電磁鐵原理

螺線(xiàn)管是機(jī)電致動(dòng)器，具有稱(chēng)為柱塞的自由移動(dòng)磁芯。通常，螺線(xiàn)管由螺旋形線(xiàn)圈和鐵制成的動(dòng)鐵芯組成。

當(dāng)電流通過(guò)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈時(shí)，它會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)產(chǎn)生拉入柱塞的力。當(dāng)磁場(chǎng)產(chǎn)生足夠的力來(lái)拉動(dòng)柱塞時(shí)，它會(huì)在螺線(xiàn)管內(nèi)移動(dòng)，直到達(dá)到機(jī)械停止位置。當(dāng)柱塞已經(jīng)在螺線(xiàn)管內(nèi)時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生力將柱塞固定到位。當(dāng)電流從螺線(xiàn)管線(xiàn)圈中移除時(shí)，柱塞將在螺線(xiàn)管中安裝的彈簧推動(dòng)下返回其原始位置。

圖 1 顯示了螺線(xiàn)管的結(jié)構(gòu)。

圖1.螺線(xiàn)管原理圖

驅(qū)動(dòng)螺線(xiàn)管的最常見(jiàn)方法是在螺線(xiàn)管線(xiàn)圈中施加所需的電壓。這通常可以使用配置在高端或低端的單個(gè)功率晶體管來(lái)完成。功率晶體管需要一個(gè)與螺線(xiàn)管并聯(lián)的飛輪二極管，因?yàn)槁菥€(xiàn)管線(xiàn)圈具有高電感，會(huì)試圖將電流推入晶體管。雖然這種方法簡(jiǎn)單且便宜，但它的功率效率不高。這是因?yàn)槁菥€(xiàn)管通常需要很大的電流來(lái)拉入柱塞，但是當(dāng)拉入柱塞時(shí)，它不需要相同量的電流。在簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)器方法中，當(dāng)柱塞被拉入時(shí)，保持柱塞，施加到螺線(xiàn)管的電流主要通過(guò)其內(nèi)部電阻產(chǎn)生熱量。

解決此問(wèn)題的另一種方法是使用電流調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器來(lái)激活和停用螺線(xiàn)管。該驅(qū)動(dòng)器可以在螺線(xiàn)管中施加峰值電流值，直到它拉入柱塞，然后，它可以將電流降低到保持值。這種策略大大降低了內(nèi)部螺線(xiàn)管電阻消耗的功率。該驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在更大的電壓范圍內(nèi)使用螺線(xiàn)管。這意味著驅(qū)動(dòng)器允許設(shè)計(jì)為以較低電壓(例如，5 伏)運(yùn)行的螺線(xiàn)管以較高的電源電壓運(yùn)行而不會(huì)損壞(例如，使用 12 伏電源)。

以下部分將描述使用SLG47105 HVPAK器件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)螺線(xiàn)管的電流調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器。

GreenPAK 設(shè)計(jì)理念

使用單個(gè) SLG47105 器件可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)不同的螺線(xiàn)管。SLG47105 器件將控制通過(guò)螺線(xiàn)管的電流，并將通知用戶(hù)每個(gè)螺線(xiàn)管的狀態(tài)(開(kāi)、關(guān)或處于故障狀態(tài))。顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的概念框圖如圖 2 所示。

圖 2. 采用 SLG47105 的節(jié)能螺線(xiàn)管驅(qū)動(dòng)器框圖

該圖的右上角顯示了高壓輸出 (HVOUT) 模塊的內(nèi)部配置方式及其與外部螺線(xiàn)管的連接。連接到引腳 7 的輸出配置為推挽輸出，連接到引腳 8 的輸出配置為開(kāi)漏。此開(kāi)漏輸出在啟動(dòng)延遲后始終保持打開(kāi)狀態(tài)。引腳 5 在內(nèi)部連接到引腳 8 的 N-Mosfet 和內(nèi)部電流放大器。引腳 5 用于測(cè)量螺線(xiàn)管電流并將其與內(nèi)部參考值進(jìn)行比較，將比較結(jié)果發(fā)送到 PWM 控制器 1 塊。

PWM 控制器 1 模塊生成調(diào)節(jié)連接到引腳 7 和 8 的螺線(xiàn)管電流所需的 PWM。它有兩個(gè)設(shè)定點(diǎn)，一個(gè)用于螺線(xiàn)管峰值電流，另一個(gè)用于螺線(xiàn)管保持電流。PWM 控制器的 On/Off 輸入由其左側(cè)的 AND 端口激活。AND 端口連接到啟動(dòng)延遲塊和引腳 2，用作打開(kāi)和關(guān)閉螺線(xiàn)管的外部接口。

連接到 AND 端口的啟動(dòng)延遲模塊用于保證所有內(nèi)部模塊在 IC 上電時(shí)正確初始化。AND 端口的輸出連接到另一個(gè)延遲塊。當(dāng) PWM 控制器打開(kāi)時(shí)，它被配置為將螺線(xiàn)管電流調(diào)節(jié)到其峰值電流值。延遲 50 毫秒后，延遲塊切換 PWM 配置以將螺線(xiàn)管電流調(diào)節(jié)到其保持電流值。

PWM 控制器 1 模塊的開(kāi)/關(guān)輸入也連接到多路復(fù)用器的輸入之一。另一個(gè)多路復(fù)用器輸入連接到頻率為 1 赫茲的方波信號(hào)。多路復(fù)用器輸出由 HVOUT 模塊中的 FAULT 信號(hào)控制。當(dāng) FAULT 信號(hào)未指示任何故障時(shí)，開(kāi)/關(guān)輸入通過(guò)引腳 17 緩沖，即 SOLENOID 1 狀態(tài)輸出。當(dāng) FAULT 信號(hào)指示故障時(shí)，方波信號(hào)在此輸出中被驅(qū)動(dòng)。SOLENOID 1 STATUS 設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)外部 LED 并向用戶(hù)顯示螺線(xiàn)管狀態(tài)。當(dāng) LED 以方波輸出頻率閃爍時(shí)，可以打開(kāi)、關(guān)閉或處于故障狀態(tài)。

在引腳 14 中提供了一個(gè)額外的 FAULT 輸出作為漏極開(kāi)路輸出。該輸出旨在驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，如微控制器。

PWM 控制器 1 下方是 PWM 控制器 2，如圖 2 所示，PWM 控制器 2 周?chē)目刂平Y(jié)構(gòu)類(lèi)似于 PWM 控制器 1。

兩個(gè) FAULT 輸出可以外部連接，因?yàn)樗鼈兪情_(kāi)漏輸出，如果任何輸出發(fā)生故障，它們會(huì)為外部設(shè)備提供單個(gè) FAULT 信號(hào)。

另一個(gè)模塊是 I2C;它可用于重新配置峰值和保持電流設(shè)置。

應(yīng)用電路

圖 3 顯示了與本文一起使用的典型應(yīng)用電路。

圖 3. 典型應(yīng)用的電子電路簡(jiǎn)化示意圖

圖 3 顯示了驅(qū)動(dòng)兩個(gè)不同螺線(xiàn)管(標(biāo)識(shí)為 S1 和 S2)的典型應(yīng)用的簡(jiǎn)化示意圖。如圖所示，驅(qū)動(dòng)器由連接到 5 伏電源的兩個(gè)按鈕控制。螺線(xiàn)管與一個(gè) 0.1Ω 的小電阻一起連接到各自的 HVOUT 輸出。該電阻器用于允許通過(guò)螺線(xiàn)管進(jìn)行外部電流測(cè)量，終端應(yīng)用不需要此電阻器。對(duì)于 SLG47105 電流測(cè)量，兩個(gè) 0.11Ω 電阻連接到引腳 5 和 12。螺線(xiàn)管狀態(tài)輸出連接到綠色 LED，故障輸出連接到紅色 LED。

在本文中，我們使用了兩個(gè)規(guī)格完全不同的螺線(xiàn)管。表 1 顯示了螺線(xiàn)管 S1 和 S2 的主要規(guī)格。

表 1. 螺線(xiàn)管 S1 和 S2 的規(guī)格

電磁閥電流設(shè)置

螺線(xiàn)管電流將從調(diào)節(jié)的峰值電流值開(kāi)始，并在初始延遲后降低到保持電流值。我們?nèi)我舛x保持電流應(yīng)為標(biāo)稱(chēng)峰值電流的 20%。根據(jù)這個(gè)定義，可以計(jì)算出保持電流中消耗的功率以及檢測(cè)電阻上的相應(yīng)電壓。每個(gè)螺線(xiàn)管的理想螺線(xiàn)管電流、耗散功率和感應(yīng)電阻器電壓如表 2 所示。

表 2. 理想配置的電流、耗散功率和檢測(cè)電阻器電壓

峰值電流值是標(biāo)稱(chēng)電壓下的螺線(xiàn)管標(biāo)稱(chēng)電流。保持電流的計(jì)算方法是將峰值電流乘以 0.2(20%)。峰值和保持電流計(jì)算為內(nèi)部螺線(xiàn)管電阻上消耗的功率。檢測(cè)電阻器通過(guò) 0.11Ω 的檢測(cè)電阻器使用歐姆定律計(jì)算。S2 的標(biāo)稱(chēng)線(xiàn)圈電阻是使用標(biāo)稱(chēng)螺線(xiàn)管電壓及其峰值電流值計(jì)算的。

需要注意的是，用于與 SLG47105 中的檢測(cè)電阻器電壓進(jìn)行比較的參考電壓由內(nèi)部 6 位 DAC 提供。我們必須將穩(wěn)壓電流調(diào)整到最接近的 SLG47105 內(nèi)部參考電壓。考慮到這一點(diǎn)，選擇了表 3 中所示的以下電壓基準(zhǔn)值。表 3 顯示了內(nèi)部電壓和相應(yīng)的電流。所有內(nèi)部值都是所需檢測(cè)電阻器電壓的 8 倍，因?yàn)橥獠侩妷涸趦?nèi)部被放大了 8 倍(在下一節(jié)中更詳細(xì)地描述)。峰值和保持電流值通過(guò)檢測(cè)電阻使用歐姆定律計(jì)算。

表 3. 內(nèi)部電壓基準(zhǔn)以及相應(yīng)的電流和耗散功率

表 3 中標(biāo)有 (*) 的值是在計(jì)算中獲得的，但這些值是不可能的，并不代表現(xiàn)實(shí)。對(duì)于 S2，峰值電流不需要電流調(diào)節(jié)，因?yàn)槁菥€(xiàn)管的內(nèi)阻會(huì)限制電流?？紤]到這一點(diǎn)，我們決定設(shè)置最大電流值的參考。

結(jié)論

在本文中，我們討論了螺線(xiàn)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并概述了控制螺線(xiàn)管設(shè)備的應(yīng)用電路。