Solenoid çalışma prensipleri hakkında önce yapısını anlatmak doğru olacaktır. Solenoidler, solenoid valflerde sıvı ve gaz akışını kontrol etmek için kullanılan en önemli bileşenlerdir. Solenoidler, AC veya DC elektrik enerjisini doğrusal harekete dönüştüren elektromekanik cihazlardır. Genellikle demir veya çelik gibi ferromanyetik bir malzemeden yapılmış, armatür adı verilen hareketli bir silindirin etrafına eş merkezli olarak sarılmış sarmal bir bobinden oluşurlar. Çoğu solenoid valfin değiştirilebilir bir bobini vardır ve farklı voltajlara sahip bobinlerle kullanılabilir.
Bobinden akım geçtiğinde, bobinin içinde, sıradan elektromıknatıslarla aynı temel prensipleri kullanarak armatürü solenoidin merkezine doğru çeken bir manyetik alan oluşturur. Armatür, akımın polaritesinden bağımsız olarak solenoidin merkezine doğru çekildiğinden, bobine enerji verilmediğinde armatürü başlangıç pozisyonuna döndürmek için karşıt bir kuvvete ihtiyaç vardır. Bu, bir yay mekanizması kullanılarak elde edilir. İdeal koşullar altında, solenoidi harekete geçirmek için, solenoid tarafından üretilen kuvvet, yay ve hidrolik basıncın yanı sıra sürtünmenin birleşik kuvvetlerinden daha büyük olmalıdır.
Armatür kaldırılarak, valfte medyanın akışını sağlayan küçük bir port açılır. Valften geçen akış, bobine enerji verilerek veya enerjisi kesilerek kontrol edilebilir. Mekanik yapılarında farklılık gösteren birkaç tip solenoid valf olmasına rağmen , bir kontrol yüzeyi üzerinde hareket eden bir solenoid aktüatörün temel fikri, tüm solenoid valf tiplerinde aynı kalır.
AC ve DC solenoid valf seçiminde elektrik kontaklarının polaritesi önemli değildir. AC solenoid valflerde, akım zaten periyot başına iki kez polariteyi değiştirdiği için bu açık olabilir. DC solenoid valflerde bunun nedeni, bobinden geçen akımın armatür üzerinde çekici bir kuvvet üreten bir elektromıknatıs oluşturmasıdır. Bobinden akım uygulandığında, kontak ve akım polaritesinden bağımsız olarak armatür her zaman bobine doğru çekilir.
AC ve DC solenoidler arasındaki farklar
En temel düzeyde, DC solenoidlerin çalışması nispeten basittir. Solenoid tarafından üretilen manyetik kuvvetin yay direncinin üstesinden gelmesine ve armatürü bobinin merkezine doğru hareket ettirmesine izin vererek solenoide enerji verilebilir veya enerjisi kesilebilir. Armatürü başlangıç pozisyonuna geri itmek için yay kuvveti kullanılır.
AC solenoidleri ile çalışma teorisi biraz daha karmaşıktır. AC akımı, sinüzoidal bir dalga formu kullanılarak yaklaşık olarak hesaplanabilir. Sonuç olarak, periyot başına iki kez akımın sıfır geçişi vardır, yani o noktada bobinden akan akım sıfıra eşittir.
Solenoid tarafından üretilen manyetik kuvvet, solenoid bobinden akan akımla doğru orantılı olduğundan, yay kuvveti, kısa bir süre için, her periyotta iki kez, solenoid tarafından üretilen kuvveti yenecektir. Bu, armatürün titreşimi olarak ortaya çıkan, uğultu sesi çıkaran ve solenoid valf bileşenlerinde strese neden olabilen bir sorundur. Bu sorunu önlemek için, armatürün etrafındaki bobinin yanına gölgeleme halkası olarak adlandırılan basit bir iletken halka monte edilir. Gölgeleme halkası genellikle bakırdan yapılır. Gölgeleme halkasının işlevi, manyetik alan enerjisini depolamak ve onu 90 derecelik bir faz farkıyla serbest bırakmaktır.
Bir gölgeleme halkasının etkisi, birincil bobin tarafından oluşturulan manyetik alan sıfıra doğru azalırken, gölgeleme halkası tarafından oluşturulan manyetik alanın tepe noktalarına ulaşması, sıfır geçişler sırasında manyetik alan genliğindeki boşluğu etkin bir şekilde doldurması ve titreşimleri ortadan kaldırmasıdır. Farklı bobin voltajlarıyla kullanılabilen solenoid valflerin çoğunda yerleşik bir gölgeleme halkası bulunur.
Armatür çevresinde kir birikirse, gölgeleme halkasının etkisi sınırlı olabilir ve başka bir çözüm gerekir. Başka bir çözüme bir örnek, solenoid akımını sıfır geçişi olmayacak şekilde filtreleyen bir elektronik devrenin kullanılmasıdır. Bu devre, solenoid valf bobininin kendisine yerleştirilebilir veya harici olarak oluşturulabilir. Genellikle bir tam dalga doğrultucu topolojisinde doğrultucu diyotlar ve bir filtreleme kapasitörü kullanılarak uygulanır.
DC akımlı AC bobinleri kullanma ve tersi
Bazı durumlarda, AC akım için derecelendirilmiş bobinler DC güç kaynaklarıyla kullanılabilir ve bunun tersi de geçerlidir. Ancak, akılda tutulması gereken bazı sınırlamalar vardır.
DC beslemeli AC akım için derecelendirilmiş bir bobin kullanmak mümkündür, ancak voltaj (ve akım) sınırlandırılmalıdır, aksi takdirde solenoid yanabilir. Bunun nedeni, AC rejiminde bobinlerin, bobinin elektrik direncini artıran endüktif bir reaktansa sahip olmasıdır. Sonuç olarak, bir bobinin empedansı, AC rejiminde DC rejiminden birkaç kat daha yüksektir. Örnek olarak, 24 V DC güç kaynağına sahip 24 VAC dereceli bir solenoid valf kullanmak, solenoidden akan etkin akım DC voltajıyla çok daha yüksek olacağından büyük olasılıkla solenoide zarar verir.
Ne yazık ki, güç kaynağı voltajını düşürmek için sabit bir faktör yoktur. AC rejiminde etkin akım ölçülmeli ve bu akım DC rejimi için de bir hedef olarak ayarlanmalıdır. Bu hedefe ulaşmanın bazı yolları, besleme voltajını azaltmak veya akım sınırlayıcı bir direnç kullanmak olabilir.
Bir AC güç kaynağı ile DC akımı için derecelendirilmiş bir bobin kullanmak, DC solenoid valfleri bir gölgeleme halkası veya bir doğrultucu devre içermeyebileceğinden, titreşim riski taşır. Bu titreşimler zamanla bileşenleri zorlayarak solenoide zarar verebilir ve odadaki gürültü seviyelerine katkıda bulunabilir. Bu, kapasitif filtreli harici bir tam dalga doğrultucu devresi kullanılarak çözülebilir.
Diğer bir problem ise, bu durumda etkin akımın birkaç kat daha düşük olacağı ve bobin tarafından oluşturulan manyetik kuvvetin armatürü hareketsiz konumundan hareket ettirecek kadar büyük olmayabileceğidir. Bir çözüm, etkili akımın solenoidin nominal akımıyla eşleşmesi için daha büyük bir voltaj kullanmak olacaktır.
AC ve DC solenoid tasarım konuları
İdeal olarak, bir solenoid valf KAPALI’dan AÇIK duruma geçtiğinde, valfe karşı etki eden hidrolik basınçla birlikte yay geriliminin üstesinden gelmek için solenoid başlangıçta daha fazla güç üretmelidir. Akış sağlandığında, valf mekanizmasına etki eden hidrolik kuvvetler azalır ve solenoid, güç tüketimini ve ısıtmayı azaltmak için üretilen kuvveti azaltabilir.
AC solenoidleri, bu ideal davranışı DC solenoidlerinden daha yakından takip eder. DC solenoidlerde solenoid açıldığında akım, bobinin direncine bağlı olarak asimptotik olarak belirli bir değere doğru yükselir. Bu, daha düşük bir başlangıç akımı (ve daha yavaş valf açılmasına yol açan daha düşük başlangıç kuvveti) anlamına gelir. Valf açıldığında, akım çekişi valfi açık tutmak için gerekenden daha büyük olan sabit bir değerde kalır. Sonuç olarak, herhangi bir harici devresi olmayan DC solenoidleri, açık durumda önemli miktarda güç harcar.
AC devreler için bir bobinin empedansı aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır:
Yukarıdaki formülde Z empedanstır, R bobinin elektrik direncidir, j -1’in kareköküne eşit bir sabittir ve bu denklemde fazı 90 derece kaydırma etkisi vardır, f frekans ve L bobinin endüktansıdır. İlk başta, hava boşluğu büyüktür ve sonuç olarak bobin endüktansı küçüktür, bu da solenoid boyunca daha küçük bir empedansa ve daha büyük bir akıma yol açar. Daha büyük akım, armatür üzerindeki daha yüksek manyetik kuvvete eşittir.
Valf açıldıkça hava boşluğu küçülür ve küçülür ve bobinin empedansı hızla artarak bobinden geçen akımı azaltır. Bobinden geçen akımın azalması, güç tüketiminin azalmasına ve ısı israfına neden olur. Bu nedenle, AC solenoidleri, valfin daha hızlı ve daha güçlü bir şekilde açılmasını sağlayan akımda bir ilk ani yükselme oluşturur. Valf açılır açılmaz akım düşer, bu da güç tüketimini azaltır.
AC solenoidleri doğal olarak daha enerji verimli olsalar da, bazı olası dezavantajlarla birlikte gelirler. Bunlardan biri armatürde elektromanyetik indüksiyon nedeniyle oluşan girdap akımlarından kaynaklanan güç kaybıdır. Diğer bir dezavantaj, uygun gölgeleme halkalarından yararlanan iyi tasarlanmış solenoid valfler kullanılarak azaltılabilen titreşim riskidir. Ek olarak, modern kontrol sistemleri DC çıkışlarla daha kolay arayüz oluşturma eğilimindedir, bu nedenle bu sistemlerle AC solenoidlerin kullanılması daha hantal olabilir ve ek rölelerin kullanılmasını gerektirebilir.
DC solenoidler, bobin akımını valfi açmak için gereken bir ilk akım yükselmesi olacak şekilde şekillendirebilen harici devreler kullanılarak daha verimli hale getirilebilir. Valf açıldığında, akım, armatürü yay gerilimine karşı çekerek valfi güvenilir bir şekilde açık tutmak için yeterli olan bir bakım akımı seviyesine düşürülebilir.
Bu harici devreler, bobini bir direnç ve bir kapasitörün paralel bağlantısıyla seri olarak bağlamak kadar basit olabilir. Böyle bir devrede, kapasitörün bobin üzerinden şarj edilmesi, ilk bobin akımı yükselmesini sağlar. Kondansatör şarj edildikten sonra akım sınırlayıcı direnç tüm akımı geçer. Bu kadar basit bir yaklaşımın dezavantajı, akımın sınırlayıcı direncini ısıtmak için gücün bir kısmının boşa harcanmasıdır.
Bobine programlanabilir bir akım sağlayan anahtarlamalı güç kaynaklarını içeren çok daha karmaşık yaklaşımlar vardır. Bu güç kaynakları hem AC hem de DC solenoid valfler ve güç kaynakları ile çalışabilir. Valf açıkken iyi bir valf açma artışı ve daha az güç tüketimi sağlayarak daha iyi güç verimliliği, daha az ısıtma ve daha uzun solenoid valf hizmet ömrü sağlarlar.
