¿Cuál es la mejor forma de accionar una electroválvula?

Una opción es un accionamiento regulado por corriente, que ayuda a mejorar el rendimiento al tiempo que reduce significativamente el consumo de energía.

Los solenoides se utilizan en muchas aplicaciones para proporcionar accionamiento lineal o rotativo en sistemas mecánicos. Aunque accionar solenoides puede ser tan sencillo como encender y apagar la corriente, a menudo se obtienen mejores prestaciones accionándolos con un circuito integrado específico.

En este artículo se estudia cómo afectan los circuitos de accionamiento al rendimiento electromecánico de las electroválvulas. Se compararán dos circuitos de accionamiento diferentes: un simple conmutador y un excitador regulado por corriente. También se tratarán las técnicas de ahorro de energía para limitar el consumo eléctrico de las electroválvulas.

I Conceptos básicos de las electroválvulas

En su forma más simple, un solenoide es una bobina que genera un campo magnético. Los dispositivos que comúnmente llamamos solenoides son dispositivos que utilizan una bobina y un núcleo móvil de hierro o, a veces, de otro material magnético. La aplicación de corriente eléctrica a la bobina hace que el núcleo se mueva en relación con la bobina, lo que produce un movimiento que se utiliza para accionar objetos en un sistema mecánico.

1. Un solenoide típico consiste en una bobina que produce un campo magnético.

Cuando se activa el solenoide, se aplica una tensión a los bobinados para crear un campo magnético. Como los bobinados tienen una gran inductancia, la corriente tarda cierto tiempo en desarrollarse. La fuerza sobre el núcleo del solenoide es proporcional a la corriente. Para generar la máxima fuerza para mover el núcleo, debe aplicarse una tensión alta a los bobinados para crear corriente rápidamente.

Una vez completado el movimiento, normalmente se puede utilizar una corriente mucho menor para mantener el núcleo en su sitio. Si no se reduce la corriente, se disipa una potencia considerable en los bobinados y el solenoide genera mucho calor.

Para resolver estos problemas, podemos utilizar un controlador de corriente constante para accionar el solenoide. Podemos controlar la corriente en el tiempo, para proporcionar la acción deseada, y limitar la potencia consumida manteniendo el solenoide en su sitio.

II Configuración de la prueba

Para comparar el rendimiento electromecánico de distintas soluciones de accionamiento de solenoides, se construyó una sencilla configuración de prueba utilizando un servopotenciómetro conectado a un solenoide con una flexión para medir el movimiento del solenoide. El movimiento, junto con las tensiones y corrientes, se captó con un osciloscopio.

2. La configuración de la prueba consiste en un servopotenciómetro conectado a un solenoide con una flexión.

III Controlador de solenoide simple

La forma más sencilla de accionar una electroválvula es activar y desactivar la corriente. Esto se consigue normalmente con un interruptor MOSFET de lado bajo y un diodo de recirculación de corriente. En este circuito, la corriente sólo está limitada por la tensión de alimentación y la resistencia de CC del solenoide.

3. Para accionar el solenoide, lo más sencillo es conmutar la corriente, lo que suele hacerse con un interruptor MOSFET de gama baja y un diodo de recirculación de corriente.

El rendimiento electromecánico de un excitador simple es limitado. Dado que la tensión y la corriente máximas se aplican el 100% del tiempo, la corriente de arranque está limitada por la potencia nominal de consumo continuo del solenoide. La gran inductancia de la bobina también limita la velocidad a la que aumenta la corriente cuando el solenoide se pone en marcha por primera vez.

En nuestras pruebas, el movimiento, la tensión y la corriente del solenoide se midieron con un simple interruptor. En este caso, el solenoide (15 Ω, nominal a 12 V) tardaba 30 ms en accionarse y consumía 10 W de potencia cada vez que se activaba.

4. Estas formas de onda representan el movimiento del solenoide con interruptores simples para la tensión y la corriente.

Si se pregunta por los “valles” en las formas de onda de corriente, la disminución de la corriente se debe a la fuerza contraelectromotriz generada por el núcleo móvil del solenoide. A medida que el núcleo se acelera, la fuerza contraelectromotriz aumenta hasta que aparece el fondo del solenoide y deja de moverse.

IV Controladores de solenoide de alto rendimiento

En la mayoría de las aplicaciones, sólo se necesita toda la corriente al principio para tirar del solenoide. Una vez completado el movimiento, se puede reducir el nivel de corriente en el solenoide, lo que ahorra energía y reduce la cantidad de calor generado en la bobina. Esto también permite utilizar una tensión de alimentación más alta, que proporciona una mayor corriente de aspiración, lo que permite que el solenoide arranque más rápido y proporcione más fuerza.

5. Muestra el circuito de corriente de retención reducida MPQ6610.

Un driver de medio puente MPS MPQ6610 y unos pocos componentes externos realizan esta tarea. El MPQ6610 tiene una tensión nominal de hasta 60 V y 3 A y está disponible en encapsulados pequeños TSOT y SOIC.

La forma de onda de accionamiento resultante se muestra en la Figura 6. El trazo amarillo es la señal de salida del solenoide de accionamiento, y el trazo verde es el solenoide. Inicialmente, se aplica toda la tensión de alimentación (24 V en este caso) para arrastrar el solenoide. Tras un retardo, la corriente se reduce mediante modulación por ancho de pulsos de la salida. El tiempo de introducción se reduce a 16 milisegundos, con lo que el consumo de energía es mucho menor (unos 600 milivatios en lugar de 10 vatios).

6. Estas son las formas de onda de corriente reducida relativas al MPQ6610.

Este circuito funciona así:

Inicialmente, la señal de entrada es baja. Esto descarga C1 a través de D1 y mantiene el pin ISET bajo a través de Q1.

La señal de entrada pasa a nivel alto, lo que permite al MPQ6610 conducir la salida a nivel alto y aplicar toda la tensión de alimentación al solenoide.C1 comienza a cargarse a través de R1. La corriente proviene del pin ISET y es proporcional a la corriente que fluye en el solenoide. Se permite que la tensión en el pin ISET aumente a medida que C1 se carga.

Suponiendo que fluye suficiente corriente en el solenoide, la tensión en la patilla ISET sigue aumentando hasta que alcanza su umbral de regulación de corriente (1,5 V). En este punto, el MPQ6610 empieza a regular la corriente del solenoide. La corriente de retención regulada se establece mediante el valor de R2.

El tiempo de retardo (accionamiento del solenoide a un ciclo de trabajo de 100%) se establece mediante los valores de R1 y C1. Para un nivel lógico estándar de 3,3 V, el tiempo es aproximadamente 0,33 × RC. Para el ejemplo anterior, R1 = 100 kΩ, C1 = 2,2 μF, y 0,33 × RC = 75 ms.

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