继电器，接触器，电磁阀等螺线管节能控制原理与策略

“十一五”政府规划纲要开始，“节能减排”成为优化我国能源结构和降低原材料消耗台的重要政策之一，节能和降耗已成为各行各业关注的问题。低压电器中的节能主要通过对设备运行过程中消耗能量进行优化。继电器、接触器和电磁阀等螺线管器件作为控制电器中重要的操作部件,控制着电动机/风机/水泵等的启停、功率路径的开与关和气体或液体静止与流动等但是这些螺线管器件在吸合后其线圈里依然施加着额定交直流操作电源，功耗比较大，线圈发热现象十分严重,不仅浪费电能而且因线圈的绝缘层在高温下加快老化致使螺线管器件的使用寿命缩短。

常见的螺线管型磁控器件如图1所示，继电器、接触器及电磁阀均为电磁线圈驱动电枢产生机械运动，从而改变开关的工作状态。常见电磁线圈的额定工作电压为12 V至 24 V DC和 110 V 至 380 V AC系统，功耗范围为8至20 W。

机电螺线管由电磁感应线圈组成，该线圈绕在称为电枢或柱塞的活动钢或铁块上，如图 2 所示。

图2 电磁螺线管剖视图

电磁线圈仅在动作期间需要大的电流，称为拉入电流，以将柱塞拉入螺线管，之后电枢稳定后会形成较高的额定电流，以额定电流运行的电磁线圈会不断升高温度。实验发现，螺线管吸合后，螺线管线圈只需要大约其标称电流的 30% (称为保持电流)，以将柱塞保持在相同位置。从而发现，只要检测到柱塞运动，就可以将稳态电流减小到保持电流值，以最小化螺线管中的功耗。

机电螺线管由一个围绕可移动钢或铁芯( 称作“电枢” )的电磁感应线圈绕组组成。该线圈的形状可让电枢移入或移出其中心,从而改变线圈的电感,最终形成电磁场(请参见图 3 ),使得电枢向一些机械装置提供机械力。

图3 螺线管工作原理

螺线管是一种电感器，拥有电感( 一种对抗电流变化的特性 )，这也是当螺线管带电时电流不会立即达到最大水平的原因。相反，电流以一种稳定的速率增加，直到其受到螺线管直流电阻限制而最终饱和。电感器( 例如: 螺线管 )以集中磁场的方式存储能量，只要线路或者导体内存在电流，就会在线路周围形成磁场( 尽管很小 )，把线路绕成一个线圈( 例如: 螺线管中的线圈 )以后，磁场便变得非常集中。通过电信号控制，电磁可用于控制机械阀门运动。螺线管通电后，电流便会增加，从而使磁场不断扩展，直到其强至能够移动电枢为止。电枢移动会增加磁场的集中度，因为电枢自有磁质量移至更远，进入该磁场。磁场变化的方向与让其形成的电流的方向相同，从而在绕组中引起反向电压。由于电枢运动时磁场迅速扩展，它会使通过螺线管绕组的电流短暂下降。在电枢运动后，电流继续沿其正常路径上升至最大水平，整个过程如图4中电流波形所示，注意观察电流波形上升过程中的明显下探点。

如前所述，螺线管的电枢用于为机械装置提供机械力。施加给电枢的力与电枢位置变化时线圈的电感变化成比例关系。另外，它还与流经线圈的电流成比例关系(根据法拉第的电感定律)。方程式1计算螺线管电磁对某个通过电荷所施加的力 :

力 = Q x V x ( 磁常量 x N x I)        (1)

其中，Q为通过点电荷的电荷量 ; V为该点电荷的速度 ; 磁常量为 4π x 10 - 7 ; N 为螺线管线圈的匝数 ;为通过螺线管的电流。这表明，螺线管的电磁力直接与电流有关。

传统上,电压驱动于驱动螺线管线圈,线圈内持续消耗电力,这种功率消耗的一个不利影响是线圈发热，之后扩散至整个继电器。线圈温度由环境温度、V x I线圈功耗带来的自发热、接触系统引起的发热、涡电流产生的磁化损耗以及其它热源( 例如: 继电器附近的一些组件 )共同决定。由于线圈发热，线圈电阻增加。高温电阻计算方法如方程式 2 所示 :

R_CoIL,T℃=R_COIL,20℃ x |1+K_RT(T℃ - 20℃)    (2)

其中，R_COIL,20℃为电阻 20℃的值，而K_RT则为铜的热系数，其等于 0.0034 每摄氏度。根R_COIL,20℃( 一般可在螺线管线圈产品说明书中找到 )，可计算得到高温下的极端线圈电阻,据R.在电路设计期间，需注意进行极端条件下的相关计算，例如: 工作拾取电压的最高可能线圈温度。

需要注意的另一点是，就特定线圈而言，在任何条件下动作电流都保持不变，动作电流取决于动作电压和线圈电阻( I _pick-up=V_pick-up  / R_COIL )。大多数继电器均由铜线制成。根据方程式 2，由于线圈温度上升，线圈电阻增加。因此，热线圈的动作电压应更高，以产生要求的额定电流。例如，如果一个 12VDC 继电器的动作电压为 9.6VDC，并且 20℃下线圈电阻为 400 Ω，则I_pick-up= 24mA。当线圈温度上升至 40℃时，线圈电阻增加至 432 Ω。因此，动作电压为 10.36VDC( 动作电流保持不变 )。换句话说，温度增加 20℃，动作电压上升 0.76VDC。继电器使用更高占空比时，由于线圈的温度上升，每个连续周期的动作电压可能会稍微上升。图 5 表明，如果使用电压驱动，则用户可能不得不对线圈进行超裕度设计。

简而言之，由于电流随线圈电阻、温度、电源电压等变化而变化，因此电压驱动迫使我们只能进行超裕度设计。所以，对于许多螺线管的器件来说，使用电流驱动是最佳方式。

图 6(a)为矽源半导体研发的开关节能型电源芯片，可实现 24V+5%精度的输出电压，在全波整流时，可实现持续 50mA 的供电电流，半波整流时可实现 30mA的持续供电电流，且这种方案外围电路简单，成本较低，且能够抑制 ±4000V 的浪涌测试。图6(b) 同样为矽源半导体研发的浪涌抑制型非隔离 AC-DC 芯片，可实现 24V，100mA 的持续供电能力。两种方案均可满足普通继电器长期有效工作的基本要求。

激活螺线管启动的瞬间电流( 称作“峰值电流”，l_peak )会非常高。但是，一旦继电器或者阀门吸合，将其维持在这种状态下所要求的电流( 称作“保持电流”，I_hold )则大大小于峰值电流。一般而言，保持电流均小于峰值电流: I_hold  ≪ l_peak。

使用电压驱动时，螺线管线圈的电流持续，并且高于使用电流驱动的情况( 图6 )。与电压驱动不同，电流驱动无需为温度或者螺线管差异引起的参数变化留出余量。这种设计要求使用单独的峰值电流值( 大小可能为数安培 )，并同时使用固态保持电流(可能仅为峰值电流值的 1/20)。

传统上，我们直接通过微控制器( MCU )的通用输入 / 输出( GPIO )来驱动螺线管线圈( 图 7 ( a ) ),通过一个由 MCU 的 GPIO 控制的一个开关，激活线圈。人们开发出了一种新的驱动系统，其使用波形的脉宽调制( PWM ) ( 图 7 ( b ) ) , 线圈经由一个受MCU 的 PWM 控制的开关来激活，然后占空比决定通过线圈的平均电流。最新的电压驱动方式通过采集线圈电流反馈给 MCU 进行 PWM 控制 ( 图 7 ( c ) ),也可以实现线圈电流的精准控制。矽源半导体自研的 OS5150 / SS5150 芯片是一种带有集成电源调节的节能型螺线管控制器( 图 7 ( d ) )。这种基于 SS5150 的节能控制系统，设计它的目的是通过较好控制的波形来调节电流，以降低功耗。在初始上升以后，螺线管电流保持在峰值上，以确保正常工作，之后降至某个更低的保持水平，目的是避免发热和减低功耗。专用芯片相对于 MCU 的 PWM 控制，上电时间更短，可以满足快速开启控制系统的指标要求。

图7 线圈驱动方法

图 8 的曲线图比较了传统驱动器和 SS5150 的工作情况。注意，其它一些方法也可降低电压，但却需要一定的额外电路才能保证在各种温度下保持电流始终不变。

图 8 传统驱动器与专用芯片工作原理比较

图 9 显示了基于 SS5150 的一个典型应用电路。专用芯片控制通过螺线管的电流（L_S）。EN 引脚电压被（内部或者外部驱动器）拉高时，激活开始。在激活之初，SS5150 允许负载电流升高至峰值（𝐼_{𝑃𝑒𝑎𝑘}），然后在降低至𝐼_{ℎ𝑜𝑙𝑑} 以前对其进行𝑇_{𝑘𝑒𝑒𝑝} 时间的调节。只要 EN 引脚维持高电平，则把负载电流调节至保持值。初始电流上升时间取决于螺线管的电感和电阻。一旦 EN引脚被驱动至 GND，则 SS5150 允许螺线管电流降至零。 

SS5150 的激活（峰值）电流由线圈的 “ 导通 ”电阻和继电器要求的拾取电压所决定。最高温度电阻值（𝑅_{𝐶𝑜𝑖𝑙_𝑇(𝑚𝑎𝑥)} ）和继电器额定工作电压（𝑉_𝑛𝑜𝑚）可用于计算最高温度下要求的𝐼_{𝑃𝑒𝑎𝑘}值：

SS5150 的保持电流由线圈的 “ 导通 ” 电阻以及避免螺线管出现压降所要求的电压决定。为了使螺线管不出现压降，制造厂商均在其产品说明书中列出了建议电压值；但是，应为振动和其它意外情况留出一定的余量。许多螺线管制造厂商把额定电压的 35% 作为安全极限。假设这一极限值够用，则可使用𝑅_{𝐶𝑜𝑖𝑙_𝑇(𝑚𝑎𝑥)}值和螺线管额定工作电压（𝑉_𝑛𝑜𝑚）来计算不同工作温度的𝐼_{ℎ𝑜𝑙𝑑}值：

图 9 SS5150 和螺线管电流波形的典型应用电路