ソレノイドの電流制御について。

初めて質問いたします。

ソレノイドの電流制御で困っています。

現在、PchFETを使いハイサイドスイッチで駆動しており、ソレノイドと
並列に帰還ダイオードを設けています。

このとき、ソレノイドの電流を停止した直後、帰還ダイオードからの
電流により、電流の減少がなだらかになりますが、これを俊敏に減少
するようにしつつ、かつ、サージ電圧を抑制するような上手い方法は
ございますでしょうか？

相反する課題なので無理かもしれませんが、当方電気は素人同然で、
詳しい方にお知恵を伺えれば幸いです。

No.3 ベストアンサー 回答者： xpopo 回答日時： 2013/07/22 20:51

こんな方法もあります。

回路図を添付します。回路図でPMOSのゲートをドライブする信号源V2を中心にして左側に従来のダイオードを用いる方法を右側に提案の方法の回路を示します。

使用されている電源電圧、回路図でVccは不明ですのでとりあえず５Vとしてあります。また、使用されているPMOSも不明ですのでここでは仮にRohm社製のRSQ035P03を使います。負荷のソレノイドの定数も不明ですので仮にここではDC抵抗Rsを2.33Ωに、直列インダクタンスLsを0.5ｍHとしました。

添付回路図の下にはシミュレーション結果を載せておきました。図では0.5ｍｓの時点からソレノイドがON状態からOFF状態に変化してます。

従来のダイオードだけの回路ではFET　M1のドレインは-1.2V近くまで下がってから約0.95mS時点で小さな発振を伴ってますが０Vに復帰してます。時間0.5msから0.95msまでソレノイドの電流は2.1Aから0Aに向かって下がってきてます。この場合ソレノイドの電流が完全に０になるまで約0.45msかかってます。

一方右側の回路ではドレインの電圧V(drain_2）は一旦-13V程度まで下がって少し電圧が上昇しますが80us程度電圧を維持して0Vに戻ってます。そしてソレノイドの電流I(Ls2)もその時間内に2.1Aから0Aに向かって下がってます。これから、ソレノイドの電流のOFFに要する時間は従来方式の450usから80usに大幅に高速化されることが分かります。

提案の回路でFETがOFFになった瞬間のドレイン電圧VpminusはダイオードD2の順方向降下電圧VF(D2)と抵抗R3,R5、トランジスタQ1,Q2からなる定電圧回路の和で与えられます。定電圧回路の電圧降下VsdはQ1、Q2のVBEの和の電圧をVBEadd（Q1,2)として、

　　Vsd＝VBEadd（Q1,2)×（１＋R5/R3)　　　（１）

で計算されます。この回路場合、VBEadd（Q1,2)は約1.6Vです。またVF(D2)は約0.8Vです。
したがってVpminusは

　　Vpminus＝-(VF(D2)＋Vsd）　　（２）

で計算されますのでこの回路の例では、R3=510Ω、R5=3kΩですので式（１）と（２）よりVpminusは

　　Vpminus＝-(0.8V+1.6V×（1＋3/0.51））＝12V

と計算できます。

Vpminusの絶対値が大きければ大きいほどソレノイド電流のOFF時間は短くできます。抵抗R5の値を大きくすればVpminusの絶対値はもっと大きくできます。使用するPMOSの絶対最大定格のドレイン－ソース間電圧を超えない範囲で設定しないとFETが破壊してしまいますので設定には注意してください。

それから、回路でコンデンサC2はV(drain_2）がマイナスの電圧に触れた瞬間のピークパルスのヒゲを抑える為に必要です。またC1とR1の直列回路はV(drain_2）がマイナス電圧から０Vに復帰した瞬間の発振を抑制するために使用していますが使用しない場合は発振が見れますが実用上は問題ないかと思います。

この回答へのお礼

ご回答、ありがとうございます。

なんというか、もうこれは「発明」のレベルなんじゃないかと、内容理解の前に驚いています。

コイル（ソレノイド）回路にコンデンサを使うなどはご法度と思っていたので、とにかく順を追ってよく理解してみようと思います。

シミュレーションまでしていただき、本当にありがとうございました！

お礼日時：2013/07/24 12:21

No.2 回答者： foobar 回答日時： 2013/07/22 13:54

よくやるのは、ブリッジ型の回路にして、マイナスの電圧をかける、って方法かと思います。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

ブリッジ回路は実際には触れたことが無いので、もう少し勉強してみないとまだ理解できていないと思うのですが、回路自体は簡単に組めそうなので、まずは試してみて、各所の波形を見ながら勉強してみます。

ありがとうございました！

お礼日時：2013/07/22 16:10

No.1 回答者： lumiheart 回答日時： 2013/07/20 20:42

ソレノイド駆動の最初の一瞬のみ倍以上の電圧で駆動

吸引完了後は電圧を下げる（過励磁駆動）
http://www.kyoei-tsushin.co.jp/sol/dc_sol-solac. …
http://www.shindengen.co.jp/seihin/c/act/index/t …

パワーが必要なのは吸引時の一瞬のみなので、その後は電流を下げてしまう
電流を下げれば停止時の逆起電力も下がる
つまり、停止応答速度も上がる


過励磁電源装置
http://www.mikipulley.co.jp/JP/Products/Electoro …

PWMとか難しい回路を作らなくても
ただ単に電源電圧を２種類用意して切り替えるだけでも可能
http://www.sinfo-t.jp/clutch/batterybox/csm.htm


一番簡単で最速応答が得られる手段
フライホイールダイオードを無くしてしまう
そうすると、逆起電力でトランジスタが壊れてしまうが
逆起電力では壊れない高い耐圧を持ったトランジスタに交換すれば済む

ただ、大きなサージはノイズとかの２次被害が発生するので
ダイオードの代わりにバリスタを使う
ダイオードは逆電圧をゼロ近くにまで下げてしまうが
バリスタはバリスタ電圧まで残る　＜残電圧が高い分だけ高速になる
それなりに耐圧の高いトランジスタが必要

バリスタを使う回路例↓
http://www.sinfo-t.jp/clutch/batterybox/dmp.htm

バリスタ
http://www.koaproducts.com/hand5.php
http://industrial.panasonic.com/www-ctlg/ctlgj/q …

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

なるほど、そもそもの電圧を下げてしまうというのは、思いつきませんでした。

アクチュエータとしての機能に問題のない電圧範囲で、早速試してみたいと思います。

帰還ダイオードを無くすと、確かに面白いように電流が迅速に落ちてくれますが、発生する電圧が－２００V程度となってしまうので、その他の回路やソレノイド自体に影響が出ないか心配という点と、発熱が尋常ではないので。。。

まずは電圧を下げるという方法でトライしてみます。
ありがとうございました！

お礼日時：2013/07/22 16:05