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電子工作の完全な素人です。
ソレノイドの逆起電力対策について質問させてください。

まず,以下のような条件を満たす道具を作ろうと思っています。
・ヒトの指先にブルブルと振動の刺激を与える。
・振動の周波数はおよそ10−30Hzの範囲で制御する。誤差は±0.1Hz程度なら許容。
・一度の動作時間は1s程度。動作と動作のインターバルは最短で500ms程度(平均では1−2s)。
・動作するタイミングはPCで制御。
(とある研究で必要になったもので,用途は聞かないでください。)

少し調べて,「ラズパイを使ってソレノイドを高速でカチャカチャ動かし,指先に触れさせよう」と考えました(振動というよりはツンツンつっつく刺激ですが,これでも大丈夫なので)。
はじめは逆起電力のことをよく知らず,なにも考えずにON/OFFを30Hzで繰り返してソレノイドを動かしてみました。
ソレノイドはZHO-0420S-05A4.5を,トランジスタはNchパワーMOSFET 60V25A 2SK2232を使いました。
(回路はここ→ https://amba.to/3zL8XDa を真似ましたが,整流ダイオードは手元になかったので省き,また電源も単3×3の電池ボックスしか所持していなかったため4.5Vになっています。)

動作スピードは問題なさそうに見えたものの,何度か繰り返すうち,ソレノイドの動きにムラが出てきました。プル動作が少し遅延したり,結果的にON/OFFの回数がズレたりしました。おそらく逆起電力が原因でなにか不味いことが起きているのだと思います。

そこで,このサイト→ https://bit.ly/2WQjcIa を参考に,ダイオード+ツェナーダイオードの保護回路を設ければよいのでは,と考えました。ダイオードだけでは復帰時間が遅いという記事→ https://bit.ly/3h4X1Vh を見たからです。

この記事によれば,ダイオードは「逆耐圧が電源の10倍以上」「平均整流電流が負荷電流以上」,ツェナーダイオードは「ツェナー電圧が電源電圧程度」という条件を満たせばいいようです。
すると(今は上述のとおり4.5Vの電源を使っているのですが)ZHO-0420S-05A4.5は定格電圧が5V,定格電流が1.1Aなので,「逆耐圧≧50V」「平均整流電流≧1.1A」のダイオードと「ツェナー電圧≒5V」のツェナーダイオードを用意しようか,と考えています。
具体的にはこれ→ https://bit.ly/3DOgIdH とこれ→ https://bit.ly/3h06v43 です。

しかし本当に電子工作はわからないことばかりで,周囲にも詳しい人がおらず,自分の考え方が正しいのかどうかまるで自信がありません。そもそもソレノイドをそんなに速く動かすことが妥当なのかどうかも,よくわからない状態です。
以上の逆起電力対策が正しいのかどうか,また間違っているとすればどうすればよいのか,ご教示くださると幸いです。

※なお対案として,ステッピングモーターのシャフトに歯車のようなものをつけてグルグル回し,指先に歯の部分をぶつけるようにして擬似的な振動刺激とする,という方法も考えました。こちらは歯車の入手方法がわからなかったので未検証です。

質問者からの補足コメント

  • @pcgal さん
    ありがとうございます。
    質問文にも記載したとおり,整流用ダイオードのみでは復帰速度に難があると判断したためツェナーダイオードとの併用を考えております。もちろんそれで解決するかどうかは実際に試してみないとわからないと思うのですが,規格の読み方が正しいのかどうかすら自信が持てないレベルですので,質問させていただきました。
    偏心モーターは周波数を制御できるものなのでしょうか? モーターの周波数と,モーターがもたらす振動の周波数の対応はあまり綺麗な一対一ではない,と考えているのですが。

    No.1の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時:2021/09/05 14:47

A 回答 (3件)

コイルは電流をOFFにすると今まで流れていた電流を続けようとします。

配線が切れていても絶縁抵抗や大気を通じてでも流そうとします。つまり高電圧を発生します。発生電圧は理論上は無限大、実際の回路では放電します。
このとき発生する高電圧は外部から加えた電圧と逆向きになるので一般に逆起電力と言われます(電圧は逆向きですが流れる電流は同じ向きです)。
スイッチングに半導体を使用するとブレークダウンします。当然好ましいことではありません。

スイッチングのFETに保護ダイオードを使っていないということですが、FETには逆起電力による高圧が加わって耐圧的にブレークダウンしていると思います。ソレノイドの動きが変わってくるのはFETがブレークダウンによる発熱のために劣化していると思います。FETが熱を持ちませんか?
対策としてソレノイドと並列にダイオードを接続してください。そのダイオードの最低条件は、耐圧は電源電圧以上、容量はソレノイドの電流値以上です。本件では4.5V、1A以上ならOKです。
ダイオードを使うとソレノイドの復帰時間が長くなります。理由はコイルの持つ電気エネルギーを消費するものがコイルの抵抗しかないためです。ダイオードと直列にツェナーを挿入してここでエネルギーを消費させるのも改善策のひとつです。ツェナーは高電圧なほど高速復帰できます。FETが60V耐圧なので30~40Vを使って構いませんが瞬間最大1A流れるので一般電子用では間に合わないでしょう。かなり発熱します。
もうひとつ抵抗を使う方法があります。ダイオードと直列に30~40Ω程度の抵抗を入れます。ソレノイド電流が1AなのでFETに加わる電圧は 1A × 40Ω = 40V で収まります。抵抗はツェナーより容易に入手できるはずです。ただワット数はやや大きめの物を使ってください。2Wもあれば十分でしょう。でもかなり熱くなるはずです。
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起電力の吸収はドライバの保護が目的です、参考の資料はメーカー


でも記載されています、ソレノイドはonでプランジャを動かし
offで戻しますがこの時はメカで戻すので一定ではありません、
戻る時間が十分短くないと速い速度での繰返し制御は無理でしょう
おそらく0.5sくらいが安定した動作の限度かと思います。
メーカーでは連続動作時の温度上昇も注意するよう記載していますが
プランジャの動作にも影響するようです。
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通常、逆起電力対策には普通の整流用ダイオードを並列に接続します。


でも、早い動作が要求される場合には障害があります。
復帰速度の低下です。普通の利用方法なら衝撃防止になり良いのですが、高速動作には不向きです。それから、振動にソレノイドは使用しません。
モーターに重りを付けて回転させるのが一般的です。
小型ならスマフォのバイブレーション、大型ならマッサージ機ですね。
この回答への補足あり
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