什么是直流脉冲电磁阀电容放电控制电磁阀电路图设计

什么是直流脉冲电磁阀

脉冲电磁阀是指通过脉冲信号打开或者关闭阀门的电磁阀。 当线圈瞬时通电，电磁力使衔铁运动，阀门打开，当线圈断电时，衔铁则靠永磁力自保持，使得阀门保存打开状态。当线圈反向通电时，阀门关闭，线圈断电之后，阀门仍然保存关闭状态。其特点是其线圈通一次电就可以打开或者关闭阀门，不需要连续通电。因此具有低功耗，低电压的特点。因为无法在农田拉电网供电，脉冲电磁阀在农业智能灌溉中得到广泛应用。

用于农田灌溉的直流脉冲电磁阀

我最近设计一款电池供电、LoRA 通信技术本地组网，通过直流脉冲电磁阀控制的智能灌溉系统。其中的驱动电路在网上也找不到相关资料，因此，我自己花了一段时间从电磁阀的特性出发做了深入彻底的研究，现在无偿会享给广大网友。主要思路是通过向大电容充电，充电到一定电压之后停止充电，再通过三极管组成Ｈ桥驱动电路向电磁阀放电。通过放电的电流驱动电磁阀打开或者关闭。如下为某厂家的直流脉冲电磁阀。

直流脉冲电磁阀参数

电容充电原理图

为什么需要升压

由于我们使用的是9V电池，如果直接使用9V电压向电容充电，则在电池电量充足的情况下，电容最多能被充电到9V。根据电容放电公式u=U0*exp(-t/(R*C))，其中U0为开始放电的电压9V，R为电磁阀的电阻6ohm。而且电容是指数形式充电，越接近9V，充电越慢。所以需要长时间充电到9V。而从9V放电到电磁阀工作的最低电压6V，时间很短。如果选择4700uF的大电容，从9V放电到6V，放电时间约为： t=-ln(6/9)*6*4700us=11.43ms，不能满足脉宽要求。因此，我通过升压电路将电池的9V电压升到18V左右。用升压得到的电压向电容充电，这样做的好处在于： 1)减少充电时间，减少整机唤醒工作的时间，降低功耗，延长电池使用寿命。 2)减小电容容量，缩小控制器的体积，降低成本。 3)增加放电到最低工作电6V的时间，增加驱动脉宽，保证电磁阀可靠打开或关闭。如上图，我用了芯片TC7660来设计升压电路，升压电路的原理，我不在这里赘述。

如何选择升压电容

电容的充电电流根据升压电路中的电容C1合理选择。电容C1两端的电压2*Vin-2*VDF=17.4v(Vin为输入电压9V, VDF为二极管D1D2的正向导通电压）。电容C1通过D4、R2向电容充电，充电方程为： u=17.4*(1-exp(-t/(R2*C12))，最大充电电流为17.4/R2=23.2mA。 TC7660的开关工作频率为10kHz，在其一半的周期内，升压电路与C1的充电电路被切断。由C1上的电压维持向电容C12的充电。按最大充电电流23.2mA估算，根据流过电容的电流为I=C1Δu/Δt。得到在这两个周期内C1的电压降为Δu=I*Δt/C，可见电容越大，降压越小。所以在开关频率固定的情况下，要保证C1的电压17.4V恒定，需要尽量增大电容。但是增大电容又可能会导致另一个半期间向C1的充电缓慢，导致电压波动。综合考虑之后，选择了1uF的电容，此时压降为23.2mA*50us/1uF=1.16V。 所以在该电路中，升压电路大概以16.2V-17.4V的波动电压向电容C12充电。

电容充电到多少电压

根据电磁阀工作电压6V-20V，我们选择13V作为大电容的充电截止电压。在大电容两端并接15V的稳压二极管进行保护以及吸收反向电动势，同时通过两个电阻的分压，将电压送入单片机的ADC口，由单片机检测其电压，断开充电电路。根据充电公式u=17.0*(1-exp(-t/(R2*C12))，我们可以算出充电到13.0V所花费的时间为：4.5s。耗费的时间比较长。因此，我增加了另一路直接通过9V向电容充电的电路，以减少充电时间。 从0V-9V，由充电电路和电池同时向电容充电，经过这一优化之后，充电时间可以降到1s左右。

电容放电控制电磁阀

H桥式驱动电路在MCU 检测到C12被充电到13V之后，断开充电电路，通过两个IO口输出电平控制H桥驱动电磁阀。当YOUT_00输出高，YOUT_05输出低时，电磁阀打开。当YOUT_00输出低，YOUT_05输出高时，电磁阀关闭。对于6ohm的电磁阀，从13V放电到6v的时间约为： -ln(6/13)*4700uF*6ohm=21.8ms，能满足电磁阀的规格要求（如果考虑大电容的初始、温度、老化的公差，实际还有一些临界，从使用情况来看，并没有问题，后续再做一些改进）延时1s左右，等电容完全放完电，从IO口输出低，进入低功耗模式。因此MCU的控制逻辑为：

IO口输出高电平，向升压电路供电，同时电池直接向大电容充电。

检测到大电容充电电压到9V左右之后，断开电池直接向大电容充电的通路，只由升压电路充电。

检测到大电容充电电压到12V之后，断开给升级电路的供电。

输出控制Ｈ桥驱动电路，向电磁阀放电，控制电磁阀打开或关闭。

放电1s之后，输出低电平，进入低功耗模式。