نوع دیگری از محرک الکترومغناطیسی که سیگنال الکتریکی را به یک میدان مغناطیسی که یک حرکت خطی تبدیل می‌کند، سلنوئید خطی نامیده می‌شود.

اجزاء شیر برقی

شیر برقی خطی با همان اصول اساسی رله الکترومکانیکی که در آموزش قبلی دیدیم کار می‌کند و دقیقاً مانند رله‌ها، می توان آنها را با استفاده از ترانزیستورهای دو قطبی یا MOSFET نیز سوئیچ و کنترل کرد. یک “شیر برقی خطی” وسیله ای الکترومغناطیسی است که انرژی الکتریکی را به یک نیروی فشار یا حرکت مکانیکی 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 “در” و “خارج” بدنه سیم پیچ است. از سلونوئیدها می توان فقط با انرژی دادن به سیم پیچ آن، درها و قفل ها را به صورت برقی باز کرد، دریچه‌ها را باز یا بسته کرد، اندامها و مکانیزم‌های رباتیک را جابجا کرد.

سلونوئید چیست؟

سلونوئیدها در انواع پیکربندی‌ها و قالب ها در دسترس هستند که انواع متداول آنها سلونوئید خطی است، همچنین به عنوان محرک الکترومکانیکی خطی (LEMA) شناخته می‌شوند، که همانطور که از نام آن پیداست یک حرکت خطی مستقیم تولید می کند و شیر برقی چرخان یک حرکت چرخشی بر روی یک زاویه ثابت تولید می‌کند.

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 کاربردهای انرژی‌دار یا بدون توان ( خاموش) استفاده می‌شود. 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 یک هادی عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می‌کند. جهت این میدان مغناطیسی با توجه به قطب های شمالی و جنوبی آن با جهت جریان جاری داخل سیم تعیین می‌شود. سپس با عبور جریان الکتریکی از سیم پیچ سیم به یک “الکترومغناطیسی” تبدیل می‌شود که قطب‌های شمالی و جنوبی خود را دقیقاً مشابه آهنرباهای نوع دائمی ایجاد می‌کند.

مقاومت این میدان مغناطیسی را می‌توان با کنترل مقدار جریان عبوری از سیم پیچ یا با تغییر تعداد دور یا حلقه های سیم پیچ افزایش یا کاهش داد. در زیر مثالی از “الکترومغناطیس” آورده شده است.

میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ شیر برقی

وقتی یک جریان الکتریکی از سیم پیچ های سیم پیچ عبور می‌کند، مانند یک آهنربای الکتریکی رفتار می‌کند و 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 فنر کوچک متصل به یک انتهای پیستون را می‌فشارد. نیرو و سرعت حرکت پیستون‌ها با توجه به قدرت شار مغناطیسی تولید شده در سیم پیچ تعیین می‌شود.

هنگامی که جریان تغذیه “خاموش” می شود (بدون انرژی می شود) میدان الکترومغناطیسی تولید شده قبلی توسط سیم پیچ فرو می ریزد و انرژی ذخیره شده در فنر فشرده، پیستون را به موقعیت استراحت اولیه خود برگرداند. این حرکت پیستون به عقب و جلو به عنوان “تکان” شیر برقی شناخته می‌شود، به عبارت دیگر حداکثر مسیری که پیستون می تواند در یک جهت “وارد” یا “خارج” به عنوان مثال 0 تا 30 میلی متر طی کند.

ساختار شیر برقی خطی

به دلیل حرکت جهت دار و عملکرد پیستون، این نوع شیر برقی معمولاً شیر برقی خطی نامیده می‌شود. شیر برقی های خطی در دو پیکربندی اساسی به نام “نوع کششی” در دسترس هستند زیرا وقتی بارگیری می شود بار متصل را به سمت خود می‌کشد و “نوع فشار” که در جهت مخالف عمل می‌کند، وقتی انرژی دار است آن را از خود دور می کند. هر دو نوع فشار و کشش به طور کلی با تفاوت در محل برگشت فنر و طراحی پیستون یکسان ساخته می‌شوند.

ساختار شیر برقی خطی از نوع کششی

سلونوئیدهای خطی در بسیاری از برنامه های کاربردی که نیازمند 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 “دینگ دانگ “زنگ درب هستند، کاربردی هستند. آنها به صورت قاب باز، قاب بسته یا لوله های مهر و موم شده در دسترس هستند.

شیر برقی چرخان

اکثر سلونوئیدهای الکترومغناطیسی دستگاه‌های خطی هستند که یک نیرو یا حرکت خطی به جلو و عقب تولید می‌کنند. با این حال، سلونوئیدهای چرخشی نیز در دسترس هستند که یک حرکت زاویه ای یا چرخشی را از یک موقعیت خنثی در جهت عقربه‌های ساعت، خلاف جهت عقربه‌های ساعت یا در هر دو جهت (دو جهته) تولید می‌کنند.

از سلونوئیدهای دوار می توان برای جایگزینی موتورهای کوچک DC یا موتورهای پله ای درصورتی که حرکت زاویه ای بسیار کم باشد استفاده کرد در حالی که زاویه چرخش همان زاویه ای است که از ابتدا به موقعیت انتهایی منتقل می‌شود.

سلونوئیدهای دوار رایج در دسترس دارای حرکات 25 ، 35 ، 45 ، 60 و 90 درجه و همچنین حرکات متعدد به و از یک زاویه خاص مانند بازیابی خود 2 موقعیتی یا بازگشت به چرخش صفر هستند، به عنوان مثال 0 تا 90 به 0 درجه، خود بازیابی 3 موقعیتی، به عنوان مثال 0 تا 45+ یا 0 تا 45- و همچنین قفل 2 موقعیتی.

سلونوئیدهای دوار هنگام انرژی دار شدن، بی انرژی یا تغییر قطب میدان الکترومغناطیسی، یک حرکت چرخشی ایجاد می‌کنند و موقعیت روتور آهنربای دائمی را تغییر می‌دهند. ساختار آنها شامل یک سیم پیچ الکتریکی در اطراف یک قاب فولادی با یک دیسک مغناطیسی متصل به یک شفت خروجی قرار گرفته در بالای سیم پیچ است.

هنگامی که سیم پیچ انرژی دار می‌شود، میدان الکترومغناطیسی چندین قطب شمال و جنوب ایجاد می‌کند که قطب های مغناطیسی دائمی مجاور دیسک را دفع می‌کند و باعث چرخش آن در زاویه ای می شود که توسط ساخت مکانیکی شیر برقی دوار تعیین می‌شود.

شیر برقی دوار در ماشین های فروش یا بازی، کنترل سوپاپ، شاتر دوربین با سرعت بالا، شیر برقی کم توان یا با موقعیت متغیر با قدرت یا گشتاور بالا در دسترس است مانند مواردی که در چاپگرهای ماتریس نقطه ای، ماشین تحریر، ماشین های خودکار یا برنامه های خودرو و غیره استفاده می‌شود .

سوئیچینگ شیر برقی 

به طور کلی سلونوئیدهای خطی یا چرخان با استفاده از ولتاژ DC کار می‌کنند، اما با ولتاژ سینوسی AC نیز می توان از یکسو کننده های پل موج کامل برای اصلاح منبع تغذیه استفاده کرد و سپس می توان از آن برای تغییر شیر برقی DC استفاده کرد. سلونوئیدهای کوچک نوع DC با استفاده از سوئیچ های ترانزیستور یا MOSFET به راحتی قابل کنترل هستند و برای استفاده در کاربردهای رباتیک ایده آل هستند.

با این حال، همانطور که قبلاً در مورد رله‌های الکترومکانیکی دیدیم، سلونوئیدهای خطی دستگاه های “القایی” هستند، بنابراین برای جلوگیری از آسیب رساندن به ولتاژهای EMF برگشتی به دستگاه سوئیچ نیمه هادی، نوعی حفاظت الکتریکی در سراسر سیم پیچ برقی مورد نیاز است. در این حالت از ” دیود Flywheel ” استاندارد استفاده می‌شود، اما می‌توان به همان اندازه از یک دیود زنر یا یک وریستور با مقدار کم استفاده کرد.

سوئچینگ شیر برقی با استفاده از ترانزیستور

یکی از معایب اصلی سلونوئیدها و به خصوص سلونوئید خطی این است که آنها “وسایل القایی” هستند که از سیم پیچ سیم ساخته می‌شوند. این بدان معناست که سیم پیچ های برقی مقاومت دارند و مقداری از انرژی الکتریکی مورد استفاده برای کار با آنها را به دلیل اثر گرمایش I²R سیم به “گرما” تبدیل می‌کنند.

به عبارت دیگر، وقتی برای مدت زمان طولانی به یک منبع برق متصل می‌شوند، سیم پیچ ها داغ می‌شوند! و هرچه زمان مصرف برق روی یک سیم پیچ برقی بیشتر شود، ممکن است سیم پیچ داغتر شود. همچنین با گرم شدن سیم پیچ، مقاومت الکتریکی آن نیز کاهش می‌یابد که هم جریان جاری از سیم پیچ و هم قدرت میدان مغناطیسی آن کاهش می یابد زیرا این امر مستقیماً به چرخش – آمپر بستگی دارد.

با یک ولتاژ ورودی پیوسته به سیم پیچ، سیم پیچ برقی فرصت خنک شدن را ندارد زیرا جریان ورودی همیشه روشن است. به منظور کاهش این اثر گرمایی ناشی از خود، باید هم از زمان انرژی سیم پیچ و هم از میزان جریان عبوری از آن کاسته شود.

یکی از روش های مصرف جریان کمتر، اعمال ولتاژ مناسب و کافی به سیم پیچ برقی است تا میدان الکترومغناطیسی لازم برای کارکردن و نشستن پیستون فراهم شود، اما پس از آن یک بار فعال می شود تا ولتاژ سیم پیچ را به سطح کافی برای نگهداری پیستون در حالت نشسته یا قفل شده خود کاهش دهد. یکی از راه های دستیابی به این هدف، اتصال یک مقاومت مناسب “نگهدارنده” به صورت سری با سیم پیچ برقی است، به عنوان مثال:

کاهش مصرف انرژی شیر برقی

در اینجا، کنتاکت های سوئیچ بسته می‌شوند و مقاومت را اتصال کوتاه می‌کنند و عبور جریان کامل تغذیه مستقیم به سیم پیچ های سیم پیچ برقی را قطع می‌کنند. هنگامی که کنتاکت هایی که می توانند به صورت مکانیکی به سیستم پیستون سلونوئیدها متصل شوند، فعال می‌شوند اتصال مقاومت نگهدارنده R_H به صورت سری با سیم پیچ برقی است. این به طور موثر مقاومت را به صورت سری به سیم پیچ متصل می‌کند.

با استفاده از این روش می توان شیر برقی را به طور نامحدود به منبع ولتاژ آن متصل کرد (چرخه کاری مداوم) زیرا توان مصرفی سیم پیچ و گرمای تولید شده بسیار کاهش می یابد که می تواند با استفاده از یک مقاومت توان مناسب تا 85 تا 90٪ باشد. با این حال، برق مصرف شده توسط مقاومت نیز مقدار مشخصی گرما تولید می‌کند ، I²R (قانون اهم) و این نیز باید مورد توجه قرار گیرد.

چرخه کاری سلنوئید

روش عملی دیگر برای کاهش گرمای تولید شده توسط سیم پیچ برقی، استفاده از “چرخه کاری متناوب” است. چرخه کاری متناوب به این معنی است که سیم پیچ بارها و بارها با یک فرکانس مناسب “روشن” و “خاموش” می‌شود تا مکانیسم پیستون فعال شود اما در دوره خاموش شکل موج به آن اجازه نمی‌دهد بدون انرژی شود. سوئیچینگ متناوب چرخه کاری یک روش بسیار موثر برای کاهش کل انرژی مصرفی سیم پیچ است.

چرخه کاری (٪ED) یک شیر برقی بخشی از زمان “روشن” است که یک شیر برقی انرژی می گیرد و نسبت زمان “روشن” به کل “روشن” و “خاموش” برای یک چرخه کامل عملیاتی است. به عبارت دیگر، زمان چرخه برابر است با زمان روشن بعلاوه زمان خاموشی است. چرخه وظیفه به صورت درصد بیان می شود، به عنوان مثال:

چرخه کاری = زمان ” روشن”/ زمان روشن+ زومان خاموش  *100%

سپس اگر یک شیر برقی به مدت 30 ثانیه “روشن” باشد یا فعال شود و سپس 90 ثانیه “خاموش” شود قبل از اینکه دوباره غیر فعال شود، یک چرخه کامل، کل زمان چرخه “روشن / خاموش” 120 ثانیه خواهد بود،(30 90+) بنابراین چرخه کار شیر برقی می تواند 120/30 ثانیه یا 25٪ محاسبه شود. این بدان معنی است که اگر مقادیر چرخه کاری و زمان خاموش بودن را می‌دانید، می توانید حداکثر زمان روشن بودن شیر برقی را تعیین کنید.

به عنوان مثال، زمان خاموش شدن برابر است با 15 ثانیه، چرخه کار برابر با 40 است، بنابراین زمان خاموش شدن برابر با 10 ثانیه است. یک شیر برقی با چرخه کاری دارای 100٪ به این معنی است که دارای ولتاژ مداوم است و بنابراین می‌تواند بدون گرم شدن بیش از حد و آسیب دیدگی “روشن” بماند یا به طور مداوم فعال باشد.

در این آموزش در مورد سلونوئیدها، هم سلونوئید خطی و هم چرخان را به عنوان یک محرک الکترومکانیکی مورد بررسی قرار داده ایم که می تواند به عنوان یک دستگاه خروجی برای کنترل روند فیزیکی استفاده شود. در آموزش بعدی ما بر دستگاه های خروجی به نام محرک ها و سیگنالی که یک سیگنال الکتریکی را دوباره با استفاده از الکترومغناطیس به یک حرکت چرخشی مربوطه تبدیل می کند، خواهیم پرداخت.

نوع قطعه خروجی که در آموزش بعدی به آن خواهیم پرداخت، موتور DC است.