、PEAK、HOLD和KEEP的DRV110引腳連接。)

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圖8:過載保護(hù)
 
磁接觸器需要一個(gè)電流通過線圈,以移動(dòng)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(gè)接觸器系統(tǒng)的RMS電壓檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)。

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圖9:RMS電壓檢測(cè)磁接觸器系統(tǒng)
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利用DRV110還可以實(shí)現(xiàn)欠壓和過壓保護(hù)(圖10)。使用兩個(gè)比較器來測(cè)量高低閾值電壓。根據(jù)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(hào)。

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圖10:欠壓和過壓保護(hù)

總結(jié):

電源調(diào)節(jié)是制動(dòng)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(dòng)性能。

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