Схема драйвера реле и соленоида удваивает напряжение питания для экономии энергии

Общепризнанно, что после срабатывания реле и соленоидов для их надежного удержания требуется только половина напряжения на катушке и, следовательно, только четверть мощности катушки. Следовательно, любой драйвер соленоида или реле, который постоянно подает полное начальное напряжение срабатывания только для удержания, расточительно тратит в четыре раза больше энергии, чем требуется для работы.

Самое простое и дешевое (частичное) решение этой проблемы показано на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Базовая схема драйвера, в которой конденсатор C1 обеспечивает срабатывание, резистор R1 уменьшает поддерживающий ток вдвое, а затем C1 разряжается через R1 в течение времени TOFF.

Но, как это часто бывает с «простым и дешевым», решению на Рисунке 1 присущи некоторые издержки и сложности.

Хотя резистор R1 успешно снижает поддерживающий ток вдвое, при этом он рассеивает столько же энергии, сколько и катушка. Следовательно, общая поддерживающая мощность составляет ½, а не ¼ от мощности срабатывания, поэтому фактически реализуется только половина теоретической экономии мощности.

Когда драйвер выключен, перед следующим импульсом включения необходимо установить длительную задержку восстановления, чтобы дать конденсатору C1 достаточно времени для разряда через резистор R1. В противном случае следующий управляющий импульс будет иметь недостаточную амплитуду и может не сработать. Этот эффект усугубляется тем, что во время срабатывания конденсатор C1 заряжается через параллельную комбинацию R1 и R_M, но во время T_OFF выключенного состояния он разряжается только через R1. Из-за этого восстановление занимает в два раза больше времени, чем срабатывание.

На Рисунке 2 представлено более эффективное, хотя и менее простое и дешевое решение, которое и является предметом данной статьи.

Рисунок 2.	Транзисторы Q1 и Q2 во взаимодействии с конденсатором C удваивают напряжение VL, обеспечивая срабатывание, Q2 и D2 обеспечивают поддержание, затем Q3 быстро разряжает C через резистор R, чтобы восстановиться для следующего цикла.

Активация начинается с положительного импульса на входе, включающего транзистор Q1, который подтягивает нижний конец катушки к напряжению –V_L и включает транзистор Q2, подтягивающий верхний конец катушки к напряжению +V_L. Таким образом, к катушке оказывается приложенным напряжение 2V_L, обеспечивающее надежное срабатывание. Когда зарядка конденсатора C завершается, диод Шоттки D2 забирает себе функцию пропускания тока у транзистора Q1. Это снижает поддерживающее напряжение до ½ напряжения срабатывания и, следовательно, уменьшает поддерживающую мощность до ¼.

В конце цикла, когда входной сигнал возвращается к уровню V₀, включается транзистор Q3, инициируя быстрый разряд конденсатора C через D2 и R. На самом деле, восстановление можно легко организовать так, чтобы оно занимало меньше времени, чем требуется для отключения реле или соленоида. Тогда не будет необходимости в явной межцикловой задержке, и время восстановления фактически будет равно нулю!

Мораль: вы получаете то, за что платите!

Но что произойдет, если даже удвоенного напряжения логической шины V_L все равно будет недостаточно для управления катушкой, и потребуется шина питания с более высоким напряжением?

На Рисунке 3 эта проблема решена с помощью некоторых хитростей, описанных в более ранней статье [1].

Рисунок 3.	Для выполнения условия V++ > VL добавлена цепь сдвига уровня на элементах Q4, R1 и R2.

Ссылка

1. Stephen Woodward. Управление КМОП двухтактными каскадами с помощью логических сигналов, связи по переменному току и заземленных затворов