بوبین

در این مقاله می خواهیم وظیفه بوبین شیر برقی را شرح دهیم و در ادامه تفاوت بوبین شیر برقی AC  یا  DC را به طور مفصل توضیح دهیم.

اصول کار سلونوئید

سلونوئیدها مهم ترین اجزای مورد استفاده در شیرهای برقی برای کنترل جریان مایعات و گازها هستند. سلونوئیدها دستگاه های الکترومکانیکی هستند که انرژی الکتریکی AC یا DC را به حرکت خطی تبدیل می کنند. آنها معمولاً از یک سیم پیچ مارپیچ متمرکز در اطراف یک استوانه متحرک، به نام آرماتور، ساخته شده از ماده فرو مغناطیسی مانند آهن یا فولاد تشکیل می شود. بیشتر شیرهای برقی دارای یک بوبین قابل تعویض هستند و می توان آنها را با بوببین های با ولتاژ مختلف استفاده کرد.

هنگامی که جریان از طریق سیم پیچ عبور می کند، یک میدان مغناطیسی در داخل سیم پیچ ایجاد می کند که با استفاده از اصول اولیه همان مغناطیس های الکتریکی معمولی، آرماتور را به سمت مرکز شیر برقی جذب می کند. از آنجا که آرماتور بدون در نظر گرفتن قطبیت جریان به سمت مرکز سلونوئید کشیده می شود، برای بازگشت آرماتور به موقعیت شروع در صورت عدم انرژی سیم پیچ، یک نیروی مخالف لازم است. این با استفاده از مکانیزم فنر حاصل می شود. در شرایط ایده آل، برای فعال سازی شیر برقی، نیروی تولید شده توسط شیر برقی باید بیشتر از نیروهای ترکیبی فنر و فشار هیدرولیکی و همچنین اصطکاک باشد.

با بلند کردن آرماتور، یک درگاه کوچک در شیر باز می شود که امکان جریان رسانه را فراهم می کند. جریان با عبور از شیر را می توان تحریک بوبین کنترل کرد. در حالی که انواع مختلفی از شیرهای برقی وجود دارد که از نظر ساخت مکانیکی متفاوت هستند، ایده اصلی یک محرک برقی که بر روی یک سطح کنترل کار می کند، در همه انواع شیر برقی ثابت باقی مانده است. قطب کانتکت های الکتریکی با شیرهای برقی AC و DC مهم نیست. با شیرهای برقی AC، این ممکن است واضح باشد زیرا جریان به هر حال قطب را دو بار تغییر می دهد. با شیرهای برقی DC دلیل این است که جریان عبوری از بوبین باعث ایجاد یک آهنربای الکتریکی می شود که نیروی جذبی را روی آرماتور ایجاد می کند. هنگامی که جریان از طریق بوبین عبور می کند، بدون در نظر گرفتن کانتکت و قطبیت جریان، آرماتور همیشه به سمت سیم پیچ کشیده می شود.

تفاوت بین بوبین شیربرقی AC  با DC

در ابتدایی ترین سطح، عملکرد سلونوئیدهای DC نسبتاً ساده است – ممکن است شیر برقی فعال شود، به نیروی مغناطیسی تولید شده توسط شیر برقی اجازه می دهد تا بر مقاومت فنر غلبه کند و آرماتور را به سمت مرکز بوبین حرکت دهد، یا اجازه می دهد نیروی فنر برای عقب انداختن آرماتور به حالت شروع انرژی خارج شود.

با استفاده از شیر برقی AC، تئوری عملکرد کمی پیچیده تر است. جریان AC را می توان با استفاده از شکل موج سینوسی تقریب زد. در نتیجه، دو بار در هر دوره جریان عبور صفر می شود، به این معنی که جریان عبوری از بوبین در آن زمان برابر با صفر است.

از آنجایی که نیروی مغناطیسی تولید شده توسط شیر برقی نسبت مستقیمی با جریان عبوری از بوبین را  دارد، نیروی فنر برای مدت کوتاهی، هر بار دو بار بر نیروی تولید شده توسط شیر برقی غلبه خواهد کرد. این مشکلی است که به صورت لرزش آرماتور ظاهر می شود، که صدای زمزمه ای تولید می کند و می تواند باعث فشار بر روی اجزای شیر برقی شود. برای جلوگیری از این مسئله، یک حلقه رسانای ساده، به اصطلاح حلقه سایه انداز، در نزدیکی بوبین اطراف آرماتور نصب می شود. حلقه سایه انداز معمولاً از مس ساخته می شود. عملکرد حلقه سایه انداز ذخیره انرژی میدان مغناطیسی و آزاد سازی آن با اختلاف فاز 90 درجه است.

 اثر یک حلقه سایه زنی این است که در حالی که میدان مغناطیسی تولید شده توسط بوبین اولیه به سمت صفر کاهش می یابد، میدان مغناطیسی تولید شده توسط حلقه سایه زن به اوج خود می رسد، به طور موثر شکاف در دامنه میدان مغناطیسی را هنگام عبور از صفر پر می کند، و ارتعاشات را از بین می برد. بیشتر شیرهای برقی که می توانند با ولتاژهای مختلف بوبین استفاده شوند دارای یک حلقه سایه انداز داخلی هستند. اگر گرد و غبار در اطراف آرماتور جمع شود، ممکن است اثر حلقه سایه انداز محدود شود و راه حل دیگری لازم باشد. مثالی از راه حل دیگر استفاده از مدار الکترونیکی است که جریان برقی را فیلتر می کند، به طوری که عبور صفر وجود ندارد. این مدارها را می توان در خود سیم پیچ شیر برقی تعبیه کرد یا می توان از خارج ساخته شود. معمولاً با استفاده از دیودهای یکسوساز و یک خازن فیلتر کننده در توپولوژی یکسو کننده تمام موج اجرا می شود.

استفاده از بوبین AC با جریان DC و بالعکس

در بعضی موارد می توان از سیم پیچ های دارای جریان AC با منبع تغذیه DC و بالعکس استفاده کرد. با این حال، محدودیت هایی وجود دارد که باید بخاطر بسپارید. استفاده از یک بوبین برای جریان AC با منبع تغذیه DC امکان پذیر است، اما ولتاژ (و جریان) باید محدود باشد در غیر این صورت ممکن است شیر برقی بسوزد. دلیل این امر این است که در ساختار AC، بوبین ها دارای یک واکنش پذیری القایی هستند که با مقاومت الکتریکی سیم پیچ افزایش می یابد. در نتیجه، امپدانس سیم پیچ در ساختار AC چندین برابر بیشتر از سازمان DC است. به عنوان مثال، استفاده از شیر برقی 24 ولت دارای منبع تغذیه با منبع تغذیه 24 ولت DC به احتمال زیاد به سلونوئید آسیب می رساند زیرا جریان موثر جاری از طریق شیر برقی با ولتاژ DC بسیار بیشتر خواهد بود. متأسفانه، هیچ عامل ثابتی برای کاهش ولتاژ منبع تغذیه وجود ندارد. جریان موثر باید در ساختار AC اندازه گیری شود و آن جریان باید به عنوان هدف برای رژیم DC نیز تعیین شود. برخی از راه های دستیابی به آن هدف کاهش ولتاژ تغذیه یا استفاده از مقاومت محدود کننده جریان است. استفاده از بوبین دارای جریان DC با منبع تغذیه AC، خطر لرزش را ایجاد می کند زیرا شیرهای برقی DC ممکن است حاوی حلقه سایه انداز یا مدار یکسو کننده نباشد. این ارتعاشات ممکن است با فشار دادن اجزای سازنده در طول زمان به سلونوئید آسیب برساند و آنها می توانند به سطح صدا در اتاق کمک کنند. با استفاده از یک مدار یکسوساز تمام موج خارجی با فیلتر خازنی می توان در این زمینه کار کرد. مشکل دیگر این است که جریان موثر در این حالت چندین برابر کم خواهد شد و ممکن است نیروی مغناطیسی تولید شده توسط بوبین آنقدر بزرگ نباشد که آرمیچر را از حالت استراحت خود حرکت دهد. یک راه حل استفاده از ولتاژ بزرگتر است تا جریان موثر با جریان نامی شیر برقی مطابقت داشته باشد.

ملاحظات طراحی سلونوئید در  AC با DC

در حالت ایده آل، هنگامی که شیر برقی از حالت OFF به حالت ON می رود، شیر برقی باید در ابتدا نیروی بیشتری ایجاد کند تا از کشش فنر همراه با فشار هیدرولیکی که در برابر شیر عمل می کند، عبور کند. پس از ایجاد جریان، نیروهای هیدرولیکی که بر روی مکانیسم شیر تأثیر می گذارند کاهش می یابند و برقی می تواند نیروی تولید شده را کاهش دهد تا مصرف برق و گرمایش را کاهش دهد.

شیر برقی AC این رفتار ایده آل را بیشتر از شیر برقی DC دنبال می کند. در سلونوئیدهای DC، هنگامی که شیر برقی روشن می شود، بسته به مقاومت بوبین، جریان به صورت متناوب به سمت مقدار مشخصی افزایش می یابد. این به جریان اولیه کمتری ترجمه می شود (و نیروی اولیه کمتری که منجر به کندتر شدن باز شدن شیر می شود). پس از باز شدن شیر، کشش جریان در یک مقدار ثابت بزرگتر از حد مورد نیاز برای باز نگه داشتن شیر باقی می ماند. در نتیجه، سلونوئیدهای DC بدون هیچگونه مدار خارجی مقدار قابل توجهی از انرژی را در حالت باز هدر می دهند.

برای مدارهای AC، امپدانس بوبین  با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

جایی که Z امپدانس است، R مقاومت الکتریکی سیم پیچ است، j یک ثابت برابر با ریشه مربع -1 است که در این معادله اثر تغییر فاز 90 درجه دارد، f فرکانس و L القا است از سیم پیچ در ابتدا، شکاف هوا زیاد است و در نتیجه، اندوکتانس سیم پیچ کوچک است و منجر به امپدانس کوچکتر و جریان بیشتر از طریق شیر برقی می شود. جریان بزرگتر برابر است با نیروی مغناطیسی بالاتر روی آرماتور.

با باز شدن شیر، شکاف هوا کم و کمتر می شود و امپدانس بوبین به سرعت افزایش می یابد و جریان از طریق سیم پیچ کاهش می یابد. کاهش جریان از طریق سیم پیچ منجر به کاهش مصرف برق و اتلاف گرما می شود. به همین دلیل، سلونوئیدهای AC یک جهش اولیه جریان ایجاد می کنند، که باز کردن سریع و قوی تر شیر را امکان پذیر می کند. به محض باز شدن شیر، جریان افت می کند که باعث کاهش مصرف برق می شود. اگر چه سلونوئیدهای AC ذاتاً از نظر انرژی صرفه جویی بیشتری دارند، اما با برخی اشکالات احتمالی روبرو هستند. یکی از آنها از دست دادن قدرت در اثر جریانهای گردابی است که به دلیل القای الکترومغناطیسی در آرماتور تشکیل می شود. اشکال دیگر خطر لرزش است، که می تواند با استفاده از شیرهای برقی کاملا مهندسی که از حلقه های سایه زنی مناسب استفاده می کنند، کاهش یابد. علاوه بر این، سیستم های کنترلی مدرن تمایل دارند که با خروجی های DC رابط کاربری ساده تری داشته باشند، بنابراین استفاده از شیر برقی AC با این سیستم ها می تواند دست و پا گیرتر باشد و نیاز به استفاده از رله های اضافی دارد. سلونوئیدهای DC را می توان با استفاده از مدارهای خارجی که می توانند جریان سیم پیچ را به گونه ای شکل دهند که یک سنبله جریان اولیه برای باز شدن شیر وجود داشته باشد، کارآمدتر کنیم. پس از باز شدن سوپاپ، می توان جریان را به یک سطح جریان نگهداری کاهش داد، که فقط کافی است تا با کشیدن آرماتور در برابر کشش فنر، سوپاپ را به طور مطمئن باز نگه دارید.

این مدارهای خارجی می توانند به سادگی اتصال سیم پیچ به صورت سری با اتصال موازی مقاومت و خازن باشند. در چنین مداری، شارژ خازن از طریق سیم پیچ سنبله اولیه سیم پیچ را فراهم می کند. پس از شارژ خازن، مقاومت محدود کننده جریان تمام جریان را عبور می دهد. نکته منفی چنین رویکرد ساده این است که مقداری از انرژی برای گرم کردن مقاومت محدود کننده جریان هدر می رود.

رویکردهای بسیار پیچیده تری شامل منابع تغذیه سوئیچ شده است که جریان قابل برنامه ریزی بوبین را فراهم می کند. این منابع تغذیه ممکن است با شیرهای برقی AC و DC و منابع تغذیه کار کنند. آنها از جهش خوب باز شدن شیر و کاهش مصرف برق در هنگام باز بودن شیر اطمینان حاصل می کنند، در نتیجه بازدهی انرژی بهتر، گرم شدن کمتر و طول عمر طولانی تر شیر برقی است.