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01、简介
曾经，在轨道车项目电路板D02_MB_V100和D02_MB_V101两个版本的实际应用中遇到继电器无法可靠吸合的问题，本文从理论上分析了继电器无法可靠吸合的原因，记录了改进测试的结果，并提出了改善该问题的方案，且在后续电路板D02_MB_V102版本的应用中验证了该改善方案的有效性。
02、问题分析过程和结果
1. 驱动电路原理图
根据图1 电路板D02_MB_V100版本继电器驱动电路（这其实是不正确的负载驱动电路，具体详见[三极管驱动电路的原理详解]）和光耦TLP293-4 Datasheet
发光二极管LED的正向压降典型值是 VF = 1.25V @ IF = 10mA
LED阳极接限流电阻到24V，当限流电阻为2.61k时，可得发光端的电流为
IF = (24V - VF) / 2.61k = (24V - 1.25V) / 2.61k = 8.72mA
2. 继电器的吸合电流
图2 TLP293-4 DS参数
根据TLP293-4 Datasheet，DETECTOR端集电极-发射极饱和电压典型值为VCE(sat) = 0.2V；
图3 HFD23/003-1ZS DS参数
根据继电器HFD23/003-1ZS Datasheet，该继电器的吸合电压Pick-up Voltage为2.4V，线圈电阻为45R；
可得，继电器的吸合电流Pick-up Current为 Ipick-up = (2.4V - 0.2V) / 45R = 48.89mA
3. 光耦的电流传输比
根据TLP293-4 Datasheet，该光耦的电流传输比范围是 CTR = 1 - 6，DETECTOR端的集电极电流最大值为ICmax = 50mA；结合该继电器的吸合电流为 Ipick-up = 48.89mA 可知，直接使用该光耦的DETECTOR端驱动继电器是无法可靠吸合的，分析过程如下：
当CTR = 1时，理论上DETECTOR侧集电极电流IC = 1 * 8.72mA，继电器无法吸合。
当CTR = 6时，理论上DETECTOR侧集电极电流IC = 6 * 8.72mA = 52.32mA，大于继电器的吸合电流 Ipick-up = 48.89mA，是可以吸合的；但是，实际上，却无法吸合。
原因是，此时的集电极电流 IC = 52.32mA 已经超过了 ICmax = 50mA 的限值，光耦器件会有温升而导致CTR下降。
4. 电路设计缺陷总结
图4 TLP293-4 DS参数
综上所述，如图1所示的电路设计缺陷在于：1）光耦内部DETECTOR的电流驱动能力有限，针对TLP293-4只有ICmax = 50mA；2）电路被错误接成了类似射极跟随器电路，只有电流放大，没有电压放大，导致功率放大不足。
03、改进方案和测试结果
将光耦LED的限流电阻从2.61k减小到750R，可得增加后的LED电流为IF = (24V - 1.25V) / 750R = 30.33mA当CTR = 1时，DETECTOR侧集电极电流IC = 1 * 30.33mA = 30.33mA，继电器无法吸合。
当CTR = 3时，DETECTOR侧集电极电流IC = 2 * 30.33mA = 60.66mA，理论上此时继电器能够吸合，但由于超过了集电极电流为50mA的限值，会导致CTR不稳定，从而导致IC = CTR * IF不稳定，继电器的吸合也不稳定。实际测试结果，与上述理论分析相符合，继电器吸合不稳定。
04、改善方案和测试结果
图5 改善后的继电器驱动电路
图5是改善后的电路方案，有以下几点改善：(1) 通过在光耦DETECTOR侧增加NPN三极管Q1，二者一起构成达林顿三极管，具有较强的电流驱动能力。说明：电阻R5可根据实际需要调整阻值，决定三极管Q1工作于线性放大区还是饱和截止区。R4为继电器线圈预留的限流电阻位置。
(2) 将感性负载继电器转移到达林顿三极管的集电极（且预留限流电阻位置R4），这样既有电流放大，又有电压放大，具有更大的功率放大能力。
(3) 在感性负载续流二极管D2回路上预留限流电阻位置R7（这点，电路板D02_MB_V102版本中没有，后续电路设计可以增加）。
后续验证结果，继电器可以可靠吸合和释放。
05、总结
本文从理论分析和实际验证两个方面解决了轨道车项目中D02_MB电路板通过光耦来驱动继电器存在吸合不可靠的问题，对后续基于光耦来驱动继电器的电路设计具有较好的指导意义。该型号HFD23/003-1ZS感性负载继电器直接接在光耦DETECTOR的集电极也不合适，因为继电器的吸合电流为48.89mA，接近光耦DETECTOR集电极ICmax = 50mA限制，设计裕量不够...
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