Оглавление:
Пропорциональный клапан — это электромагнитный (соленоидный) клапан, предназначенный для реагирования на изменяемое входное значение тока для пропорционального регулирования расхода жидкости или газа. Он используется для управления расходом путем изменения размера проходного сечения потока через дроссель. Регулируемый расход впоследствии меняет параметры, влияющие на процесс в системе.
Основная часть пропорционального электромагнитного клапана — пропорциональный электромагнитный привод, который является «аналоговым» устройством, способным к инкрементальному позиционированию. То есть, конструкция полюсного наконечника пропорционального электромагнита приводит к тому, что развиваемая сила постоянна на некотором смещении (ход управления) и пропорциональна току возбуждения.
Проще говоря, большинство распространенных электро-клапанов представляют собой простые двухпозиционные «цифровые» устройства (Вкл-Выкл). А вот пропорциональные соленоиды могут использоваться для создания силы, которая прямо пропорциональна току. По мере увеличения тока возбуждения увеличивается сила, развиваемая соленоидом, и плунжер соленоида втягивается до тех пор, пока магнитная сила не будет уравновешена противодействующей силой пружины.
Соленоидный клапан — это электрически управляемый клапан, используемый для пропуска или предотвращения потока среды через него. Основной принцип работы — плунжер, который движется вверх и вниз на основе магнитного поля, создаваемого электрическим соленоидом. Плунжер либо открывает, либо закрывает отверстие, через которое идет протекание.
Прямодействующий двухходовой стандартный пропорциональный электромагнитный клапан работает очень похоже на прямой электромагнитный клапан с той разницей, что первый работает через диапазон позиционирования клапана, тогда как последний обеспечивает только два состояния переключения – включено и выключено.
Обратите внимание, что в прямодействующем пропорциональном электромагнитном клапане плунжер является ограничителем.
На рисунке изображен основной принцип действия электромагнитных регулирующих клапанов прямого действия.
Драйвер пропорционального клапана
Итак, пропорциональный соленоидный клапан используется для регулирования расхода путем изменения положения плунжера клапана. Положение плунжера контролируется магнитным полем, которое генерируется путем подачи питания на катушку соленоида. В отличие от стандартного соленоида прямого действия, положение плунжера пропорционального можно контролировать в диапазоне положений хода путем изменения мощности (тока), подаваемого на катушку соленоида (обычно пропорциональные соленоидные клапаны нормально закрыты).
В общем, пропорциональные соленоидные клапаны — это устройства, управляемые постоянным напряжением и переменным током. И для управления пропорциональным соленоидным клапаном нам понадобится управляемый напряжением драйвер постоянного тока.
Вот фрагмент паспорта пропорционального электромагнитного клапана без встроенной электроники.
А вот еще один, с электроникой:
Большинство пропорциональных соленоидных клапанов могут управляться либо напряжением, либо током. Цель пропорционального управления — переместить плунжер соленоида в произвольное положение и оставить его там. Но некоторые производители настоятельно рекомендуют использовать управление током, чтобы обеспечить наиболее повторяемую производительность потока клапана. Также можно использовать управление широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), правда в некоторых случаях это немного сложнее.
Схема драйвера тока для клапана
Далее следует рекомендуемая схема драйвера тока для пропорционального клапана. Она состоит из трех основных элементов – резистора считывания тока, биполярного транзистора и операционного усилителя, который управляет тем транзистором.
Основной принцип работы начинается с протекания тока через катушку клапана от источника напряжения (напряжение управления клапаном). При протекании тока через катушку клапана на чувствительном резисторе создается напряжение. Операционный усилитель использует измеренное напряжение в качестве обратной связи и управляет своим выходом до тех пор, пока измеренное напряжение не станет равным входному напряжению управления.
Можно использовать МОП-транзистор в стоке тока для проходного транзистора из-за его почти бесконечного усиления мощности и низкого тока затвора. Но эта простая конструкция основана на комплементарном кремниевом транзисторе средней мощности. Стоит отметить, что биполярный силовой транзистор с низким усилением тока вносит гораздо меньшую выходную емкость, чем МОП-транзистор сопоставимых мощностей. Кроме того, транзистор Дарлингтона увеличивает усиление тока схемы и уменьшает выходные ошибки.
Аналоговое и ШИМ управление
Иногда может возникнуть необходимость управлять пропорциональным соленоидным клапаном через аналоговые или ШИМ-сигналы без использования микроконтроллеров. К счастью, есть несколько быстрых и простых решений для реализации этого.
Например, некоторые светодиодные драйверы постоянного тока с регулируемой яркостью могут подойти сюда. На рисунке ниже показан пример использования микросхемы MAX16804, которая представляет собой LED драйвер высокой яркости на 350 мА со встроенными аналоговыми и ШИМ-регуляторами яркости.
Схема выше может управлять соленоидами напряжением от 6 В до 40 В, используя только источник питания клапана.
При проектировании пропорционального драйвера электромагнитного клапана могут возникнуть ситуации, когда понадобиться схема преобразователя тока в напряжение.
На схеме ниже показана экспериментальная схема простого преобразователя тока в напряжение. В основе схемы лежит знакомый операционный усилитель общего назначения LM358.
Преобразование ток-напряжение выполняется просто отправки входного тока (4-20 мА) через нагрузочный резистор и последующего вывода напряжения (0-5 В), возникшего на том резисторе, через буфер. Это проще всего сделать с помощью правильно выбранного высокостабильного нагрузочного резистора, в данном случае прецизионного на 250 Ом.
Вот фото макетной платы. Использовался блок декадных резисторов для сборки нагрузочного резистора 250 Ом (и отдельный источник питания 6,26 В для запуска сборки).
На осциллограмме показаны примеры входных токов и выходных напряжений для этой схемы.
