利用繼電器和電磁線(xiàn)圈節省功耗

在選擇一種特定的設計方法時(shí)需要考慮諸多因素，而且這些因素相互間并不總是獨立的。在為感性負載設計驅動(dòng)電路時(shí)需要考慮尺寸、成本、開(kāi)關(guān)速度、可靠性、功耗和散熱等。諸如繼電器或電磁線(xiàn)圈等感性負載有別于簡(jiǎn)單的阻性或容性負載，它們需要一定的電能去激勵負載，一旦完成激勵，所需的電能就可以降低，而負載仍保持激活狀態(tài)。低電流的額外好處是可以在較短時(shí)間使負載停止工作。

我在以前發(fā)表的博客文章“反電動(dòng)勢和緩沖器”中，我討論了開(kāi)關(guān)型感性負載的一個(gè)方面，建議你跟隨我的思路，繼續有關(guān)緩沖器的討論。不管你是否選擇斷開(kāi)感性負載的電源，反電動(dòng)勢(back-EMF)總是存在的。

在應用以下技巧時(shí)，并不是所有感性負載的數據手冊都能提供足夠的信息。事實(shí)上，在我為這篇博客搜集資料時(shí)，幾乎沒(méi)發(fā)現哪個(gè)數據手冊上有這樣的信息。然而，SchrackRT2系列繼電器提供了很好的例子。正如你看到的，在拉電壓、繼電器以及保持負載處于激活狀態(tài)的要求之間有很大的差異。

圖1：高亮顯示的是RTE24024參數。盡管夠詳細了，但數據手冊中沒(méi)有地方提及絕對最大線(xiàn)圈電壓。(來(lái)源：TE Connectivity)

信息的缺失意味著(zhù)你做的幾乎所有設計都只能是“試試再說(shuō)”。一旦你真正確定想要使用的方法和量值，就得考慮由于生產(chǎn)擴張、電壓變化和溫度/濕度改變而造成的量值變化。如果可能的話(huà)我還是建議選用提供參數的產(chǎn)品。

控制感性負載要求調節線(xiàn)圈上的電壓或改變電流。如果你想全部自己做，可以采用下面這些方法。圖2只是概念性的顯示，對雙極型結晶體管(BJT)來(lái)說(shuō)在晶體管基礎上必須有一個(gè)限流電阻，在A(yíng)圖中沒(méi)有指明轉換觸點(diǎn)的電子控制機制。

圖2：直接調整線(xiàn)圈供電電壓的基本方法。

如果你能控制電源，就可以使用圖2A所示的方法。仔細看一下下面列出的設計實(shí)例，會(huì )發(fā)現這是最通用的方法。事實(shí)上，你可以使用第二組觸點(diǎn)反饋觸點(diǎn)閉合來(lái)觸發(fā)這種轉換。通常人們使用整流和平滑的電源而不用穩壓電源。然而，主電壓和放大器制造方面的變化意味著(zhù)你必須允許寬的容差才能適用于小批量生產(chǎn)，但我更愿意選用大批量生產(chǎn)和很大的余量。如果使用多個(gè)獨立線(xiàn)圈也很不方便。

圖2B展示的是一種很常見(jiàn)的技術(shù)。當線(xiàn)圈通過(guò)晶體管Q2得到激勵時(shí)，電容C2相當于短路，整個(gè)電壓施加于負載之上。C2根據電路的時(shí)間常數(C2的值和線(xiàn)圈的電阻)進(jìn)行充電，線(xiàn)圈上的電壓逐漸降低。這個(gè)電壓將穩定在由線(xiàn)圈內阻和R2組成的電阻分壓器確定的電壓值。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但有一些缺點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，電容都有一個(gè)很大的值，因為元件的容差和溫度特性因素，實(shí)際下降穩定時(shí)間會(huì )有比較大的差異。另外，在穩定狀態(tài)下R2也會(huì )有功耗，那個(gè)電阻可能要很大，可能會(huì )發(fā)熱。

如果微處理器還有額外的輸出，那么作為圖2B改進(jìn)版的圖2C可以節省浪費的空間和時(shí)序不確定的電容，代價(jià)是再用一個(gè)晶體管(Q3A)。為了激勵負載，需要使Q3A和Q3B導通。一旦完成激勵(根據時(shí)間或閉合觸點(diǎn)的確認)，Q3B就可以停止工作了。

要解決從數字域轉變到模擬域的任何問(wèn)題，推薦解決方案是PWM。通過(guò)改變開(kāi)關(guān)波形導通的比例，我們可以調節平均電壓以及平均功率。沒(méi)有額外的電阻要散熱，也沒(méi)有額外的電容會(huì )浪費空間或搞亂時(shí)序。

圖3：用于連接PWM驅動(dòng)的簡(jiǎn)單電路連線(xiàn)示意圖。

我們可以創(chuàng )建一個(gè)獨立的PWM信號，然后用起始信號加以選通，這樣需要兩個(gè)引腳來(lái)控制負載，但如果認為現代微控制器不能用一個(gè)引腳實(shí)現從0到100%的PWM就太天真了。若是感性器件制造商能夠提供有關(guān)實(shí)現可靠操作的細節就再好不過(guò)了。我不能確定這是否普遍，不過(guò)ASCO等制造商就專(zhuān)門(mén)為了這個(gè)目的而生產(chǎn)器件，如圖4所示?？偹愕玫娇梢员ＷC的性能!

圖4：摘自ASCO HV427246氣體關(guān)閉閥數據手冊。(來(lái)源：ASCO)

至此我只討論了電壓的控制，你可以通過(guò)控制電流達到同樣的目的。要實(shí)現用分立元件做電流控制器太費勁了，但是有一個(gè)很簡(jiǎn)單的解決方法。有一些IC能夠做到這點(diǎn)!

最直接的是英飛凌公司的恒流雙通道繼電器驅動(dòng)器TLE7241，英飛凌也有六通道的器件TLE6288R，以及另外一個(gè)器件——用于線(xiàn)性電磁線(xiàn)圈的TLE82453。

TI公司則有DRV120。美信公司提供8通道的驅動(dòng)器MAX4822-4825。我還剛剛發(fā)現了一家以前從未聽(tīng)過(guò)的IC制造商iC Haus，該公司生產(chǎn)3種節能型繼電器/電磁線(xiàn)圈驅動(dòng)器。

有關(guān)這次討論的最后提示：你選擇的繼電器/電磁線(xiàn)圈也會(huì )對功耗有很大的影響。如果選擇自鎖繼電器，那么在穩定狀態(tài)功耗會(huì )降至零。制造商設計的“敏感性”元件只需較小的電流就能激活。

你還需要仔細考慮器件的等級。有些器件規定用于臨時(shí)性操作，因此不適合想要降低功耗的長(cháng)期工作環(huán)境。當制造商不提供數據時(shí)，反復試驗后再將結果應用到生產(chǎn)是很有必要的。最后提醒一點(diǎn)，采用這種節能方法有一個(gè)不太明顯的副作用，在高振動(dòng)/沖擊環(huán)境下電能可能不足以使繼電器/電磁線(xiàn)圈保持激活狀態(tài)。

后記

在寫(xiě)這篇博客時(shí)，我在一個(gè)已經(jīng)啟動(dòng)的項目中使用了圖4所示的器件。在2個(gè)月內我又啟動(dòng)了另一個(gè)項目，使用了類(lèi)似于圖5中數據的電磁線(xiàn)圈。不僅數據手冊中缺少關(guān)鍵參數(比如絕對最大電壓)，Guardian公司還完全不提供技術(shù)支持。我的客戶(hù)說(shuō)這是一個(gè)1A的電磁線(xiàn)圈，最大激活時(shí)間是4s，否則它會(huì )過(guò)熱。

這次沒(méi)有任何有關(guān)怎樣PWM驅動(dòng)器的信息。

圖5：Guardian Electric公司提供的電磁線(xiàn)圈標記為L(cháng)T8X16-29.7-24VDC。這是我在Guardian網(wǎng)站上發(fā)現的最近似產(chǎn)品。(來(lái)源：Guardian Electric公司)

我審閱了一下上面的內容。我想要PWM方法，而我的描述有點(diǎn)老套——你會(huì )如何真正去確定起始脈沖，并保持PWM和頻率。我建議你使用能方便調整參數的配置——我使用的是賽普拉斯公司的PSoC5LP開(kāi)發(fā)套件，它有一個(gè)電位計、一組開(kāi)關(guān)和LED，以及一大堆I/O。

幸運的是，這種電磁線(xiàn)圈和連接裝置是完全可見(jiàn)的，因此我可以看到真實(shí)發(fā)生的事情。

我的設計會(huì )提供一個(gè)脈沖來(lái)激活電磁線(xiàn)圈。我寫(xiě)了一個(gè)小程序來(lái)讀取電位計的設置，并將它轉換為導通時(shí)間。從大概1s的位置開(kāi)始，然后退回來(lái)看電磁線(xiàn)圈停止拉入的地方。令人驚訝的是時(shí)間很短，不到100ms。我將脈沖寬度設為150ms。然后將微處理器的啟動(dòng)脈沖配置為150ms，并轉換為PWM。我為PWM信號選擇了一個(gè)2kHz的頻率，然后根據電位計的位置重寫(xiě)程序來(lái)調整PWM設置。接著(zhù)嘗試激活電磁線(xiàn)圈，并在每次嘗試時(shí)退回到PWM，看看它何時(shí)退出。試驗表明，激勵晶體管的速度是限制因素，它在PWM小于10%時(shí)無(wú)法跟上，因此有效極限是10% PWM(見(jiàn)圖6)。

圖6：上方是微處理器產(chǎn)生的PWM，下方是驅動(dòng)晶體管的輸出。PWM約為8%，可以看到由于驅動(dòng)器響應的原因，有效輸出曲線(xiàn)是如何變得更多的。

在2kHz時(shí)可以聽(tīng)得到嘯叫。將頻率提高到4kHz，驅動(dòng)器又不能順暢工作，因此只好回退到2kHz。我認為在實(shí)際應用中這不會(huì )有問(wèn)題，不過(guò)還是讓時(shí)間來(lái)證明吧。

總之，我得到了一個(gè)150ms的啟動(dòng)脈沖、一個(gè)2kHz的PWM信號和10%的PWM。電流從大約800mA降低到76mA。還不錯!