什么是直流脈沖電磁閥電容放電控制電磁閥電路圖設(shè)計(jì)

什么是直流脈沖電磁閥

脈沖電磁閥是指通過脈沖信號打開或者關(guān)閉閥門的電磁閥。 當(dāng)線圈瞬時通電，電磁力使銜鐵運(yùn)動，閥門打開，當(dāng)線圈斷電時，銜鐵則靠永磁力自保持，使得閥門保存打開狀態(tài)。當(dāng)線圈反向通電時，閥門關(guān)閉，線圈斷電之后，閥門仍然保存關(guān)閉狀態(tài)。其特點(diǎn)是其線圈通一次電就可以打開或者關(guān)閉閥門，不需要連續(xù)通電。因此具有低功耗，低電壓的特點(diǎn)。因?yàn)闊o法在農(nóng)田拉電網(wǎng)供電，脈沖電磁閥在農(nóng)業(yè)智能灌溉中得到廣泛應(yīng)用。

用于農(nóng)田灌溉的直流脈沖電磁閥

我最近設(shè)計(jì)一款電池供電、LoRA 通信技術(shù)本地組網(wǎng)，通過直流脈沖電磁閥控制的智能灌溉系統(tǒng)。其中的驅(qū)動電路在網(wǎng)上也找不到相關(guān)資料，因此，我自己花了一段時間從電磁閥的特性出發(fā)做了深入徹底的研究，現(xiàn)在無償會享給廣大網(wǎng)友。主要思路是通過向大電容充電，充電到一定電壓之后停止充電，再通過三極管組成Ｈ橋驅(qū)動電路向電磁閥放電。通過放電的電流驅(qū)動電磁閥打開或者關(guān)閉。如下為某廠家的直流脈沖電磁閥。

直流脈沖電磁閥參數(shù)

電容充電原理圖

為什么需要升壓

由于我們使用的是9V電池，如果直接使用9V電壓向電容充電，則在電池電量充足的情況下，電容最多能被充電到9V。根據(jù)電容放電公式u=U0*exp(-t/(R*C))，其中U0為開始放電的電壓9V，R為電磁閥的電阻6ohm。而且電容是指數(shù)形式充電，越接近9V，充電越慢。所以需要長時間充電到9V。而從9V放電到電磁閥工作的最低電壓6V，時間很短。如果選擇4700uF的大電容，從9V放電到6V，放電時間約為： t=-ln(6/9)*6*4700us=11.43ms，不能滿足脈寬要求。因此，我通過升壓電路將電池的9V電壓升到18V左右。用升壓得到的電壓向電容充電，這樣做的好處在于： 1)減少充電時間，減少整機(jī)喚醒工作的時間，降低功耗，延長電池使用壽命。 2)減小電容容量，縮小控制器的體積，降低成本。 3)增加放電到最低工作電6V的時間，增加驅(qū)動脈寬，保證電磁閥可靠打開或關(guān)閉。如上圖，我用了芯片TC7660來設(shè)計(jì)升壓電路，升壓電路的原理，我不在這里贅述。

如何選擇升壓電容

電容的充電電流根據(jù)升壓電路中的電容C1合理選擇。電容C1兩端的電壓2*Vin-2*VDF=17.4v(Vin為輸入電壓9V, VDF為二極管D1D2的正向?qū)妷海?電容C1通過D4、R2向電容充電，充電方程為： u=17.4*(1-exp(-t/(R2*C12))，最大充電電流為17.4/R2=23.2mA。 TC7660的開關(guān)工作頻率為10kHz，在其一半的周期內(nèi)，升壓電路與C1的充電電路被切斷。由C1上的電壓維持向電容C12的充電。按最大充電電流23.2mA估算，根據(jù)流過電容的電流為I=C1Δu/Δt。得到在這兩個周期內(nèi)C1的電壓降為Δu=I*Δt/C，可見電容越大，降壓越小。所以在開關(guān)頻率固定的情況下，要保證C1的電壓17.4V恒定，需要盡量增大電容。但是增大電容又可能會導(dǎo)致另一個半期間向C1的充電緩慢，導(dǎo)致電壓波動。綜合考慮之后，選擇了1uF的電容，此時壓降為23.2mA*50us/1uF=1.16V。 所以在該電路中，升壓電路大概以16.2V-17.4V的波動電壓向電容C12充電。

電容充電到多少電壓

根據(jù)電磁閥工作電壓6V-20V，我們選擇13V作為大電容的充電截止電壓。在大電容兩端并接15V的穩(wěn)壓二極管進(jìn)行保護(hù)以及吸收反向電動勢，同時通過兩個電阻的分壓，將電壓送入單片機(jī)的ADC口，由單片機(jī)檢測其電壓，斷開充電電路。根據(jù)充電公式u=17.0*(1-exp(-t/(R2*C12))，我們可以算出充電到13.0V所花費(fèi)的時間為：4.5s。耗費(fèi)的時間比較長。因此，我增加了另一路直接通過9V向電容充電的電路，以減少充電時間。 從0V-9V，由充電電路和電池同時向電容充電，經(jīng)過這一優(yōu)化之后，充電時間可以降到1s左右。

電容放電控制電磁閥

H橋式驅(qū)動電路在MCU 檢測到C12被充電到13V之后，斷開充電電路，通過兩個IO口輸出電平控制H橋驅(qū)動電磁閥。當(dāng)YOUT_00輸出高，YOUT_05輸出低時，電磁閥打開。當(dāng)YOUT_00輸出低，YOUT_05輸出高時，電磁閥關(guān)閉。對于6ohm的電磁閥，從13V放電到6v的時間約為： -ln(6/13)*4700uF*6ohm=21.8ms，能滿足電磁閥的規(guī)格要求（如果考慮大電容的初始、溫度、老化的公差，實(shí)際還有一些臨界，從使用情況來看，并沒有問題，后續(xù)再做一些改進(jìn)）延時1s左右，等電容完全放完電，從IO口輸出低，進(jìn)入低功耗模式。因此MCU的控制邏輯為：

IO口輸出高電平，向升壓電路供電，同時電池直接向大電容充電。

檢測到大電容充電電壓到9V左右之后，斷開電池直接向大電容充電的通路，只由升壓電路充電。

檢測到大電容充電電壓到12V之后，斷開給升級電路的供電。

輸出控制Ｈ橋驅(qū)動電路，向電磁閥放電，控制電磁閥打開或關(guān)閉。

放電1s之后，輸出低電平，進(jìn)入低功耗模式。