آشنایی با اصول کار سلونوئید خطی

سولنوئیدها، مانند رله‌ها، قابلیت سوئیچ و کنترل شدن را با استفاده از ترانزیستور‌ها یا ماسفت‌ها دارند. یک «سلونوئید یا بوبین خطی» (Linear Solenoid) قطعه‌ای الکترومکانیکی است که انرژی الکتریکی را به یک نیرو یا حرکت کششی یا رانشی تبدیل می‌کند.

سلونوئید‌های خطی اساساً از یک سیم‌پیچ الکتریکی به دور لوله استوانه‌ای و یک فعال‌گر یا پیستون فِرومغناطیسی تشکیل شده‌اند که به آسانی درون بدنه سیم‌پیچ‌ها به سمت داخل و بیرون حرکت می‌کند. سلونوئید‌ها را می‌توان برای در‌ها یا قفل‌هایی که به صورت برقی باز می‌شوند، باز و بسته کردن شیرها، حرکت بخش‌های مختلف ربات‌ها و مکانیزم‌ها و… به کار برد.

سلونوئید‌ها در انواع مختلف و متنوعی در دسترس هستند که متداول‌ترین آن‌ها سلونوئید یا بوبین خطی (که با نام «فعال‌گر الکترومکانیکی خطی» (Linear Electromechanical Actuator) یا LEMA می‌شود) و سلونوئید گردان هستند.



هر دو نوع سولنوئید خطی و گردان را می‌توان به صورت پیوسته یا باینری انرژی‌دار کرد. سلونوئید‌های خطی برای کنترل حرکت تناسبی – که در آن، وضعیت سیلندر متناسب با توان ورودی است – طراحی می‌شود.

وقتی جریان الکتریکی از یک هادی عبور می‌کند، میدان مغناطیسی تولید می‌شود که جهت قطب‌های مثبت و منفی آن را می‌توان با استفاده از جهت جریان گذرنده از هادی تعیین کرد. در این حالت، سیم‌پیچ یک آهن‌ربای الکتریکی خواهد بود که دقیقاً مانند یک آهن‌ربای دائمی قطب شمال و جنوب دارد.

قدرت این میدان مغناطیسی را می‌توان با کنترل مقدار جریان گذرنده از سیم‌پیچ یا با تغییر تعداد دور‌های آن افزایش یا کاهش داد. شکل زیر یک آهن‌ربای الکتریکی را نشان می‌دهد.



وقتی جریان الکتریکی از هادی بگذرد، سیم‌پیچ مانند یک آهن‌ربای الکتریکی عمل خواهد کرد و سیلندری که درون آن قرار گرفته است توسط شار مغناطیسی جذب مرکز سیم‌پیچ می‌شود و فنر کوچکی را که در یک سمت به پیستون متصل شده است فشرده می‌کند. نیرو و سرعت حرکت سیلندر را می‌توان با قدرت شار مغناطیسی تولیدی سیم‌پیچ تعیین کرد.

وقتی منبع جریان خاموش (OFF) یا بدون انرژی شود، میدان الکترومغناطیسی که قبلاً توسط سیم‌پیچ ایجاد شده بود، کاهش یافته و انرژی ذخیره شده در فنر فشرده به پیستون نیرو وارد کرده و آن را به وضعیت آزاد قبلی می‌برد. این حرکت رفت و برگشت پیستون به عنوان «ضربه» (Storke) یا به عبارت دیگر حداکثر فاصله‌ای که پیستون می‌تواند به سمت داخل یا خارج حرکت کند (مثلاً ۰ تا ۳۰ میلی‌متر) شناخته می‌شود.

سلونوئید خطی

دلیل آنکه به این نوع سلونوئید خطی می‌گویند این است که جهت حرکت و عملکرد پیستون آن به صورت خطی است. سلونوئید‌های خطی در دو پیکربندی اصلی به نام‌های «نوع کششی» (Pull-type) یا جذبی و «نوع رانشی» (Push-type) یا دفعی موجود هستند. در نوع کششی، وقتی به سلونوئید انرژی داده می‌شود، بار را به سمت خود جذب می‌کند. در نوع رانشی نیز، با اعمال انرژی، سونوئید بار را از خود دفع می‌کند. هر دو نوع سلونوئید دفعی و جذبی معمولاً ساختار مشابهی دارند و تفاوت آن‌ها در محل فنر بازگشت و طراحی پیستون است.



سلونوئید‌های خطی در بسیاری از کاربرد‌هایی که در آن‌ها حرکت باز و بسته کردن لازم است مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ مانند قفل در‌های الکتریکی، شیر‌های کنترل هیدرولیکی و پنوماتیکی، رباتیک، مدیریت موتور خودرو، شیر‌های باغبانی و…. این سلونوئید‌ها در انواع قاب باز، قاب بسته و لوله‌های مهر و موم شده موجود هستند.

سلونوئید گردان

اغلب سلونوئید‌های الکترومغناطیسی قطعاتی خطی هستند که یک نیرو یا حرکت رفت و برگشتی خطی تولید می‌کنند. سلونوئید‌های گردان برای ایجاد حرکت چرخشی از یک وضعیت عادی در جهت عقربه‌های ساعت، در خلاف جهت عقربه‌های ساعت یا در هر دو جهت مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سلونوئید‌های چرخان را می‌توان با موتور‌های DC یا موتور‌های پله‌ای کوچک جایگزین کرد که در آن‌ها حرکت زاویه‌ای بسیار کوچک است.



سلونوئید‌های گردان متداول حرکت‌های ۲۵، ۳۵، ۴۵، ۶۰ و ۹۰ درجه‌ای دارند. این حرکت‌ها می‌تواند بین دو وضعیت، مثل ۰ به ۹۰ به ۰ درجه، یا بین سه وضعیت، مثل ۰ تا ۴۵ یا ۰ تا ۴۵- درجه باشد.

وقتی به سلونوئید‌های چرخان انرژی داده شود، از آن‌ها انرژی گرفته شود، یا یک تغییر در پلاریته میدان مغناطیسی رخ دهد، وضعیت روتور موتور مغناطیس دائم تغییر می‌کند. ساختار این سلونوئید‌ها از یک سیم‌پیچ به دور یک قاب فولادی با یک صفحه (دیسک) مغناطیسی متصل به شفت خروجی بالای سیم‌پیچ تشکیل شده است.

سلونوئید‌های چرخشی در اسباب‌بازی‌ها، کنترل شیر، شاتر دوربین با سرعت بسیار بالا و توان کم یا بوبین وضعیت متغیر با نیرو یا گشتاور بالا مانند آن‌هایی که در پرینتر‌های ماتریسی، ماشین‌های اتوماتیک و… وجود دارند به کار می‌روند.

سوئیچینگ سلونوئید

به طور کلی، سلونوئیدها، چه خطی و چه گردان، با یک ولتاژ DC کار می‌کنند، اما می‌توان با استفاده از یکسوساز‌های تمام موج به آن‌ها ولتاژ سینوسی AC نیز اعمال کرد. سلونوئید‌های DC کوچک را می‌توان به سادگی با استفاده از سوئیچ‌های ترانزیستوری یا ماسفت کنترل کرد. در این حالت، سلونوئید‌های گزینه‌های ایده‌آلی برای استفاده در کاربرد‌های رباتیک هستند.

البته، همان‌طور که در مورد رله‌های الکترومکانیکی گفتیم، سلونوئید‌های خطی قطعاتی با خاصیت «سلفی» هستند و بنابراین، باید برخی حفاظت‌های الکتریکی را برای جلوگیری از ولتاژ‌های نیروی محرکه الکتریکی معکوس بزرگ در نظر گرفت تا از آسیب دیدن نیمه‌هادی‌های سوئیچینگ جلوگیری شود. در این حالت، از «دیود هرزگرد» (Flywheel Diode) استاندارد استفاده می‌شود، اما می‌توان از یک دیود زنر نیز استفاده کرد.

شکل زیر، سلونوئید سوئیچینگ را با یک ترانزیستور نشان می‌دهد.


کاهش مصرف انرژی

یکی از معایب سلونوئیدها، مخصوصاً سلونوئید‌های خطی، این است که قطعاتی سلفی هستند که سیم‌پیچی دارند. این بدین معنی است که سیم‌پیچ سلونوئید مقداری انرژی الکتریکی را به فرم گرما به دلیل مقاومت سیم‌پیچی تلف می‌کند.

به عبارت دیگر، وقتی یک منبع الکتریکی برای مدت طولانی به سلونوئید متصل باشد، موجب داغ شدن آن خواهد شد.

با اعمال یک ورودی ولتاژ پیوسته به سیم‌پیچ، سلونوئید فرصتی برای خنک شدن ندارد، زیرا توان ورودی همیشه برقرار است. برای کاهش اثر گرمای تولیدی باید مقدار زمان اعمال ولتاژ به سیم‌پیچ یا مقدار جریان گذرنده از آن را کاهش داد.

یک راه برای کاهش مصرف جریان، اعمال یک ولتاژ به اندازه کافی بزرگ به سیم‌پیچ است تا میدان الکترومغناطیسی لازم را برای عمل کردن پیستون مهیا کند. یکی از راه‌های عملی این کار اتصال یک مقاومت نگهدارنده مناسب سری با سیم‌پیچ سلونوئید است.



در این حالت، کنتاکت‌ها بسته شده و مقاومت اتصال کوتاه می‌شود و همه جریان منبع مستقیماً از سیم‌پیچی سلونوئید می‌گذرد. وقتی کنتاکت‌ها انرژی‌دار شوند، باز شده و در نتیجه مقاومت نگهدارنده با سیم‌پیچ سری خواهد شد.

با استفاده از این روش، می‌توان سلونوئید را به طور پیوسته به منبع ولتاژ متصل کرد و توان مصرفی سیم‌پیچ و گرمای تولیدی آن را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش داد و بسته به مقدار مقاومت به ۸۵ تا ۹۰ درصد رساند. البته مقاومت مقداری گرما تولید می‌کند که باید آن را در نظر گرفت.

سیکل کاری سلونوئید

یک راه عملی‌تر برای کاهش گرمای تولیدی سیم‌پیچی سلونوئید، استفاده از یک «سیکل کاری متناوب» (Intermittent Duty Cycle) است. سیکل وظیفه متناوب به این معنا است که سیم‌پیچ به طور متناوب با یک فرکانس مناسب به گونه‌ای روشن و خاموش شود که مکانیزم سیلندر را فعال کند، اما در دوره خاموش بودن اجازه ندهد انرژی آن از بین برود. سوئیچینگ سیکل کاری یا وظیفه وظیفه متناوب به گونه‌ای تغییر می‌کند که توان مصرفی کل سیم‌پیچ را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش دهد.

سیکل وظیفه یک سلونوئید به عنوان نسبت مدت زمان روشن بودن در یک دوره تناوب به کل آن دوره تناوب تعریف می‌شود. به عبارت دیگر، هر دوره تناوب برابر است با زمان روشن بودن به علاوه زمان خاموش بودن. سیکل وظیفه به صورت درصدی بیان می‌شود


بنابراین، وقتی سلونوئید به اندازه ۳۰ ثانیه روشن باشد و پس از آن به اندازه ۹۰ ثانیه خاموش شود، دروه تناوب کامل آن برابر با ۳۰ + ۹۰ = ۱۲۰ ثانیه است. در نتیجه، سیکل وظیفه برابر با ۳۰/۱۲۰ = ۰.۲۵ یا همان ۲۵ درصد خواهد بود. این بدین معنی است که با داشتن مقادیر سیکل وظیفه و زمان خاموش بودن سوئیچ، می‌توان حداکثر زمان روشن بودن آن را محاسبه کرد.

برای مثال، اگر زمان خاموش بودن برابر با ۱۵ ثانیه باشد، سیکل وظیفه برابر با ۴۰ درصد خواهد بود و در نتیجه زمان روشن بودن ۱۰ ثانیه است. یک سلونوئید با سیکل وظیفه ۱۰۰ درصد به این معنی است که می‌توان بدون وقفه منبع ولتاژ را به آن وصل کرد، بدون اینکه اضافه گرما رخ دهد یا آسیبی با آن وارد شود.

 

منبع: فرا درس