ソレノイドは、多くのプロセス自動化システムで非常に一般的に使用されているアクチュエータです。ソレノイドには多くの種類があります。たとえば、水道やガスのパイプラインを開閉するために使用できるソレノイドバルブや、直線運動を生成するために使用されるソレノイドプランジャーがあります。私たちのほとんどが遭遇するであろうソレノイドの非常に一般的な用途の1つは、丁洞のドアベルです。ドアベルの内部にはプランジャータイプのソレノイドコイルがあり、AC電源で通電すると小さなロッドが上下に動きます。このロッドは、ソレノイドの両側に配置された金属プレートに当たり、心地よいディンドンの音を出します。
利用可能なソレノイドメカニズムには多くの種類がありますが、最も基本的なことは同じです。つまり、金属（導電性）材料にコイルが巻かれています。コイルに通電すると、この導電性材料は何らかの機械的運動を受け、非通電時にばねまたは他のメカニズムによって反転します。ソレノイドにはコイルが含まれているため、多くの場合、大量の電流を消費し、ソレノイドを動作させるために何らかのタイプのドライバ回路が必要になります。このチュートリアルでは、ソレノイドバルブを制御するためのドライバ回路を構築する方法を学習します。
必要な材料
- 電磁弁
- 12Vアダプター
- 7805レギュレータIC
- IRF540N MOSFET
- ダイオードIN4007
- 0.1uf容量
- 1kおよび10k抵抗
- 接続線
- ブレッドボード
ソレノイドとは何ですか？どのように機能しますか？
ソレノイドは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置です。導電性材料にコイルが巻かれているため、このセットアップは電磁石として機能します。天然磁石に対する電磁石の利点は、コイルに通電することで必要に応じてオンまたはオフにできることです。したがって、コイルが通電されると、ファラデーの法則によれば、電流を運ぶ導体はその周りに磁場を持ちます。導体はコイルであるため、磁場は材料を磁化して線形運動を作り出すのに十分な強さです。
このプロセス中、コイルには大量の電流が流れ、ヒステリシスの問題も発生するため、論理回路を介してソレノイドコイルを直接駆動することはできません。ここでは、液体の流れを制御するために一般的に使用される12Vソレノイドバルブを使用しています。ソレノイドには、通電時に700mAの連続電流が流れ、ピークは1.2A近くになるため、この特定のソレノイドバルブのドライバ回路を設計する際には、これらのことを考慮する必要があります。
回路図
ソレノイドドライバ回路の完全な回路図を下の画像に示します。回路全体を見れば、なぜそう設計されているのかがわかります。
ご覧のとおり、回路は非常にシンプルで簡単に構築できるため、小さなブレッドボード接続を使用してこれをテストできます。ソレノイドは、端子間で12Vに電力を供給することで簡単にオンにでき、電源をオフにすることでオフにできます。デジタル回路を使用してこのターンオンおよびオフプロセスを制御するには、MOSFETのようなスイッチングデバイスが必要であるため、この回路の重要なコンポーネントです。以下は、MOSFETを選択する際にチェックする必要のあるパラメータです。
ゲートソーススレッショルド電圧VGS（th）：これはMOSFETをオンにするためにMOSFETに供給しなければならない電圧です。ここで、しきい値電圧値は4Vであり、MOSFETを完全にオンにするのに十分な5Vの電圧を供給しています。
連続ドレイン電流： 連続ドレイン電流は、回路に流れることができる最大電流です。ここで、ソレノイドは1.2Aの最大ピーク電流を消費し、MOSFETの定格は5VVgsで10Aです。したがって、MOSFETの定格電流は安全です。電流の実際の値と定格値の間にある程度の上限の差があることを常にお勧めします。
ドレイン-ソースオン状態抵抗： MOSFETが完全にオンになると、ドレインピンとソースピンの間に抵抗があり、この抵抗はオン状態抵抗と呼ばれます。この値はできるだけ低くする必要があります。そうしないと、ピン間に大きな電圧降下（オームの法則）が発生し、ソレノイドがオンになるのに十分な電圧が得られなくなります。ここでのオン状態抵抗の値はわずか0.077Ωです。
他のソレノイドアプリケーション用の回路を設計している場合は、MOSFETのデータシートを参照してください。7805リニアレギュレータICを使用して12V入力電源を5Vに変換し、1Kの電流制限抵抗を介してスイッチを押すと、この電圧がMOSFETのゲートピンに与えられます。スイッチが押されていない場合、ゲートピンは10k抵抗を介してグランドに引き下げられます。これにより、スイッチが押されていないときにMOSFETがオフになります。最後に、ソレノイドコイルが電源回路に放電するのを防ぐために、逆平行方向にダイオードが追加されます。
ソレノイドドライバ回路の動作
ドライバ回路がどのように機能するかを理解したので、ブレッドボード上に構築して回路をテストしましょう。電源に12Vアダプターを使用しましたが、ハードウェアのセットアップが完了すると次のようになります。
間のスイッチを押すと、+ 5V電源がMOSFETに供給され、ソレノイドがオンになります。スイッチをもう一度押すと、MOSFETへの+ 5V電源が切断され、ソレノイドはオフ状態に戻ります。ソレノイドのオン/オフはカチッという音でわかりますが、もう少し面白くするために電磁弁を水道管に接続しました。デフォルトでは、ソレノイドがオフの場合、値は閉じているため、もう一方の端から水は出ません。次に、ソレノイドをオンにすると、値が開き、水が流出します。動作は、以下のビデオで視覚化できます。
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