Un alt tip de actuator electromagnetic care convertește un semnal electric într-un câmp magnetic, producând o mișcare liniară, se numește Solenoid Linear.

Solenoidul liniar funcționează pe același principiu fundamental ca releul electromecanic și la fel ca releele, acesta poate fi comutat și comandat folosind tranzistori sau MOSFET-uri. Un "solenoid liniar" este un dispozitiv electromagnetic care convertește energia electrică într-o forță sau o mișcare mecanică de împingere sau tragere.

Ambele tipuri de solenoizi, liniar și rotativ, sunt disponibile fie ca dispozitive de menținere (continuu alimentate cu energie), fie ca tip de blocare (impuls ON-OFF), tipurile de blocare fiind utilizate fie în aplicații de alimentare cu energie electrică, fie în sisteme de oprire. Solenoizii liniari pot fi proiectați pentru controlul proporțional al mișcării dacă poziția pistonului este proporțională cu puterea de intrare.

Atunci când curentul electric curge printr-un conductor, acesta generează un câmp magnetic, iar direcția acestui câmp magnetic în raport cu polul nord și sud al său este determinată de direcția fluxului de curent din interiorul firului. Această bobină de sârmă devine un electromagnet cu proprii polii nord și sud, exact la fel ca și pentru un magnet permanent.

Forța acestui câmp magnetic poate fi mărită sau scăzută fie prin controlul cantității de curent care curge prin bobină, fie prin schimbarea numărului de spire sau bucle pe care bobina le are. Un exemplu de "electromagnet" este dat mai jos.

Câmpul magnetic produs de o bobină

Când un curent electric trece prin înfășurările bobinelor, se comportă ca un electromagnet și pistonul, care este localizat în interiorul bobinei, este atras spre centrul bobinei prin configurarea fluxului magnetic în interiorul corpului bobinelor, care la rândul său comprimă un arc mic atașat la un capăt al pistonului. Forța și viteza mișcării pistoanelor sunt determinate de puterea fluxului magnetic generat în bobină.

Atunci când curentul de alimentare este oprit (dezactivat), câmpul electromagnetic generat anterior de bobină se taie, iar energia stocată în arcul comprimat forțează pistonul înapoi în poziția inițială de repaus. Această mișcare înainte și înapoi a pistonului este cunoscută drept cursa solenoidului, cu alte cuvinte distanța maximă pe care pistonul poate călători în direcția "IN" sau "OUT", de exemplu, 0-30 mm.

Construcția solenoidului liniar

Acest tip de solenoid este denumit în general un solenoid liniar datorită mișcării direcționale liniare și acțiunii pistonului. Solenoizii liniari sunt disponibili în două configurații de bază numite "Pull-type", deoarece trag sarcina conectată spre el însuși atunci când este alimentat cu energie electrică și "Push-type" care acționează în direcția opusă, împingându-l departe de el însuși atunci când este alimentat cu energie. Atât tipurile de împingere, cât și cele de tragere sunt, în general, construite la fel, diferența fiind localizarea arcului de revenire și a designului pistonului.

Construcția solenoidului liniar tip-tragere

Solenoizii liniari sunt utili în multe aplicații care necesită o mișcare tip deschis sau închis (înăuntru sau în afară), cum ar fi încuietori de ușă acționate electronic, supape de control pneumatice sau hidraulice, robotică, managementul motorului, supape de irigare pentru udarea grădinii și chiar clopoțelul de la ușă "Ding-Dong" are unul. Ei sunt disponibili sub formă de cadre deschise, cadre închise sau tipuri tubulare sigilate.

Solenoizii de rotație disponibili în mod obișnuit au mișcări de 25, 35, 45, 60 și 90°, precum și mișcări multiple la (și de la) un anumit unghi, cum ar fi o rotație cu autorevenire cu 2 poziții de la zero, de exemplu 0-la-90-la-0°, autorevenire cu 3 poziții, de exemplu 0° până la +45° sau 0° la -45°, precum și blocarea în poziția 2.

Solenoizii rotativi produc o mișcare de rotație atunci când sunt fie alimentați, fie deconectați, fie o schimbare a polarității unui câmp electromagnetic modifică poziția unui rotor cu magnet permanent. Construcția lor constă dintr-o bobină electrică înfășurată în jurul unui cadru din oțel cu un disc magnetic conectat la un arbore de ieșire poziționat deasupra bobinei.

Când bobina este alimentată cu energie, câmpul electromagnetic generează mai mulți poli nord și sud care resping polii magnetici permanenți adiacenți ai discului, determinând rotirea la un unghi determinat de construcția mecanică a solenoidului rotativ.

Solenoizii rotativi sunt utilizați în automatele de vânzare sau de joc, controlul supapelor, declanșarea camerei cu viteze speciale mari, putere redusă sau solenoizi de poziționare variabilă cu forță sau cuplu mare, cum ar fi cele utilizate în imprimantele matriciale, mașini de scris, mașini automate sau aplicații auto.

Comutarea solenoidului

În general, solenoizii, fie liniari, fie rotativi, funcționează cu aplicarea unei tensiuni DC, dar pot fi utilizați și cu tensiuni sinusoidale AC prin utilizarea redresoarelor cu punți complete pentru a redresa alimentarea care poate fi apoi utilizată pentru a comuta solenoidul DC. Solenoizii mici de tip DC pot fi ușor controlați folosind comutatoare cu tranzistor sau MOSFET și sunt ideale pentru utilizare în aplicații robotizate.

Totuși, așa cum am văzut anterior cu releele electromecanice, solenoizii liniari sunt dispozitive "inductive", astfel că este necesară o anumită formă de protecție electrică pe bobina solenoidului pentru a preveni tensiunile inverse mari de a deteriora dispozitivul de comutare semiconductor. În acest caz, se utilizează "Dioda Flywheel", dar puteți folosi în mod egal o diodă zener sau varistor cu valoare mică.

Comutarea solenoidului cu ajutorul unui tranzistor

Reducerea consumului de energie

Unul dintre principalele dezavantaje ale solenoizilor și mai ales ale solenoidului liniar este că acestea sunt "dispozitive inductive" realizate din bobine de sârmă. Aceasta înseamnă că bobina solenoidului convertește o parte din energia electrică folosită pentru a le acționa în "căldură" datorită rezistenței firului.

Cu alte cuvinte, atunci când sunt conectate pentru perioade lungi de timp la o sursă de curent electric, acestea devin fierbinți! Și cu cât este mai mare timpul când energia este aplicată la o bobină solenoid, cu atât va fi mai fierbinte bobina. De asemenea, în timp ce bobina se încălzește, rezistența sa electrică se schimbă, permițând astfel și mai mult curent să treacă și să crească temperatura.

Cu o intrare de tensiune continuă aplicată bobinei, bobina solenoizilor nu are posibilitatea să se răcească deoarece este întotdeauna activă. Pentru a reduce acest efect de încălzire autogenerat este necesar să se reducă fie durata de timp în care bobina este alimentată, fie să se reducă cantitatea de curent care trece prin ea.

O metodă de a consuma mai puțin curent este să se aplice o tensiune adecvată suficient de ridicată pentru bobina solenoidului pentru a asigura câmpul electromagnetic necesar pentru a funcționa și așeza pistonul, dar apoi odată activat se reduce tensiunea de alimentare a bobinelor la un nivel suficient pentru a menține pistonul în poziția sa așezată sau blocată. O modalitate de a realiza acest lucru este de a conecta un rezistor adecvat de menținere în serie cu bobina solenoidului, de exemplu:

Reducerea consumului de energie a solenoidului

Aici, contactele comutatorului sunt închise scurtcircuind rezistența și trecând complet curentul de alimentare direct la bobina solenoidului. Odată alimentat, contactul care poate fi conectat mecanic la acțiunea pistonului din solenoid se deschide conectând rezistorului de menținere RH în serie cu bobina solenoidului.

Prin utilizarea acestei metode, solenoidul poate fi conectat la sursa de tensiune pe o perioadă nelimitată (ciclu de funcționare continuă) cu puterea consumată de bobină și căldura generată reduse foarte mult, ceea ce poate fi de până la 85 până la 90% utilizând un rezistor de putere adecvat. Cu toate acestea, puterea consumată de rezistor va genera, de asemenea, o anumită cantitate de căldură, I²R (Legea lui Ohm) și acest lucru trebuie luat în considerare.

Ciclul de funcționare a solenoidului

Un alt mod mai practic de a reduce căldura generată de bobina solenoidului este de a folosi un "ciclu de sarcină intermitent". Un ciclu de funcționare intermitentă înseamnă că bobina este comutată în mod repetat "ON" și "OFF" la o frecvență adecvată, astfel încât să activeze mecanismul pistonului, dar să nu permită să se deconecteze în timpul perioadei OFF a formei de undă. Comutarea intermitentă a ciclului de sarcină este o modalitate foarte eficientă de a reduce puterea totală consumată de bobină.

Ciclul de funcționare (% ED) al unui solenoid este porțiunea din timpul "ON" în care un solenoid este alimentat și este raportul dintre timpul "ON" și timpul total "ON" și "OFF" pentru un ciclu complet de operare. Cu alte cuvinte, durata ciclului este egală cu timpul ON plus timpul OFF. Ciclul de utilizare este exprimat ca procent, de exemplu:

Atunci, dacă un solenoid este pornit "ON" sau alimentat timp de 30 de secunde și apoi este oprit "OFF" timp de 90 de secunde înainte de reactivare din nou, un ciclu complet, durata totală a ciclului "ON+OFF" va fi de 120 secunde (30+90), astfel încât ciclul de funcționare al solenoidului ar fi calculat ca 30/120 sec. sau 25%. Aceasta înseamnă că puteți determina timpul maxim de conectare a solenoidului dacă cunoașteți valorile ciclului de funcționare și timpul de oprire.

De exemplu, timpul de oprire OFF este egal cu 15 secunde, ciclul de funcționare este egal cu 40%, deci timpul de comutare ON este egal cu 10 secunde. Un solenoid cu un ciclu de funcționare nominală de 100% înseamnă că acesta are o tensiune continuă și, prin urmare, poate fi lăsat "ON" sau continuu alimentat fără supraîncălzire sau deteriorare.

În acest tutorial despre solenoizi, am analizat atât solenoidul liniar, cât și solenoidul rotativ ca un actuator electro-mecanic care poate fi folosit ca dispozitiv de ieșire pentru a controla un proces fizic. În următorul tutorial vom continua să ne uităm la dispozitivele de ieșire numite Actuatoare și unul care convertește semnalul electric într-o mișcare de rotație corespunzătoare folosind din nou electromagnetismul. Tipul dispozitivului de ieșire la care ne uităm în următorul tutorial este motorul DC.