1.前言

在工廠自動(dòng)化中的氣動(dòng)裝置或過(guò)程自動(dòng)化中的介質(zhì)閥門設(shè)計(jì)中，大多數(shù)工廠和過(guò)程自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)用于 24V 電源。但是，對(duì)于某些閥門和接觸器，客戶可能擁有適用于各種交流或直流電壓的控制信號(hào) – 12 V、24 V、36 V、48 V，甚至 120 或 240 V。為了適應(yīng)所有這些電壓，我需要設(shè)計(jì)五個(gè)不同的線圈和五個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品。

2.設(shè)計(jì)方案

一種解決方案是為 12V 設(shè)計(jì)一個(gè)線圈，然后使用一個(gè)電阻器來(lái)限制每個(gè)電壓選項(xiàng)進(jìn)入螺線管的電流。但是，這會(huì)浪費(fèi)能量并且會(huì)從電阻器散發(fā)大量熱量，尤其是在 220V 設(shè)計(jì)中使用 12V 線圈時(shí)。

另一種更節(jié)能的解決方案是使用脈寬調(diào)制 (PWM) 驅(qū)動(dòng)和續(xù)流二極管來(lái)調(diào)節(jié)螺線管中的電流。此外，我們可以使用 PWM 添加電流檢測(cè)反饋并控制螺線管中的電流。由螺線管產(chǎn)生的用于打開或關(guān)閉閥門的磁力取決于流過(guò)螺線管線圈的電流。螺線管電阻隨溫度增加。施加電壓后，電阻的增加會(huì)降低螺線管中的電流，從而降低磁力。在高溫下，如果電流降低太多，螺線管可能會(huì)停止工作或繼電器會(huì)打開其觸點(diǎn)。通過(guò)電流控制，線圈電流始終被調(diào)節(jié)到所需值，不受溫度影響，這使得系統(tǒng)在溫度范圍內(nèi)更加可靠和穩(wěn)健。我們可以使用微控制器和分立信號(hào)鏈組件或集成螺線管驅(qū)動(dòng)器（如DRV110 （圖 2）和DRV120 （圖 1）。

圖 1：DRV120 使用電流控制驅(qū)動(dòng)繼電器

圖 2 顯示了如何配置DRV110 電磁閥以適應(yīng)為電磁閥或接觸器供電的交流電壓。通過(guò)使用直流而不是交流來(lái)驅(qū)動(dòng)接觸器，我們可以通過(guò)消除磁芯中的遮蔽環(huán)來(lái)簡(jiǎn)化磁性元件的設(shè)計(jì)。

圖 2： 用于驅(qū)動(dòng)交流接觸器線圈的 DRV110

使用這種電流控制技術(shù)，我們可以只設(shè)計(jì)一個(gè) 12V 線圈來(lái)滿足 AC 或 DC 12V 至 48V 閥門和AC 120V 至 220V 閥門的力要求。這使我們可以擁有多種閥門產(chǎn)品，而只需設(shè)計(jì)一個(gè)線圈。

我可以想象的另一個(gè)客戶情況是想要在設(shè)計(jì)中使用特定的繼電器，但唯一可用的電源軌太高。假設(shè)繼電器的額定電壓為 12 V，但電源軌為 24 V。一種解決方案可能是為系統(tǒng)切換到 24V 繼電器。雖然聽起來(lái)很簡(jiǎn)單，但這可能涉及添加新部件號(hào)作為批準(zhǔn)的組件。也許我們無(wú)法做到這一點(diǎn)，因?yàn)檫@是一個(gè)困難或漫長(zhǎng)的過(guò)程，并且我們希望將我們的產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)。我們也可能會(huì)遇到與螺線管相同的情況。也許我們真的很喜歡特定螺線管的力，但是當(dāng)我們使用 24 V 電源軌時(shí)，它的額定電壓為 12 V。

使用電流控制也可以解決這個(gè)難題。我們可以將 12V 繼電器或螺線管用于 12V 和 24V 系統(tǒng)。也許下一代產(chǎn)品將只有 36V 電源軌。即使在這種情況下，電流控制也將允許我們繼續(xù)使用我們選擇的電磁閥或繼電器。也許通過(guò)在所有三個(gè)系統(tǒng)中使用相同的螺線管，我們可以從螺線管/繼電器制造商那里獲得批量折扣，以購(gòu)買大量該特定零件號(hào)。

3.實(shí)際應(yīng)用解決

如果我們?yōu)檩^低電壓 (24V) 設(shè)計(jì)一個(gè)線圈，它將具有較低的電阻以允許所需的電流量流動(dòng)。但是當(dāng)我們?cè)诟叩碾妷海?30V 或 415V）下使用這個(gè)線圈時(shí)，浪涌會(huì)很大，因?yàn)?DRV110 不能在 7.5%（根據(jù)數(shù)據(jù)表）和 9%（實(shí)際上）占空比以下工作。這個(gè)占空比已經(jīng)足夠高了。我一直在嘗試為較低的電流（例如 15mA）配置一個(gè)特定的螺線管，但不知何故 DRV110 無(wú)法調(diào)節(jié)低于 40mA。我不知道哪里出了問(wèn)題。為了適應(yīng)較小線圈的非常大的電壓，我們希望調(diào)節(jié)的電流必須允許占空比遠(yuǎn)大于 7.5%。以下表達(dá)式顯示了這一點(diǎn)：

I*R/V = D >> 0.075

這里，“I”是調(diào)節(jié)電流（峰值或保持），“R”是直流線圈電阻，“V”是電源電壓?；旧希钦{(diào)節(jié)電流與通過(guò)線圈的電流之比，如果它是純電阻（無(wú)電感）。

此外，我認(rèn)為將線圈視為電流的低通濾波器（它具有串聯(lián)電感和電阻）。由于 DRV110 的開關(guān)頻率約為 20 kHz，因此大多數(shù)電磁線圈應(yīng)過(guò)濾快速充電瞬變。