شیر برقی خطی
نوع‌دیگری از محرک الکترومغناطیسی که سیگنال الکتریکی را به یک میدان‌مغناطیسی برای‌تولید یک‌حرکت خطی تبدیل می‌کند، شیر برقی خطی نامیده می‌شود.
شیر برقی خطی با همان اصل اساسی که رله الکترومکانیکی در آموزش قبلی دیده می‌شود کار می‌کند و دقیقاً مانند رله ها، می‌توان آنها را با استفاده از ترانزیستورها یا MOSFET نیز تعویض و کنترل کرد.
یک شیر برقی خطی(Linear Solenoid)وسیله‌ای الکترومغناطیسی است که انرژی‌الکتریکی را به یک نیروی مکانیکی تحت فشار یا کشش تبدیل می‌کند.
شیر برقی خطی اساساً شامل یک سیم پیچ الکتریکی در اطراف یک لوله استوانه ای با یک محرک فرو مغناطیسی یا “پیستون” است که آزادانه قادر به حرکت یا کشیدن “IN” و “OUT” بدنه سیم پیچ است.
از سلونوئیدها می‌توان فقط با انرژی دادن به سیم پیچ آن، درها و قفل ها را به‌صورت برقی باز کرد.
دریچه ها را باز یا بسته کرد، اندامها و مکانیزمهای رباتیک را حرکت داد و آنها را کار داد.
شیربرقی خطی
سلونوئیدها در قالب های مختلفی موجود هستند که انواع متداول آن شیر برقی خطی است که به عنوان محرک الکترومکانیکی خطی (LEMA) و شیر برقی دوار نیز شناخته می شود.
هر دو نوع سلونوئید ، خطی و چرخشی به صورت هولدینگ (با انرژی مداوم) یا به صورت نوع قفل (پالس خاموش و روشن) در دسترس هستند که انواع قفل در برنامه های انرژی یا خاموش استفاده می شود.
سلونوئیدهای خطی همچنین می‌توانند برای کنترل حرکت متناسب در موقعیتی که موقعیت پیستون متناسب با توان ورودی است، طراحی شوند.
هنگامی که جریان الکتریکی از طریق یک رسانا عبور می کند ، یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند.
جهت این میدان مغناطیسی با توجه به قطب های شمالی و جنوبی آن با جهت جریان داخل سیم تعیین می‌شود.
این سیم پیچ با قطب شمال و جنوب خود دقیقاً همان قطعه آهنربای نوع دائمی به یک “الکترومغناطیس” تبدیل می‌شود.
مقاومت این میدان مغناطیسی را می‌توان با کنترل‌مقدار جریان عبوری از سیم‌پیچ یا با تغییر تعداد دور یا حلقه‌های سیم پیچ افزایش یا کاهش داد.
در زیر مثالی از “الکترومغناطیس” آورده شده است.
میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک سیم پیچ
هنگامی که یک جریان الکتریکی از سیم پیچ سیم پیچ عبور می کند ، مانند یک آهنربای الکتریکی رفتار می‌کند.
پیستون ، که در داخل سیم پیچ قرار دارد ، با تنظیم شار مغناطیسی درون بدنه سیم پیچ ، به سمت مرکز سیم پیچ جذب می شود. که به نوبه خود یک چشمه کوچک متصل به یک انتهای پیستون.
نیرو و سرعت حرکت پیستون ها توسط قدرت شار مغناطیسی تولید شده در سیم پیچ تعیین می‌شود.
هنگامی که جریان تغذیه”خاموش”می‌شود(از انرژی خارج می شود)میدان الکترومغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ متلاشی می‌شود و انرژی ذخیره شده در فنر فشرده، پیستون را به موقعیت اصلی خود برگرداند.
این حرکت پیستون به عقب و جلو به عنوان شیر برقی “Stroke” شناخته می شود.
به‌عبارت دیگر حداکثر مسیری که پیست می‌تواند در یک جهت “IN” یا “OUT” طی کند، به‌عنوان مثال0 تا 30میلی متر.
ساخت شیر برقی خطی
این نوع شیر برقی به دلیل حرکت جهت دار و عملکرد پیستون عموماً شیر برقی خطی نامیده می شود.
شیر برقی های خطی در دو پیکربندی اساسی به نام “نوع Pull” در دسترس هستند.
زیرا وقتی بار را تحریک می کند بار متصل را به سمت خود می کشد و “نوع فشار” که در جهت مخالف عمل می کند، وقتی آن را انرژی می دهد، آن را از خود دور می کند.
هر دو نوع فشار و کشش به‌طور کلی با تفاوت در محل فنر برگشت و طراحی پیستون یکسان ساخته می‌شوند.
ساخت شیر برقی خطی از نوع کششی
سلونوئیدهای خطی در بسیاری از برنامه های کاربردی که به حرکت نوع باز یا بسته (داخل یا خارج) مانند:
- قفل درهای فعال شده الکترونیکی
- شیرهای کنترل پنوماتیک یا هیدرولیکی
- رباتیک
- مدیریت موتور خودرو
- دریچه های آبیاری برای آبیاری باغ
- و حتی “Ding -دونگ “زنگ درب یکی دارد.
آنها به صورت قاب باز ، قاب بسته یا لوله های مهر و موم شده در دسترس هستند.
شیر برقی چرخشی
اکثر سلونوئیدهای الکترومغناطیسی دستگاههای خطی هستند که یک نیرو یا حرکت خطی به جلو و عقب تولید می کنند.
با این حال، سلونوئیدهای چرخشی نیز در دسترس هستند که یک حرکت زاویه ای یا چرخشی را از یک موقعیت خنثی در جهت عقربه های ساعت، خلاف جهت عقربه‌های ساعت یا در هر دو جهت (دو جهته) تولید می‌کنند.
در‌صورت حرکت زاویه‌ای بسیار کوچک، از زاویه‌چرخش که زاویه‌چرخش از ابتدا به موقعیت انتهایی است، می‌توان از سلونوئیدهای دوار استفاده‌کرد.
سلونوئیدهای دوار معمولاً در دسترس دارای حرکات 25 ، 35 ، 45 ، 60 و 90 درجه و همچنین حرکات متعدد به و از یک زاویه خاص مانند بازیابی خود موقعیت 2 موقعیت یا بازگشت به چرخش صفر هستند.
به‌عنوان‌مثال0 تا 90 به -0o ، بازگرداندن3 موقعیت،به عنوان‌مثال 0o تا + 45o یا 0o تا -45o و همچنین‌قفل 2موقعیت.
سلونوئیدهای دوار هنگام ایجاد‌انرژی، بی انرژی یا تغییر‌قطب میدان‌الکترومغناطیسی،یک حرکت چرخشی ایجاد می‌کنند و موقعیت روتور آهنربای دائمی را تغییر‌می‌دهند.
ساختار‌آنها شامل یک سیم پیچ الکتریکی در‌اطراف یک‌قاب‌فولادی با یک‌دیسک مغناطیسی متصل به یک شافت خروجی قرار‌گرفته در‌بالای سیم‌پیچ است.
هنگامی که سیم پیچ فعال می شود ، میدان الکترومغناطیسی چند قطب شمال و جنوب ایجاد می کند که قطب های مغناطیسی دائمی مجاور دیسک را دفع می کند و باعث چرخش آن در زاویه ای می شود که توسط ساخت مکانیکی شیر برقی دوار تعیین می شود.
شیر برقی دوار در ماشین های فروش یا بازی استفاده می شود ، کنترل سوپاپ ، شاتر دوربین با سرعت بالا ، شیر برقی کم قدرت یا موقعیت متغیر با قدرت یا گشتاور بالا در دسترس است مانند مواردی که در چاپگرهای ماتریس نقطه ، ماشین تحریر ، ماشین های خودکار یا برنامه های خودرو و غیره استفاده می شود .
سوئیچینگ شیر برقی خطی
به طور کلی سلونوئیدها بصورت خطی یا چرخشی با استفاده از ولتاژ DC کار می کنند ، اما همچنین می توانند با ولتاژ سینوسی AC با استفاده از یکسو کننده های پل موج کامل برای تصحیح منبع تغذیه که پس از آن می توان برای تعویض شیر برقی DC استفاده کرد ، استفاده شود.
سلونوئیدهای کوچک نوعDC با استفاده از سوئیچ‌های ترانزیستور یاMOSFET به‌راحتی قابل کنترل هستند و برای استفاده در‌کاربردهای رباتیک ایده‌آل هستند.
با این حال، همانطور که قبلاً در مورد رله های الکترومکانیکی مشاهده کردیم، سلونوئیدهای خطی دستگاه های “القایی” هستند.
بنابراین برای جلوگیری از آسیب‌رساندن به ولتاژهای‌زیاد EMF برگشتی به دستگاه سوئیچینگ نیمه هادی، به نوعی حفاظت‌الکتریکی در‌سراسر سیم‌پیچ‌برقی نیاز‌است.
در این حالت از “Flywheel Diode” استاندارد استفاده می شود.
اما شما می توانید به همان اندازه از یک دیود زنر یا یک وریستور کم ارزش استفاده کنید.
تعویض شیر برقی با استفاده از ترانزیستور
کاهش مصرف انرژی
یکی از معایب اصلی سلونوئیدها و به‌خصوص سلونوئید خطی این است که آنها”وسایل القایی” ساخته‌شده از سیم پیچ سیم هستند.
این بدان معنی است که سیم پیچ برقی به دلیل مقاومت سیم، مقداری از انرژی الکتریکی مورد استفاده برای کار با آنها را به “HEAT” تبدیل می‌کند.
به عبارت دیگر ، وقتی برای مدت زمان طولانی به منبع برق متصل می شوند، داغ می شوند!
همچنین با گرم‌شدن سیم پیچ، مقاومت الکتریکی آن نیز تغییر می‌کند و باعث‌می‌شود جریان بیشتری جریان‌یابد و درجه‌حرارت آن افزایش‌یابد.
با یک ولتاژ ورودی پیوسته به سیم پیچ، سیم پیچ برقی فرصت خنک‌شدن را ندارد زیرا جریان‌ورودی همیشه روشن است.
به منظور کاهش این اثر حرارتی تولید شده، لازم است هم از زمان انرژی سیم پیچ کاسته شود و هم از میزان جریان عبوری از آن کاسته شود.
یکی از روشهای مصرف جریان کمتر ، اعمال ولتاژ مناسب و کافی به سیم پیچ برقی است تا زمینه الکترومغناطیسی لازم برای کارکردن و نشستن پیستون فراهم شود ، اما پس از آن یک بار فعال شد تا ولتاژ سیم پیچ را به سطح کافی برای نگهداری پیست کاهش دهد.
در حالت نشسته یا قفل شده خود باشد.
یکی از راه های دستیابی به این هدف، اتصال یک مقاومت مناسب “نگهدارنده” به صورت سری با سیم‌پیچ برقی است.
به عنوان مثال: کاهش مصرف انرژی برقی
کاهش مصرف انرژی Solenoid
در‌اینجا، تماس‌های سوئیچ با کوتاه‌شدن مقاومت و عبور‌جریان کامل تغذیه مستقیم به سیم پیچ های سیم پیچ برقی بسته می‌شوند.
هنگامی که مخاطبینی که می توانند به صورت مکانیکی به سیستم پیستون سلونوئیدها متصل شوند، فعال می شوند اتصال مقاومت نگهدارنده، RH به صورت سری با سیم پیچ برقی است.
این به طور موثر مقاومت را به صورت سری به سیم پیچ متصل می کند.
با استفاده از این روش می توان شیر برقی را به طور نامحدود به منبع ولتاژ آن متصل کرد (چرخه کار مداوم) زیرا توان مصرفی سیم پیچ و گرمای تولید شده بسیار کاهش می یابد که می تواند با استفاده از یک مقاومت قدرت مناسب تا 85 تا 90٪ باشد.
با این حال، توان مصرف‌شده توسط مقاومت نیز مقدار مشخصی گرما تولید می‌کند، I2R(قانون اهم)و این نیز باید در‌نظر گرفته‌شود.
چرخه کار Solenoid
روش عملی دیگر برای کاهش گرمای تولید شده توسط سیم پیچ برقی ، استفاده از “چرخه کار متناوب” است.
چرخه‌کار متناوب به این معنی‌است که سیم پیچ بارها و بارها با یک فرکانس‌مناسب”روشن” و “خاموش”می‌شود تا مکانیسم پیستون فعال‌شود.
اما در دوره خاموش شکل موج به آن اجازه نمی دهد از انرژی خارج شود.
سوئیچینگ متناوب چرخه کار یک روش بسیار موثر برای کاهش کل انرژی مصرفی سیم پیچ است.
چرخه وظیفه (٪ ED) یک شیر برقی بخشی از زمان “روشن” است که یک شیر برقی انرژی می گیرد و نسبت زمان “ON” به کل زمان “ON” و “OFF” برای یک چرخه کامل است عمل.
به عبارت دیگر ، زمان چرخه برابر است با زمان روشن و خاموش به علاوه زمان خاموش.
چرخه وظیفه به صورت درصد بیان می شود ، به عنوان مثال:
سپس اگر یک شیر برقی به مدت 30 ثانیه “روشن” باشد یا انرژی آن را بگیرد و سپس 90 ثانیه “خاموش” شود قبل از اینکه دوباره دوباره برق بگیرید ، یک چرخه کامل ، کل زمان چرخه “ON / OFF” 120 ثانیه خواهد بود ، (30 90+) بنابراین چرخه کار برقی می تواند 30/120 ثانیه یا 25٪ محاسبه شود.
این بدان‌معنی‌است که اگر مقادیر چرخه‌کار و زمان خاموش بودن را می‌دانید، می‌توانید حداکثر زمان روشن‌بودن شیر برقی را تعیین‌کنید.
به عنوان مثال
زمان خاموش شدن برابر است با 15 ثانیه، چرخه کار برابر با 40 است .
بنابراین زمان خاموش شدن برابر است با 10 ثانیه.
یک شیر برقی با چرخه وظیفه دارای امتیاز 100٪ به این معنی است که دارای ولتاژ مداوم است.
بنابراین می‌تواند بدون گرم‌شدن بیش از حد و آسیب دیدگی “روشن” بماند و یا به‌طور مداوم انرژی آن را تأمین‌کند.
در‌این آموزش در‌مورد شیر برقی، ما هم شیر برقیLinear و هم شیربرقی چرخشی را به‌عنوان یک محرک الکترومکانیکی بررسی کرده‌ایم.
که می تواند به عنوان یک دستگاه خروجی برای کنترل روند فیزیکی استفاده شود.
در آموزش بعدی ما نگاه خود را به دستگاه های خروجی به نام محرک ها ادامه خواهیم داد ، و سیگنالی که یک سیگنال الکتریکی را دوباره با استفاده از الکترومغناطیس به حرکت چرخشی مربوطه تبدیل می کند.
نوع دستگاه خروجی که در آموزش بعدی به آن خواهیم پرداخت ، موتور DC است.