Соленоиды: приведение в действие и полярность напряжения

Соленоиды используются во многих устройствах для обеспечения линейного или вращательного приведения в действие механических систем.Хотя управление соленоидом может быть таким же простым, как включение и выключение нагрузки (например, выключатель), часто более высокая производительность может быть получена с помощью специализированной интегральной микросхемы (ИС) для его управления.

В этой статье мы рассмотрим, как система управления электропривода влияет на электромеханические характеристики соленоидов. Будет сравниваться две различные схемы: простой коммутатор и драйвер регулирования тока. Также будут рассмотрены технологии энергосбережения, которые ограничивают рассеивание мощности в соленоиде.

Принцип работы соленоида

Самая примитивная конструкция соленоида представляет собой катушку, создающую магнитное поле. Устройства, которые мы называем соленоидами, состоят из катушки и движущегося сердечника из железа или другого материала. При подаче тока в катушку сердечник втягивается и приводит в движение механический объект, соединенный с сердечником. Простой соленоид показан ниже:

Для приведения в движение сердечника на катушку подается напряжение. Поскольку индуктивное сопротивление катушки довольно велико для ускорения процессов срабатывания на катушку подают повышенное напряжение. Втягивающая сила сердечника пропорциональна току.

Для удержания механического устройства в активной зоне необходим гораздо меньший ток. Если ток в катушке после доведения механического устройства до конечной точки не уменьшить, то это вызовет значительно больший нагрев соленоида.

Для решения этой проблемы можно использовать драйвер постоянного тока. Ток можно контролировать по времени для обеспечения минимальных тепловых потерь при максимально необходимом удерживающем моменте.

Как правильно намотать катушки на соленоид?

Мне нужно намотать маленький электромагнит «соленоид?». Около 3 см в высоту и 2 ~ 5 см в ширину при 5 В / 0,5 А. Этот магнит будет помещен в настольный колокольчик, чтобы он потянул колотушку и позвонил в колокольчик. Я нашел готовые соленоиды, которые выталкивают, но не тянут.

Поэтому я пытаюсь сделать свой собственный магнит и намотал несколько разных типов шурупов, гвоздей и болтов с различными типами проволоки. И теперь я заметил проблему с точностью Я могу намотать массивную катушку, и она будет работать, но как мне намотать маленькую, но мощную катушку?

Я не могу найти объяснения непрофессионала о том, какой диаметр сердечника использовать кабель и сколько обмоток. В общем, чем больше обмоток, тем сильнее поле, общее для всех статей, которые я читаю.

Я нашел статью, в которой кто-то говорит, что обмотки должны быть намотаны в одном направлении (слой по часовой стрелке, слой по часовой стрелке и т. Д.), Чтобы создать действительно более сильный соленоид, но все статьи говорят, что просто наматывайте их назад и вперед (магнит?)

Может ли кто-нибудь вообще подсказать, какой тип сердечника и диаметр сердечника были бы лучшими и если намотка катушек в одном направлении действительно поможет. Также есть какая-то разница в том, как концы направлены или обе стороны излучают одно и то же поле?

На данный момент у меня есть печатная плата с 3 1000 мкФ крышками параллельно катушке, которая запускается транзистором. Я буду использовать aTiny, который запускает транзистор, может быть, на 0,2 секунды, и мне нужен толчок магнитной силы, чтобы потянуть защелку и мгновенно отпустить.

— созданная с использованием CircuitLab

-РЕДАКТИРОВАТЬ

Это проект, над которым кто-то работал, используя USB-питание и наматывая собственную катушку. Он использует дарлингтонский транзистор? Это как-то влияет на катушку? У меня только нормальный транзистор. Зазор должен быть около 1,5 ~ 2 см, чтобы колотушка могла ударить по колоколу. У меня такой же звонок. Он считает, что использовал 2 м кабеля для намотки катушки … Я использовал 3,5 метра и намотал его намного аккуратнее, чем его …

• BDX53B Дарлингтонский транзистор
• 1 х 2200 мкФ 10 В

YouTube

-EDIT2

Я закончил тем, что использовал соленоид 5v. Снял 2 конденсатора и использовал толкающий конец соленоида, чтобы вышибить заглушку. И ДИНГ! Отлично работает. Я понятия не имею, как этот парень заставил этот электромагнит сломать хлопушку ?!

Испытательная установка

Чтобы сравнить электромеханические характеристики различных схем привода соленоида, была создана простая тестовая установка с использованием сервоусилителя, подключенного к соленоиду с изгибом для измерения движения соленоида. Движение, наряду с напряжением и током, было зафиксировано с помощью осциллографа. Для управления соленоидом использовалась MPS MPQ6610 IC.

Принцип действия

Основополагающий принцип работы с соленоидом заключается в следующем: управляющий ток через обмотку заставляет плунжер (поршень) двигаться в направлении магнитного поля, то есть в область, покрытую обмоткой. Смена полярности приложенного напряжения не меняет направление движения, потому что типовой плунжер – это просто кусок металла (а не магнит), и поэтому он всегда притягивается (не отталкивается) от магнитного поля.

Если сила тяжести или что-то в вашей механической нагрузке не возвращает поршень в исходное положение, вам нужен соленоид с возвратной пружиной.

Простые драйверы для соленоидов

Самый простой способ управлять соленоидом — включить и выключить ток. Это часто делается с помощью переключателя MOSFET с низкой стороны и токового защитного диода (рисунок ниже). В этой схеме ток ограничен только напряжением питания и постоянным сопротивлением соленоида.

Электромеханические характеристики простого привода соленоида ограничены. Поскольку полное напряжение и ток применяются в течение 100% времени, ток втягивания ограничивается постоянной мощностью рассеяния соленоида. Большая индуктивность катушки ограничивает скорость нарастания тока при включении соленоида.

В тесте измерялось движение, напряжение и ток соленоида включаемого с помощью простого переключателя (рисунок ниже). В этом случае время включения соленоида (15 Ом, рассчитанного на 12 В) занимало 30 мс, чтобы приводить в действие механический привод и рассеивать мощность 10 Вт.

Если вы задаетесь вопросом о «впадине» в текущей форме волны, то это уменьшение тока связано с обратной ЭДС, создаваемой движущимся сердечником соленоида. Обратная ЭДС увеличивается по мере того, как сердечник разгоняется до тех пор, пока соленоид не втянется и не остановится.

Магнитное поле электрического тока

Магнитное поле создается не только естественными либо искусственными постоянными магнитами, но и проводником, если по нему проходит электрический ток. Как следует, существует связь меж магнитными и электронными явлениями.

Убедиться в том, что вокруг проводника, по которому проходит ток, появляется магнитное поле, несложно. Над подвижной магнитной стрелкой параллельно ей расположите прямолинейный проводник и пропустите через него электрический ток. Стрелка займет положение, перпендикулярное проводнику.

Какие же силы могли вынудить обернуться магнитную стрелку? Разумеется, силы магнитного поля, появившегося вокруг проводника. Выключите ток, и магнитная стрелка займет свое обычное положение. Это гласит о том, что с выключением тока пропало и магнитное поле проводника.

Таким образом, проходящий по проводнику электрический ток делает магнитное поле. Чтоб выяснить, в какую сторону отклонится магнитная стрелка, используют правило правой руки. Если расположить над проводником правую руку ладонью вниз так, чтоб направление тока совпадало с направлением пальцев, то отогнутый большой палец покажет направление отличия северного полюса магнитной стрелки, помещенной под проводником. Пользуясь этим правилом и зная полярность стрелки, можно найти также направление тока в проводнике.

Магнитное поле проводника имеет форму концентрических кругов. Если расположить над проводником правую руку ладонью вниз так, чтоб ток вроде бы выходил из пальцев, то отогнутый большой палец укажет на северный полюс магнитной стрелки. Такое поле именуется радиальным магнитным полем.

Направление силовых линий радиального поля находится в зависимости от направления электронного тока в проводнике и определяется так именуемым правилом «буравчика». Если буравчик образно ввинчивать по направлению тока, то направление вращения его руки будет совпадать с направлением магнитных силовых линий поля. Применяя это правило, можно выяснить направление тока в проводнике, если понятно направление силовых линий поля, сделанного этим током.

Возвращаясь к опыту с магнитной стрелкой, можно убедиться в том, что она всегда размещается своим северным концом по направлению силовых линий магнитного поля.

Итак, вокруг проводника, по которому проходит электрический ток, появляется магнитное поле. Оно имеет форму концентрических кругов и именуется радиальным магнитным полем.

Высокопроизводительный драйвер соленоида

В большинстве применений полный ток необходим только для втягивания соленоида. После завершения движения уровень тока в соленоиде может быть снижен, что приводит к экономии энергии и значительно меньшему количеству тепла, выделяемого в катушке. Это также позволяет использовать более высокое напряжение питания, что обеспечивает форсировку тока втягивания, чтобы сделать процесс втягивания сердечника соленоида более быстрым и обеспечить большую силу втягивания.

Мощный полумост MPS MPQ6610 вместе с несколькими внешними компонентами может выполнить эту задачу (рисунок ниже). MPQ6610 рассчитан на 60 В и 3 А и доступен в небольших пакетах TSOT и SOIC.

Результирующие сигналы возбуждения показаны на рисунке ниже. Желтая линия — это сигнал OUT, управляющий соленоидом, а зеленый — ток соленоида. Первоначально полное напряжение питания 24 В (в этом случае приводится в движение соленоид). После задержки ток уменьшается путем широтно-импульсной модуляции выхода. Время втягивания сокращается до 16 мс, а рассеиваемая мощность удержания значительно ниже (около 600 мВт вместо 10 Вт).

Эта схема работает следующим образом:

Первоначально входной сигнал низкий. Это разряжает C1-D1 и удерживает контакт ISET с низким значением Q1.

Входной сигнал нарастает, что позволяет MPQ6610 «нарастить» выходной сигнал до высокого уровня, применяя полное напряжение питания к соленоиду. C1 начинает заряжаться через R1. Ток поступает из штыря ISET, пропорционального току, протекающему в соленоиде. С зарядом C1 напряжение на штыре ISET может увеличиться.

Предполагая, что в соленоиде имеется достаточный ток, напряжение на шине ISET продолжает расти, пока не достигнет своего порога регулирования тока (1,5 В). На этом этапе MPQ6610 начинает регулировать ток соленоида. Регулируемый ток удержания устанавливается значением R2.

Время задержки (когда соленоид приводится в 100% рабочий цикл) устанавливается значениями R1 и C1. Для стандартного логического уровня 3,3 В время составляет приблизительно 0,33 × RC. Для примера выше, с R1 = 100 кОм и C1 = 2,2 мкФ, 0,33 × RC = 75 мс.

См. также

В Викисловаре есть статья «соленоид»

• Магнит
• Электромагнит
• Индуктивность
• Катушка индуктивности
• Катушка Румкорфа

К:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)