Relais- en solenoïde-drivercircuit verdubbelt voedingsspanning om continu vermogen te besparen

Een algemeen geaccepteerd feit over relais en solenoïden is dat nadat ze in de geactiveerde toestand zijn gebracht, er slechts de helft van de spoelspanning en dus slechts een kwart van het spoelvermogen nodig is om deze betrouwbaar te behouden. Bijgevolg verspilt elke solenoïde- of relaisdriver die continu de volledige initiële actuatiespanning toepast om deze alleen te behouden, vier keer zoveel vermogen als de taak vereist.

De eenvoudigste en goedkoopste (gedeeltelijke) oplossing voor dit probleem wordt weergegeven in Figuur 1.

Figuur 1 Basis drivercircuit waarbij C1 wordt geactiveerd, de stroom die R1 halveert, wordt gehandhaafd en C1 vervolgens via R1 ontlaadt tijdens Toff.

Maar zoals vaak het geval is met ‘eenvoudig en goedkoop’, kent de oplossing van Figuur 1 ook enkele kosten en complicaties.

Hoewel R1 de houdstroom succesvol halveert, verliest hij net zoveel vermogen als de spoel. Het totale houdvermogen is dus ? in plaats van ? van het actuatievermogen, waardoor slechts de helft van de theoretische energiebesparing daadwerkelijk wordt gerealiseerd.

Wanneer de driver wordt uitgeschakeld, moet er een lange herstelvertraging worden opgelegd vóór de volgende actuatiepuls om C1 voldoende tijd te geven om te ontladen via R1. Anders zal de volgende actuatiepuls een ontoereikende amplitude hebben en kan deze mislukken. Dit effect wordt verergerd door het feit dat C1 tijdens actuatie oplaadt via de parallelle combinatie van R1 en Rm, maar tijdens Toff alleen via R1 ontlaadt. Hierdoor duurt het herstel twee keer zo lang als actuatie.

Figuur 2 toont een beter presterende, hoewel minder eenvoudige en goedkope oplossing die het onderwerp is van dit ontwerpidee.

Figuur 2 Q1 en Q2 werken samen met C om V(L) te verdubbelen voor actuatie, Q2 en D2 houden dit in stand en Q3 ontlaadt C snel via R om snel te herstellen voor de volgende cyclus.

De aansturing begint met een positieve puls aan de ingang, waardoor Q1 wordt ingeschakeld, wat het onderste uiteinde van de spoel naar -V(L) stuurt, en Q2 wordt ingeschakeld, wat het bovenste uiteinde van de spoel naar +V(L) stuurt. Er verschijnt dus 2V(L) over de spoel, wat een betrouwbare aansturing garandeert. Zodra het laden van de C-spanning is voltooid, neemt Schottky-diode D2 de geleiding van Q1 over. Dit verlaagt de aanhoudspanning tot ? de aanstuurwaarde, en daarmee het aanhoudvermogen tot ?.

Aan het einde van de cyclus, wanneer het binnenkomende signaal terugkeert naar V(0), schakelt Q3 in, wat een snelle ontlading van C via D2 en R initieert. In feite kan herstel eenvoudig worden geregeld om te voltooien in minder tijd dan het relais of de solenoïde nodig heeft om uit te vallen. Dan is er geen expliciete intercyclusvertraging nodig en is de hersteltijd daarom effectief nul!

Maar wat gebeurt er als zelfs het verdubbelen van de V(L)-logische rail nog steeds niet genoeg spanning oplevert om de spoel aan te sturen en er een hogere voedingsrail nodig is?

Figuur 3 pakt dit probleem aan met een trucje dat in een eerder ontwerpidee werd beschreven: CMOS-totempalen aansturen met logische signalen, AC-koppeling en geaarde poorten.

Figuur 3 Niveauverschuiving Q4, R1 en R2 zijn toegevoegd om (++)V > V(L) te accommoderen.