Управление реле и соленоидами с эффективным применением импульсного драйвера. В этой статье использование основанной на компараторах импульсной схемы драйвера соленоида повышает КПД, изменяя работу драйвера в режимах втягивания и удержания.
Эффективное управление реле и соленоидами — усовершенствованная схема импульсного драйвера
Несколько лет назад Пол Рако в соавторстве с покойным Бобом Пизом написал потрясающую статью, посвященную теоретическим и практическим аспектам модулей, выполняющих управление реле и соленоидами [1]. Было отмечено, что большинству соленоидов для удержания сердечника после втягивания требуется меньше мощности, чем для его смещения в первый момент.
Следовательно, без снижения механических характеристик можно сберечь существенное количество энергии и уменьшить тепловыделение, если начинать с высокого управляющего напряжения для втягивания, а затем понижать напряжение до более низкого значения для удержания.
Метод снижения мощности, предложенный Бобом (первый рисунок в его статье), был элегантно простым; для него требовались лишь резистор и конденсатор, соединенные параллельно друг с другом и последовательно с катушкой соленоида. Энергия в переходном режиме втягивания подается через конденсатор, тогда как установившийся ток удержания протекает через резистор, сопротивление которого выбирается равным от 60% до 70% от сопротивления катушки.
Поэтому ток удержания снижался примерно до 40%, а выделение тепла катушкой уменьшалось более чем на 60%. Это довольно впечатляющее снижение рассеиваемой мощности катушки. Однако последовательный резистор тоже потреблял мощность- на 70% больше, чем соленоид. В принципе в этом и заключается эффективное управление реле и соленоидами.
Схема, представленная здесь на Рисунке 1, переносит тот же принцип снижения мощности на следующий логический уровень, исключая последовательный гасящий резистор, и заменяя его эффективным импульсным режимом. (Обратите внимание, что конструкция применима для управления катушками реле и контакторами).
Схема драйвера построена на четырех аналоговых компараторах, содержащихся в «старом друге» — счетверенной микросхеме LM339 (А1-А4), комбинация которых управляет мощным МОП-транзистором (Q1) в соответствии с сигналом логического уровня на входе РАЗРЕШЕНИЕ. Срабатывание соленоида начинается, когда сигнал РАЗРЕШЕНИЕ активирует А1, включая Q1 и А2, и запускает цикл управления (Рисунок2).
Напряжение V1, которым управляет компаратор A3, нарастает со скоростью, определяемой емкостью конденсатора С1 (время втягивания
TPULL_IN =5·105·C1=50 мс
при С1 = 0.1 мкФ) и связанной с ним резистор-ной цепочкой, в результате чего на затворе Q1 формируется начальный импульс втягивания V3 с полной амплитудой V+.
Это продолжается до тех пор, пока напряжение V1 не сравняется с напряжением V2 — пороговым уровнем модулятора драйвера А2 (устанавливаемым резисторами R1 и R2), и схема перейдет в режим удержания с пониженным потреблением мощности. Модуляция напряжения V3 и, соответственно, проводимости Q1, осуществляется генератором А4, который запускается, когда V1 достигает порога компаратора А4, и формирует треугольный всплеск в узле V1.
Это циклически переключает компаратор А2, тем самым, устанавливая коэффициент заполнения для проводимости Q1 равным примерно 70%. В дальнейшем воспроизводится сценарий экономии рассеиваемой мощности соленоида в режиме удержания, описанный в статье Пиза/Рако, но без неэффективного гасящего резистора.
Универсальность получившегося драйвера определяется его способностью работать от любого источника от 12 до 24 В и подстраиваться к току соленоида до 10 А (то есть, до 240 Вт), что позволяет использовать эту единственную схему для управления широким спектром соленоидов. Потребление мощности в режиме удержания снижается на 60%, а общий КПД легко превышает 90%. Для сброса времязадающего конденсатора С1 требуется меньше миллисекунды.
Ссылки
1. «What’s All This Solenoid Driver Stuff. Anyhow?». Electronic Design, August 5,2013.