将我们的的螺线管或继电器应用从电源电压的束缚中解放出来

1.前言

在工厂自动化中的气动装置或过程自动化中的介质阀门设计中，大多数工厂和过程自动化设备设计用于 24V 电源。但是，对于某些阀门和接触器，客户可能拥有适用于各种交流或直流电压的控制信号 – 12 V、24 V、36 V、48 V，甚至 120 或 240 V。为了适应所有这些电压，我需要设计五个不同的线圈和五个独立的产品。

2.设计方案

一种解决方案是为 12V 设计一个线圈，然后使用一个电阻器来限制每个电压选项进入螺线管的电流。但是，这会浪费能量并且会从电阻器散发大量热量，尤其是在 220V 设计中使用 12V 线圈时。

另一种更节能的解决方案是使用脉宽调制 (PWM) 驱动和续流二极管来调节螺线管中的电流。此外，我们可以使用 PWM 添加电流检测反馈并控制螺线管中的电流。由螺线管产生的用于打开或关闭阀门的磁力取决于流过螺线管线圈的电流。螺线管电阻随温度增加。施加电压后，电阻的增加会降低螺线管中的电流，从而降低磁力。在高温下，如果电流降低太多，螺线管可能会停止工作或继电器会打开其触点。通过电流控制，线圈电流始终被调节到所需值，不受温度影响，这使得系统在温度范围内更加可靠和稳健。我们可以使用微控制器和分立信号链组件或集成螺线管驱动器（如DRV110 （图 2）和DRV120 （图 1）。

图 1：DRV120 使用电流控制驱动继电器

图 2 显示了如何配置DRV110 电磁阀以适应为电磁阀或接触器供电的交流电压。通过使用直流而不是交流来驱动接触器，我们可以通过消除磁芯中的遮蔽环来简化磁性元件的设计。

图 2： 用于驱动交流接触器线圈的 DRV110

使用这种电流控制技术，我们可以只设计一个 12V 线圈来满足 AC 或 DC 12V 至 48V 阀门和AC 120V 至 220V 阀门的力要求。这使我们可以拥有多种阀门产品，而只需设计一个线圈。

我可以想象的另一个客户情况是想要在设计中使用特定的继电器，但唯一可用的电源轨太高。假设继电器的额定电压为 12 V，但电源轨为 24 V。一种解决方案可能是为系统切换到 24V 继电器。虽然听起来很简单，但这可能涉及添加新部件号作为批准的组件。也许我们无法做到这一点，因为这是一个困难或漫长的过程，并且我们希望将我们的产品快速推向市场。我们也可能会遇到与螺线管相同的情况。也许我们真的很喜欢特定螺线管的力，但是当我们使用 24 V 电源轨时，它的额定电压为 12 V。

使用电流控制也可以解决这个难题。我们可以将 12V 继电器或螺线管用于 12V 和 24V 系统。也许下一代产品将只有 36V 电源轨。即使在这种情况下，电流控制也将允许我们继续使用我们选择的电磁阀或继电器。也许通过在所有三个系统中使用相同的螺线管，我们可以从螺线管/继电器制造商那里获得批量折扣，以购买大量该特定零件号。

3.实际应用解决

如果我们为较低电压 (24V) 设计一个线圈，它将具有较低的电阻以允许所需的电流量流动。但是当我们在更高的电压（230V 或 415V）下使用这个线圈时，浪涌会很大，因为 DRV110 不能在 7.5%（根据数据表）和 9%（实际上）占空比以下工作。这个占空比已经足够高了。我一直在尝试为较低的电流（例如 15mA）配置一个特定的螺线管，但不知何故 DRV110 无法调节低于 40mA。我不知道哪里出了问题。为了适应较小线圈的非常大的电压，我们希望调节的电流必须允许占空比远大于 7.5%。以下表达式显示了这一点：

I*R/V = D >> 0.075

这里，“I”是调节电流（峰值或保持），“R”是直流线圈电阻，“V”是电源电压。基本上，它是调节电流与通过线圈的电流之比，如果它是纯电阻（无电感）。

此外，我认为将线圈视为电流的低通滤波器（它具有串联电感和电阻）。由于 DRV110 的开关频率约为 20 kHz，因此大多数电磁线圈应过滤快速充电瞬变。