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/ 簡介 /
曾經，在軌道車項目電路板D02_MB_V100和D02_MB_V101兩個版本的實際應用中遇到繼電器無法可靠吸合的問題，本文從理論上分析了繼電器無法可靠吸合的原因，記錄了改進測試的結果，并提出了改善該問題的方案，且在后續電路板D02_MB_V102版本的應用中驗證了該改善方案的有效性。
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/ 問題分析過程和結果 /
圖1 基于射極跟隨器的繼電器驅動電路
1. 驅動電路原理圖
根據圖1 電路板D02_MB_V100版本繼電器驅動電路（這其實是不正確的負載驅動電路，具體詳見[三極管驅動電路的原理詳解]）和光耦TLP293-4 Datasheet
發光二極管LED的正向壓降典型值是 VF = 1.25V @ IF = 10mA
LED陽極接限流電阻到24V，當限流電阻為2.61k時，可得發光端的電流為
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
根據TLP293-4 Datasheet，DETECTOR端集電極-發射極飽和電壓典型值為VCE(sat) = 0.2V；
圖3 HFD23/003-1ZS DS參數
根據繼電器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端驅動繼電器是無法可靠吸合的，分析過程如下：
當CTR = 1時，理論上DETECTOR側集電極電流IC = 1 * 8.72mA，繼電器無法吸合。
當CTR = 6時，理論上DETECTOR側集電極電流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，實際上，卻無法吸合。
原因是，此時的集電極電流 IC = 52.32mA 已經超過了 ICmax = 50mA 的限值，光耦器件會有溫升而導致CTR下降。
4. 電路設計缺陷總結
圖4 TLP293-4 DS參數
綜上所述，如圖1所示的電路設計缺陷在于：
1）光耦內部DETECTOR的電流驅動能力有限，針對TLP293-4只有ICmax = 50mA；
2）電路被錯誤接成了類似射極跟隨器電路，只有電流放大，沒有電壓放大，導致功率放大不足。
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/ 改進方案和測試結果 /
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CTR = 1時，DETECTOR側集電極電流IC = 1 * 30.33mA = 30.33mA，繼電器無法吸合。
當CTR = 3時，DETECTOR側集電極電流IC = 2 * 30.33mA = 60.66mA，理論上此時繼電器能夠吸合，但由于超過了集電極電流為50mA的限值，會導致CTR不穩定，從而導致IC = CTR * IF不穩定，繼電器的吸合也不穩定。
實際測試結果，與上述理論分析相符合，繼電器吸合不穩定。
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/ 改善方案和測試結果 /
圖5 改善后的繼電器驅動電路
圖5是改善后的電路方案，有以下幾點改善：
(1) 通過在光耦DETECTOR側增加NPN三極管Q1，二者一起構成達林頓三極管，具有較強的電流驅動能力。說明：電阻R5可根據實際需要調整阻值，決定三極管Q1工作于線性放大區還是飽和截止區。R4為繼電器線圈預留的限流電阻位置。
(2) 將感性負載繼電器轉移到達林頓三極管的集電極（且預留限流電阻位置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) 在感性負載續流二極管D2回路上預留限流電阻位置R7（這點，電路板D02_MB_V102版本中沒有，后續電路設計可以增加）。
后續驗證結果，繼電器可以可靠吸合和釋放。
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/ 總結 /
本文從理論分析和實際驗證兩個方面解決了軌道車項目中D02_MB電路板通過光耦來驅動繼電器存在吸合不可靠的問題，對后續基于光耦來驅動繼電器的電路設計具有較好的指導意義。
該型號HFD23/003-1ZS感性負載繼電器直接接在光耦DETECTOR的集電極也不合適，因為繼電器的吸合電流為48.89mA，接近光耦DETECTOR集電極ICmax = 50mA限制，設計裕量不夠...