Схема управления реле и соленоида удваивает напряжение питания для экономии поддерживающей мощности

Общепринятым фактом о реле и соленоидах является то, что после того, как они приводятся в активированное состояние, для надежного поддержания требуется только половина напряжения катушки и, следовательно, только четверть мощности катушки. Следовательно, любой соленоид или реле-драйвер, который непрерывно подает полное начальное напряжение активации только для поддержания, расточительно тратит в четыре раза больше энергии, чем требуется для работы.

Самое простое и дешевое (частичное) решение этой проблемы показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Базовая схема драйвера, в которой C1 активируется, R1, уменьшающий ток вдвое, поддерживает его, затем C1 разряжается через R1 во время Toff.

Однако, как это часто бывает с «простым и дешевым» решением, представленным на рисунке 1, имеются некоторые издержки и сложности.

Хотя R1 успешно снижает ток поддержания вдвое, он рассеивает столько же мощности, сколько и катушка. Следовательно, общая мощность поддержания составляет ½, а не ½ от мощности срабатывания, так что фактически достигается лишь половина теоретической экономии энергии.

Когда драйвер выключен, необходимо установить длительную задержку восстановления перед следующим импульсом срабатывания, чтобы дать C1 достаточно времени для разрядки через R1. В противном случае следующий импульс срабатывания будет иметь недостаточную амплитуду и может выйти из строя. Этот эффект усугубляется тем фактом, что во время срабатывания C1 заряжается через параллельную комбинацию R1 и Rm, но во время Toff он разряжается только через R1. Это делает восстановление в два раза более длительным, чем срабатывание.

На рисунке 2 представлено более эффективное, хотя и менее простое и дешевое решение, которое является предметом данной идеи дизайна.

Рисунок 2. Q1 и Q2 взаимодействуют с C, удваивая V(L) для срабатывания, Q2 и D2 поддерживаются, затем Q3 быстро разряжает C через R, чтобы быстро восстановиться для следующего цикла.

Срабатывание начинается с подачи положительного импульса на вход, который включает транзистор Q1, что приводит к напряжению -V(L) на нижнем выводе катушки и включает транзистор Q2, который подтягивает напряжение +V(L) на верхнем выводе катушки. Таким образом, на катушке возникает напряжение 2V(L), что обеспечивает надежное срабатывание. По завершении зарядки конденсатора C диод Шоттки D2 берет на себя управление транзистором Q1. Это снижает напряжение поддержания до значения ∼ (∼) срабатывания, и, следовательно, мощность поддержания падает до ∼.

В конце цикла, когда входящий сигнал возвращается к V(0), Q3 включается, инициируя быстрый разряд C через D2 и R. Фактически, восстановление можно легко организовать так, чтобы оно завершилось за меньшее время, чем требуется реле или соленоиду для отключения. Тогда не требуется явной задержки между циклами, и время восстановления, таким образом, фактически равно нулю!

Но что произойдет, если даже удвоение логической шины V(L) все равно не даст достаточного напряжения для питания катушки и потребуется более высокая шина питания?

На рисунке 3 эта проблема решается с помощью некоторых трюков, описанных в более ранней идее проектирования: управление тотемными столбами КМОП с помощью логических сигналов, связи по переменному току и заземленных затворов.

Рисунок 3. Смещение уровня Q4, R1 и R2 добавляются для обеспечения (++)V > V(L.)