Универсальный драйвер реле и соленоидов для любых напряжений питания

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2018

James Lockridge, Texas Instruments

Electronic Design

Вместо источника фиксированного напряжения намного эффективнее и гибче использовать источник тока, чтобы характеристики схемы не зависели от напряжения шины питания и изменений сопротивления реле и катушек

Диапазон рабочих напряжений реле и соленоидов очень широк. В большинстве оборудования для автоматизации производства и технологических процессов используются источники питания 24 В. Тем не менее, пользователи могут столкнуться с необходимостью управления катушками в других диапазонах постоянных или переменных напряжений, таких как 12 В, 36 В и 48 В, а для некоторых клапанов и контакторов даже 120 В или 220/240 В. Для каждого напряжения нужны разные варианты конструкции катушки. Необходимость иметь устройства с катушками для всех возможных напряжений увеличивает объем складских запасов и усложняет снабжение запасными частями.

Вариантом решения может быть использование одной 12-вольтовой катушки с последовательным резистором, ограничивающим ток катушки для каждого значения напряжения. Однако это приводит к большим потерям энергии и рассеянию тепла на резисторе, особенно, если 12-вольтовая катушка используется в конструкции с питанием 220/240 В.

Более энергоэффективное решение заключается в том, чтобы, используя ШИМ-управление и обратный диод, регулировать ток соленоида, Дополнительно это дает возможность добавить обратную связь по выходному току. ШИМ позволит также формировать профиль тока управления, чтобы увеличить его во время активации, а затем снизить ток до значения, достаточного для удержания соленоида (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Пример того, как управление формой тока с помощью ШИМ позволяет снизить среднюю мощность потребления.

Проще всего реализовать ШИМ-управление без обратной связи по току, однако изменения сопротивления катушки, температуры, напряжения питания и другие факторы могут стать причиной непреднамеренного отключения соленоида. С ростом температуры сопротивление катушки будет увеличиваться. Согласно закону Ома, увеличение сопротивления приводит к уменьшению тока. Поскольку сила магнитного поля определяется током, с уменьшением тока уменьшается и магнитная сила.

Поэтому более надежным способом управления катушками и реле является ШИМ-управление с обратной связью по току, использующее токоизмерительный резистор. При токовом управлении драйвер стабилизирует ток катушки на требуемом уровне независимо от ее сопротивления, что делает схему более устойчивой к воздействию температуры. Реализовать обратную связь по току можно с помощью микроконтроллера и дискретных компонентов, или воспользовавшись драйвером реле/соленоидов, таким, например, как DRV120 (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Управляя соленоидом или реле с помощью тока, а не напряжения, в данном случае, используя микросхему DRV120, дает возможность обеспечить требуемые уровни управления независимо от напряжения шины питания или от температурных изменений сопротивления катушки.

Для ШИМ-управления в приложениях с сетевым питанием переменное напряжение, прежде всего, должно быть выпрямлено. После этого такой драйвер как DRV110 (аналогичный DRV120), при наличии токоограничительного резистора R_S и стабилитрона, может безопасно оперировать высоким напряжением. Выпрямленное переменное напряжение непосредственно управляет соленоидом или клапаном (Рисунок 3). Использование для управления контактором постоянного тока вместо переменного упрощает конструкцию электромагнита, позволяя исключить из сердечника катушки короткозамыкающий виток.

Рисунок 3.	При подключении дополнительного резистора RS DRV110 может работать с выпрямленными сетевыми напряжениями переменного тока 120 В и 230 В (а также и с низкими напряжениями постоянного тока), управляя катушкой контактора переменного тока.

При токовом методе управления достаточно иметь единственную 12-вольтовую катушку с требуемым усилием втягивания для любого переменного или постоянного напряжения от 12 В до 48 В, и потенциально даже от 120 В до 240 В. Это позволяет расширить ассортимент продуктов, разработав схему лишь для одного типа катушек.

Другая проблема возникает тогда, когда разработчик хочет использовать определенное реле или соленоид, но напряжение доступной шины питания слишком высоко, например, если катушка рассчитана на 12 В, а напряжение шины равно 24 В. Хотя одно «очевидное» решение состоит в том, чтобы просто переключиться на использование устройства с катушкой 24 В, сделать это на практике не всегда легко, так как включение нового элемента в перечень разрешенных к применению компонентов может оказаться сложным и длительным процессом, который задержит выход на рынок конечного продукта.

Эту проблему решает использование токового управления, поскольку 12-вольтовые реле или соленоиды разработчики могут применять в системах и с 12-, и с 24-вольтовыми шинами, и даже подготовиться к выпуску продуктов следующего поколения с напряжениями шин 36 В или 48 В. Таким образом, токовое управление позволит продолжить использование выбранного ранее соленоида или реле, возможно, в системах со всеми тремя напряжениями питания. Дополнительно, за счет сокращения номенклатуры покупных изделий, можно рассчитывать на скидки при покупке больших партий однотипных компонентов.

Ссылки

Материалы по теме