01
/ 簡(jiǎn)介 /
曾經(jīng)，在軌道車項(xiàng)目電路板D02_MB_V100和D02_MB_V101兩個(gè)版本的實(shí)際應(yīng)用中遇到繼電器無(wú)法可靠吸合的問(wèn)題，本文從理論上分析了繼電器無(wú)法可靠吸合的原因，記錄了改進(jìn)測(cè)試的結(jié)果，并提出了改善該問(wèn)題的方案，且在后續(xù)電路板D02_MB_V102版本的應(yīng)用中驗(yàn)證了該改善方案的有效性。
02
/ 問(wèn)題分析過(guò)程和結(jié)果 /
圖1 基于射極跟隨器的繼電器驅(qū)動(dòng)電路
1. 驅(qū)動(dòng)電路原理圖
根據(jù)圖1 電路板D02_MB_V100版本繼電器驅(qū)動(dòng)電路（這其實(shí)是不正確的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路，具體詳見(jiàn)[三極管驅(qū)動(dòng)電路的原理詳解]）和光耦TLP293-4 Datasheet
發(fā)光二極管LED的正向壓降典型值是 VF = 1.25V @ IF = 10mA
LED陽(yáng)極接限流電阻到24V，當(dāng)限流電阻為2.61k時(shí)，可得發(fā)光端的電流為
IF = (24V - VF) / 2.61k = (24V - 1.25V) / 2.61k = 8.72mA
2. 繼電器的吸合電流
圖2 TLP293-4 DS參數(shù)
根據(jù)TLP293-4 Datasheet，DETECTOR端集電極-發(fā)射極飽和電壓典型值為VCE(sat) = 0.2V；
圖3 HFD23/003-1ZS DS參數(shù)
根據(jù)繼電器HFD23/003-1ZS Datasheet，該繼電器的吸合電壓Pick-up Voltage為2.4V，線圈電阻為45R；
可得，繼電器的吸合電流Pick-up Current為
Ipick-up = (2.4V - 0.2V) / 45R = 48.89mA
3. 光耦的電流傳輸比
根據(jù)TLP293-4 Datasheet，該光耦的電流傳輸比范圍是 CTR = 1 - 6，DETECTOR端的集電極電流最大值為ICmax = 50mA；結(jié)合該繼電器的吸合電流為 Ipick-up = 48.89mA 可知，直接使用該光耦的DETECTOR端驅(qū)動(dòng)繼電器是無(wú)法可靠吸合的，分析過(guò)程如下：
當(dāng)CTR = 1時(shí)，理論上DETECTOR側(cè)集電極電流IC = 1 * 8.72mA，繼電器無(wú)法吸合。
當(dāng)CTR = 6時(shí)，理論上DETECTOR側(cè)集電極電流IC = 6 * 8.72mA = 52.32mA，大于繼電器的吸合電流 Ipick-up = 48.89mA，是可以吸合的；但是，實(shí)際上，卻無(wú)法吸合。
原因是，此時(shí)的集電極電流 IC = 52.32mA 已經(jīng)超過(guò)了 ICmax = 50mA 的限值，光耦器件會(huì)有溫升而導(dǎo)致CTR下降。
4. 電路設(shè)計(jì)缺陷總結(jié)
圖4 TLP293-4 DS參數(shù)
綜上所述，如圖1所示的電路設(shè)計(jì)缺陷在于：
1）光耦內(nèi)部DETECTOR的電流驅(qū)動(dòng)能力有限，針對(duì)TLP293-4只有ICmax = 50mA；
2）電路被錯(cuò)誤接成了類似射極跟隨器電路，只有電流放大，沒(méi)有電壓放大，導(dǎo)致功率放大不足。
03
/ 改進(jìn)方案和測(cè)試結(jié)果 /
將光耦LED的限流電阻從2.61k減小到750R，可得
增加后的LED電流為IF = (24V - 1.25V) / 750R = 30.33mA
當(dāng)CTR = 1時(shí)，DETECTOR側(cè)集電極電流IC = 1 * 30.33mA = 30.33mA，繼電器無(wú)法吸合。
當(dāng)CTR = 3時(shí)，DETECTOR側(cè)集電極電流IC = 2 * 30.33mA = 60.66mA，理論上此時(shí)繼電器能夠吸合，但由于超過(guò)了集電極電流為50mA的限值，會(huì)導(dǎo)致CTR不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致IC = CTR * IF不穩(wěn)定，繼電器的吸合也不穩(wěn)定。
實(shí)際測(cè)試結(jié)果，與上述理論分析相符合，繼電器吸合不穩(wěn)定。
04
/ 改善方案和測(cè)試結(jié)果 /
圖5 改善后的繼電器驅(qū)動(dòng)電路
圖5是改善后的電路方案，有以下幾點(diǎn)改善：
(1) 通過(guò)在光耦DETECTOR側(cè)增加NPN三極管Q1，二者一起構(gòu)成達(dá)林頓三極管，具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力。說(shuō)明：電阻R5可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整阻值，決定三極管Q1工作于線性放大區(qū)還是飽和截止區(qū)。R4為繼電器線圈預(yù)留的限流電阻位置。
(2) 將感性負(fù)載繼電器轉(zhuǎn)移到達(dá)林頓三極管的集電極（且預(yù)留限流電阻位置R4），這樣既有電流放大，又有電壓放大，具有更大的功率放大能力。
(3) 在感性負(fù)載續(xù)流二極管D2回路上預(yù)留限流電阻位置R7（這點(diǎn)，電路板D02_MB_V102版本中沒(méi)有，后續(xù)電路設(shè)計(jì)可以增加）。
后續(xù)驗(yàn)證結(jié)果，繼電器可以可靠吸合和釋放。
05
/ 總結(jié) /
本文從理論分析和實(shí)際驗(yàn)證兩個(gè)方面解決了軌道車項(xiàng)目中D02_MB電路板通過(guò)光耦來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器存在吸合不可靠的問(wèn)題，對(duì)后續(xù)基于光耦來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器的電路設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義。
該型號(hào)HFD23/003-1ZS感性負(fù)載繼電器直接接在光耦DETECTOR的集電極也不合適，因?yàn)槔^電器的吸合電流為48.89mA，接近光耦DETECTOR集電極ICmax = 50mA限制，設(shè)計(jì)裕量不夠...