Усовершенствованная схема эффективного импульсного драйвера соленоидов и реле

W. Stephen Woodward

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2020

Electronic Design

В этой статье использование основанной на компараторах импульсной схемы драйвера соленоида повышает КПД, изменяя работу драйвера в режимах втягивания и удержания

Несколько лет назад Пол Рако в соавторстве с покойным Бобом Пизом написал потрясающую статью, посвященную теоретическим и практическим аспектам схем управления электромагнитными 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.

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).

Эта основанная на компараторах импульсная схема драйвера соленоидов эффективно управляет формой напряжения.
Рисунок 1. Эта основанная на компараторах импульсная схема драйвера соленоидов эффективно
управляет формой напряжения.

Схема драйвера построена на четырех аналоговых компараторах, содержащихся в «старом друге» – счетверенной микросхеме LM339 (A1–A4), комбинация которых управляет мощным МОП-транзистором (Q1) в соответствии с сигналом логического уровня на входе РАЗРЕШЕНИЕ. Срабатывание соленоида начинается, когда сигнал РАЗРЕШЕНИЕ активирует A1, включая Q1 и A2, и запускает цикл управления (Рисунок 2).

Временная диаграмма энергосберегающего управления втягиванием сердечника соленоида и последующим удержанием.
Рисунок 2. Временная диаграмма энергосберегающего управления втягиванием
сердечника соленоида и последующим удержанием.

Напряжение V1, которым управляет компаратор A3, нарастает со скоростью, определяемой емкостью конденсатора C1 (время втягивания

при C1 = 0.1 мкФ) и связанной с ним резисторной 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 A2 (устанавливаемым резисторами R1 и R2), и схема перейдет в режим удержания с пониженным потреблением мощности. Модуляция напряжения V3 и, соответственно, проводимости Q1, осуществляется генератором A4, который запускается, когда V1 достигает порога компаратора A4, и формирует треугольный всплеск в узле V1. Это циклически переключает компаратор A2, 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 C1 требуется меньше миллисекунды.

  1. Datasheet ON Semiconductor LM339
  2. Datasheet Infineon IRLB8721
  3. Datasheet Rectron 10A10

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 60
сейчас смотрят 4
представлено поставщиков 579
загружено
позиций
25 067 862