Соленоиды и электромагниты: подключение и управление

Какие бывают соленоиды

• Тянущий (pull) — якорь втягивается в катушку и тянет нагрузку за себя.
• Толкающий (push) — тот же механизм, но к якорю прикреплён шток, который выходит через отверстие в противоположном торце и толкает нагрузку. Как подчёркивает Ledex, обратный ход магнитным полем не получить: смена полярности тока не заставит якорь выталкиваться, возврат делает пружина.
• С магнитной фиксацией (бистабильный, latching) — постоянный магнит удерживает втянутый якорь без тока; отпускает его импульс обратной полярности. Подробнее — в разделе о них ниже.
• Электромагнитный замок — соленоид со скошенным язычком. У Adafruit 1512 язычок без питания выдвинут и держит дверь, ток не потребляется; при 9–12 В он втягивается. Ток — 650 мА при 12 В, включать замок можно на 1–10 с.
• Электромагнитный клапан — соленоид, якорь которого открывает или перекрывает проход для воды или газа; TI выпускает для них отдельные драйверы — DRV110 и DRV120.

Форма торца якоря меняет характеристику: по каталогу Ledex плоский торец при ходе до 0,060″ (1,5 мм) даёт силу в 3–5 раз больше, чем конический с углом 60°, а конус выгоднее на длинных ходах — до 0,80″ (20 мм).

Сила и ход

Сила соленоида максимальна, когда якорь почти втянут, и быстро падает с ростом зазора. Ledex приводит её для фиксируемого соленоида 151082 таблицей; в пересчёте в ньютоны и миллиметры (1 унция = 1/16 фунта, 1 фунт = 4,448 Н) она выглядит так:

Отсюда три практических правила:

• Выбирать по силе в начале хода. Нагрузку надо сдвинуть из самого дальнего положения якоря, где сила наименьшая. Ledex советует запас 1,5: нагрузке 4,5 фунта нужен соленоид на 6,75 фунта.
• Не брать лишний ход. Если механизму хватает 1 мм, а соленоид ставят на 2,5 мм, сила в начале хода втрое меньше (3,3 Н против 1,0 Н у 151082).
• Удерживать проще, чем втягивать. В конце хода сила в разы больше, поэтому для удержания хватает меньшего тока. У 195207 удерживающая сила в паспорте — 52,6 Н с плоским торцом и 28,9 Н с конусом. На этом основано управление пик-удержание.

Рабочий цикл и нагрев

Почти вся мощность соленоида уходит в тепло обмотки P = U²/R, поэтому производитель нормирует, как долго катушка может быть под током. Рабочий цикл (duty cycle) — доля времени включения:

Пример Ledex: 30 с включён, 90 с выключен — 30/120 = 25 %. Чем короче цикл, тем большую мощность можно подать и тем больше сила. Данные толкающего соленоида Ledex 195207 (1″ × 2″) при 20 °C:

Обе строки времени важны: Ledex прямо пишет, что наибольшее время включения может оказаться жёстче рабочего цикла. Цикл 25 % допускает и 30 с из 120, и 30 минут из двух часов, но катушка выдержит не больше 32 с подряд. Мощности указаны для соленоида на алюминиевой пластине 4″ × 4″ толщиной 1/8″ при свободном обтекании воздухом — без теплоотвода запас меньше.

Нагрев бьёт дважды. Сопротивление медного провода растёт примерно на 0,4 % на градус (Panasonic), поэтому при постоянном напряжении ток и ампер-витки горячей катушки падают — Ledex предупреждает, что сила и ресурс с ростом температуры снижаются. Наш расчёт для обмотки, нагретой с 20 °C до допустимых 130 °C: сопротивление больше в 1 + 0,004 · 110 = 1,44 раза, ток и ампер-витки — на 31 % меньше. Соленоид, который холодным уверенно втягивает нагрузку, горячим может не дотянуть.

Втягивание и удержание

Раз втянутый якорь держится меньшим током, полный ток нужен только на время хода. Схема пик-удержание (peak and hold) подаёт его на десятки или сотни миллисекунд, а затем ключ переходит в ШИМ и держит ток удержания. TI описывает это в даташите DRV120: ток быстро нарастает до пикового I_пик, держится на нём время t_KEEP и снижается до тока удержания I_уд, пока вход EN в единице.

Специализированные драйверы делают это сами:

Пример из даташита DRV120: пик 150 мА, удержание 50 мА, время пика 100 мс — резистор PEAK 111 кОм (I_пик = 250 мА · 66,67 кОм/R_PEAK), а конденсатор KEEP 1,33 мкФ. Регулировать именно ток удобнее, чем заполнение: ток удержания не зависит от напряжения питания и от нагрева катушки. DRV103 оставляет заполнение постоянным, и TI советует выбирать наименьшее, при котором якорь ещё надёжно держится, — это снижает нагрев и катушки, и микросхемы.

Тот же алгоритм можно сделать микроконтроллером и обычным ключом — ниже пример с таймером ATmega328P.

Ключ на MOSFET от микроконтроллера

Соленоид включают N-канальным MOSFET в нижнем плече, как реле или двигатель: катушка между плюсом питания и стоком, исток — на общем проводе. Резистор R1 в цепи затвора ограничивает ток перезаряда затвора с вывода, R2 на общий провод держит ключ закрытым, пока вывод не настроен; как их выбрать и какой MOSFET откроется от 3,3 В, разобрано в статье «Ключ на MOSFET».

Обратный диод VD1 при ШИМ-удержании работает в каждом периоде: пока ключ закрыт, ток катушки течёт через него. Поэтому TI требует быстрый диод — в даташите DRV120 диод рециркуляции быстровосстанавливающийся, в DRV103 — эпитаксиальный кремниевый или Шоттки, а внутренний защитный диод вывода микросхемы для этого не годится. Ставить диод нужно рядом с катушкой и ключом: длинный провод сам по себе индуктивность. Подходит UF4002: 100 В, 1 А среднего тока, время восстановления 50 нс; медленные 1N4001…1N4007 для ШИМ на десятках килогерц хуже. Как диод работает и как его выбрать для реле — в статье об обратном диоде.

Выключение: диод или ограничитель

Пока ток катушки спадает, якорь удерживается. Скорость спада задаёт напряжение, приложенное к катушке в обратном направлении. TI в даташите TPS1H100-Q1 даёт время спада тока индуктивной нагрузки L, R при ограничении напряжения на ней величиной |U|:

С простым диодом |U| — его прямое падение, около 1 В, и спад долгий; Panasonic оценивает затягивание отпускания реле с диодом в 2–5 раз против паспортного. Последовательно с диодом ставят стабилитрон или TVS-диод: |U| становится равным напряжению ограничителя плюс падению на диоде, и ток спадает в разы быстрее. Panasonic советует стабилитрон на напряжение около напряжения питания. Расплата — выброс на ключе: напряжение на стоке поднимается до U_пит + U_огр + U_VD.

Ограничитель и ШИМ-удержание плохо сочетаются. Если стабилитрон стоит в единственной цепи обратного тока, в паузе ШИМ к катушке приложено не −1 В, а −|U|, и среднее напряжение на ней уже не D · U_пит, а D · U_пит − (1 − D) · |U|. Чтобы ток удержания не спадал от периода к периоду, это среднее должно быть равно I_уд · R (баланс вольт-секунд), отсюда

Формула мощности верна только при таком D. Наш расчёт для примера ниже (|U| ≈ 15 В: SMBJ12A плюс диод): при D = 0,5 среднее напряжение 0,5 · 12 − 0,5 · 15 = −1,5 В — ток спадает в каждом периоде, и якорь отпадает. Чтобы держать те же 0,69 А (6 В на обмотке), нужно D = (6 + 15)/(12 + 15) ≈ 0,78, и ограничитель рассеивает 15 · 0,69 · 0,22 ≈ 2,3 Вт. Экономия против полного тока почти пропадает, а 2,3 Вт длительно — слишком много для корпуса SMB: длительную мощность 5 Вт Vishay указывает только для бесконечного теплоотвода при 50 °C. Поэтому драйверы пик-удержание вроде DRV120 и DRV103 ставят простой диод, а быстрое отпускание требует отдельного ключа, который подключает ограничитель только при выключении. Ускоряет отпускание и само удержание: ток спадает от меньшего значения, а якорь отпускает, как только сила магнита станет меньше силы пружины.

Пример расчёта

Толкающий соленоид Ledex 195207 с обмоткой 26 awg (195207-226), питание 12 В, Arduino на 5 В, ключ IRLZ44, удержание ШИМ. Все расчёты наши, данные — из даташитов.

Ток и мощность при втягивании. I = 12 В/8,70 Ом = 1,38 А, P = 12 · 1,38 = 16,6 Вт. Это меньше 20 Вт ряда 50 %: при полном токе соленоид можно включать на половину времени и не дольше 360 с подряд. С допуском сопротивления −5 % — 1,45 А и 17,4 Вт, всё ещё в пределах ряда.

Удержание. Длительно катушка выдерживает 10 Вт (ряд 100 %, 9,4 В). При ШИМ среднее напряжение на катушке — около D · U_пит; предел для 10 Вт — $D = \sqrt{10 \cdot 8{,}70} / 12 = 0{,}78$. Берём D = 0,5: около 6 В, 0,69 А и 4,1 Вт — меньше половины допустимого, соленоид можно держать включённым сколько угодно. Это оценка сверху: в паузе ток идёт через диод UF4002 (до 1 В при 1 А), и с ним среднее напряжение 0,5 · 12 − 0,5 · 1 = 5,5 В, ток около 0,63 А и мощность около 3,5 Вт. Ампер-витки при удержании — 0,69 · 1117 ≈ 770 против 1541 при втягивании; хватит ли их, чтобы держать вашу нагрузку, проверяют на образце, уменьшая заполнение до отпускания и оставляя запас.

Ключ. IRLZ44 при 5 В на затворе — не больше 0,028 Ом: 1,38² · 0,028 = 0,05 Вт, радиатор не нужен.

Диод. UF4002: в удержании через него идёт в среднем не больше 0,69 · (1 − 0,5) = 0,34 А из допустимого 1 А.

Отпускание. Индуктивность в даташите Ledex не указана, поэтому сравним время спада в единицах τ = L/R. Вариант с TVS — для соленоида без удержания (выше показано, почему с ним не держат ШИМ), поэтому ток при выключении полный: 1,38 А, I · R = 12,0 В. С диодом (|U| ≈ 1 В) — $\ln 13 = 2{,}56\,\tau$. С диодом и TVS SMBJ12A (пробой 13,3–14,7 В, при 30 А до 19,9 В) напряжение на катушке при спаде |U| = 13,3 + 1 = 14,3 В … 19,9 + 1 = 20,9 В, время спада — 0,61–0,45 τ, в 4,2–5,7 раза быстрее. Напряжение на стоке — те же границы плюс питание: 12 + 14,3 = 26,3 В … 12 + 20,9 = 32,9 В, IRLZ44 на 60 В выдержит. Для сравнения: с удержанием и простым диодом ток при выключении около 0,63 А, I · R ≈ 5,5 В и спад $\ln 6{,}5 \approx 1{,}87\,\tau$ — само удержание тоже ускоряет отпускание.

// Peak-and-hold drive of a solenoid on pin 9 (OC1A of ATmega328P), N-MOSFET low-side switch.
const uint16_t TOP = 799;           // 16 MHz / (1 * (1 + 799)) = 20 kHz fast PWM, mode 14
const uint16_t PULL_MS = 150;       // full current while the plunger travels; measure on your unit

void setup() {
  digitalWrite(9, LOW);
  pinMode(9, OUTPUT);               // OC1A needs its DDR bit set
  TCCR1A = _BV(WGM11);              // OC1A disconnected: the pin is a plain LOW output
  ICR1 = TOP;                       // write TOP and the compare value before starting the timer
  OCR1A = 0;
  TCCR1B = _BV(WGM13) | _BV(WGM12) | _BV(CS10);  // mode 14: TOP = ICR1, no prescaler
}

void solenoidOn() {
  OCR1A = TOP;                      // 100 %: pull-in
  TCCR1A |= _BV(COM1A1);            // connect OC1A to the timer
  delay(PULL_MS);
  OCR1A = TOP / 2;                  // 50 %: hold, about 5.5-6 V average on the coil
}

void solenoidOff() {
  TCCR1A &= ~_BV(COM1A1);           // OCR1A = 0 would still leave a narrow spike every period
  digitalWrite(9, LOW);
}

void loop() {
  solenoidOn();
  delay(2000);
  solenoidOff();
  delay(2000);
}

Таймер настроен по даташиту ATmega328P: режим 14 Fast PWM, вершина счёта в ICR1, частота f_clk/(N · (1 + TOP)) = 16 МГц / 800 = 20 кГц — как частота DRV120 по умолчанию. Выключают не записью OCR1A = 0: в режиме Fast PWM при OCR1A, равном нулю, на выходе остаётся узкий импульс в каждом периоде (даташит ATmega328P, описание режима Fast PWM таймера 1), поэтому вывод отключают от таймера (бит COM1A1) и держат в нуле. Регистры записывают до запуска таймера битами CS1x. Частоты и заполнение ШИМ на таймерах Arduino пересчитывает калькулятор ШИМ Arduino. Время втягивания PULL_MS подбирают с запасом по осциллограмме тока: в момент, когда якорь доходит до упора, на кривой нарастания тока виден излом. Другие выводы ШИМ Arduino и их таймеры — в справочнике выводов.

Соленоид с магнитной фиксацией

Бистабильный соленоид не потребляет ток в обоих положениях: втянутый якорь держит постоянный магнит. Включают его коротким импульсом, отпускают — импульсом обратной полярности меньшего напряжения. Данные Ledex Model 50 (151082) — для режима 25 % включения:

Магнит держит якорь с силой 7,5 унции (2,1 Н) вместе с возвратной пружиной. Полярность по каталогу: для фиксации плюс на вывод A, для отпускания — на вывод B. Значит, нужен H-мост, например DRV8871: IN1 = 1, IN2 = 0 — ток в одну сторону, IN1 = 0, IN2 = 1 — в другую. Напряжение отпускания вдвое меньше втягивания; при общем питании 12 В его можно получить ШИМ моста с заполнением около 50 %. Обратный ток моста гасят его собственные диоды или ключи, отдельный диод на катушку не ставят — он закоротил бы импульс отпускания.

Типичные ошибки

• Соленоид греется и слабеет — его держат под полным током дольше, чем позволяет рабочий цикл. Проверьте мощность по таблице производителя и наибольшее время включения или переходите на пик-удержание.
• Холодный тянет, горячий нет — сопротивление горячей обмотки выше, ток меньше. Выбирайте соленоид по силе при рабочей температуре и с запасом 1,5.
• Микроконтроллер перезапускается при включении — бросок тока в ампер-другой просаживает общее питание. Соленоиду нужен свой источник или конденсатор у ключа; землю соединяют в одной точке.
• Ключ пробит — нет обратного диода, или он стоит далеко от катушки, или выброс с ограничителем превысил допустимое напряжение MOSFET.
• Якорь не отпускает или отпускает с задержкой — с простым диодом ток спадает медленно, а ток удержания взят с большим запасом. Уменьшите заполнение удержания или, если удержание не нужно, поставьте диод с ограничителем.
• Катушка пищит — частота ШИМ удержания низкая; поднимите её до 20 кГц, как у DRV120.

Расчёт ключа, резистора затвора и диода для катушки реле — в калькуляторе драйвера реле, устройство и защита реле — в статье «Реле». Если нужен ход больше пары сантиметров или любое промежуточное положение, соленоид не подойдёт — смотрите линейные приводы.