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).
 |
||
| 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).
 |
||
| 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.
Купить LM339 на РадиоЛоцман.Цены
