¿Cuál es la mejor manera de conducir una válvula solenoide?

Los solenoides se utilizan en muchas aplicaciones para proporcionar accionamiento lineal o giratorio en sistemas mecánicos. Aunque accionar los solenoides puede ser tan simple como conectar y desconectar la corriente, a menudo se puede obtener un mejor rendimiento al accionarlos con un IC dedicado.

En este artículo, examinaremos cómo el circuito impulsor afecta el desempeño electromecánico de un solenoide. Se compararán dos circuitos controladores diferentes: un interruptor simple y un controlador regulado por corriente. También se presentarán técnicas de ahorro de energía para limitar el consumo de energía del solenoide.

Conceptos básicos de electroimán

En su forma más simple, un solenoide es una bobina que produce un campo magnético. Lo que comúnmente llamamos solenoide es un dispositivo que utiliza una bobina y un núcleo de hierro en movimiento hecho de hierro o, a veces, de otro material magnético. La aplicación de corriente a la bobina hace que el núcleo de hierro sea jalado o empujado en relación con la bobina, lo que genera el movimiento que se usa para impulsar algo en el sistema mecánico. Un solenoide típico se muestra en la Figura 1.

1. Un solenoide típico consta de una bobina que genera un campo magnético.

Cuando se acciona el solenoide, se aplica un voltaje a los devanados para crear un campo magnético. Debido a la gran inductancia de los devanados, la corriente tarda un tiempo en acumularse. La fuerza en el núcleo del solenoide es proporcional a la corriente. Para generar la fuerza máxima para mover el núcleo, se debe aplicar un alto voltaje a los devanados para acumular rápidamente la corriente.

Una vez que se completa el movimiento, generalmente se puede usar una corriente mucho más pequeña para mantener el núcleo en su lugar. Si no se reduce la corriente, se disipa mucha potencia en los devanados y el solenoide genera mucho calor.

Para resolver estos problemas, se puede utilizar un controlador de corriente constante para impulsar el solenoide. La corriente se puede controlar con el tiempo para proporcionar el impulso deseado y limitar la potencia disipada para mantener el solenoide en su lugar.

Configuración de prueba

Para comparar el desempeño electromecánico de diferentes esquemas de activación de solenoides, se construyó una configuración de prueba simple utilizando un servopotenciómetro conectado a un solenoide con flexibilidad para medir el movimiento del solenoide. Utilice un osciloscopio para capturar el movimiento, así como el voltaje y la corriente. El MPS MPQ6610 IC se utiliza para accionar el solenoide.

Los ajustes se muestran en la Figura 2.

2. La configuración de prueba consta de un servopotenciómetro conectado a un solenoide con flex.

Accionamiento electromagnético simple

La forma más fácil de manejar un solenoide es encender y apagar la corriente. Esto generalmente se logra con interruptores MOSFET de lado bajo y diodos de reciclaje de corriente (Figura 3). En este circuito, la corriente está limitada solo por el voltaje de suministro del solenoide y la resistencia de CC.

3. Activar un solenoide en su forma más simple es una cuestión de encender y apagar la corriente, y generalmente se hace usando un interruptor MOSFET de lado bajo y un diodo de reciclaje de corriente.

El rendimiento electromecánico de los accionamientos simples es limitado. Dado que el voltaje y la corriente completos se aplican el 100 % del tiempo, la corriente de captación está limitada por la clasificación de disipación de potencia continua del solenoide. La gran inductancia de la bobina también limita la rapidez con que aumenta la corriente cuando el solenoide se activa por primera vez.

En nuestras pruebas, se utilizó un interruptor simple para medir el movimiento, el voltaje y la corriente del solenoide (Figura 4). En este caso, el solenoide (15 Ω, nominal de 12 V) tarda 30 ms en activarse y consume 10 W de potencia cuando se activa el solenoide.

4. Estas formas de onda representan el movimiento, el voltaje y la corriente de un solenoide usando un interruptor simple.

Si se pregunta acerca de los «valles» en la forma de onda actual, esta reducción en la corriente se debe a la fuerza contraelectromotriz creada por el núcleo magnético en movimiento del solenoide. La fuerza contraelectromotriz aumenta a medida que el núcleo acelera hasta que el solenoide toca fondo y deja de moverse.

Accionamiento electromagnético de alto rendimiento

En la mayoría de las aplicaciones, solo se requiere corriente completa inicialmente para tirar del solenoide. Una vez que se completa el movimiento, se puede reducir el nivel de corriente en el solenoide, ahorrando energía y reduciendo el calor generado en la bobina. Esto también permite que se utilicen voltajes de suministro más altos, lo que proporciona una corriente de activación más alta para que el solenoide actúe más rápido y proporcione más fuerza.

5. Se muestra el circuito de reducción de corriente de retención MPQ6610.

Una MPS El controlador de medio puente MPQ6610, junto con algunos componentes externos, pueden hacer esto (Figura 5). El MPQ6610 tiene una capacidad nominal de hasta 60 V y 3 A en paquetes pequeños TSOT y SOIC.

Las formas de onda de excitación resultantes se muestran en la Figura 6. El trazo amarillo es la señal de SALIDA que impulsa el solenoide y el trazo verde es la corriente del solenoide. Inicialmente, el voltaje de suministro completo (24 V en este caso) se impulsa para atraer el solenoide. Después de un retraso, la corriente se reduce modulando la salida por ancho de pulso. El tiempo de activación se reduce a 16 ms y el consumo de energía se mantiene más bajo (aproximadamente 600 mW en lugar de 10 W).

6. Estas son las formas de onda de corriente de retención reducida asociadas con el MPQ6610.

El circuito funciona de la siguiente manera:

Inicialmente, la señal de entrada es baja. Esto descarga C1 a través de D1 y mantiene el pin ISET bajo a través de Q1.

La señal de entrada aumenta, iniciando el MPQ6610 y elevando la salida, aplicando el voltaje de suministro completo al solenoide. C1 comienza a cargar a través de R1. La corriente proviene del pin ISET que es proporcional a la corriente que fluye en el solenoide. Se permite que el voltaje en el pin ISET aumente a medida que se carga C1.

Suponiendo que fluya suficiente corriente en el solenoide, el voltaje en el pin ISET continuará aumentando hasta que alcance su umbral de regulación de corriente (1,5 V). En este punto, el MPQ6610 comienza a regular la corriente del solenoide. La corriente de retención regulada se establece por el valor de R2.

El tiempo de retardo (el solenoide se acciona al 100 % del ciclo de trabajo) se establece mediante los valores de R1 y C1. Para niveles lógicos estándar de 3,3 V, el tiempo es de aproximadamente 0,33 × RC. Para el ejemplo anterior, R1 = 100 kΩ y C1 = 2,2 µF, 0,33 × RC = 75 ms.

Para obtener más información, consulte la hoja de datos y la nota de aplicación del MPQ6610 en el sitio web de la empresa.

En conclusión

Las mediciones presentadas aquí muestran que el uso de un controlador regulado por corriente para impulsar un solenoide puede mejorar el rendimiento y reducir el consumo de energía. Los controladores IC pequeños, como el MPS MPQ6610, pueden proporcionar este beneficio de rendimiento a bajo costo y ocupan muy poco área de PCB.

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