KR102218135B1

KR102218135B1 - 솔레노이드 회로

Info

Publication number: KR102218135B1
Application number: KR1020200011871A
Authority: KR
Inventors: 안근택
Original assignee: 안근택
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2021-02-19
Also published as: KR20210098391A

Abstract

본 발명의 제1 및 제2 스위치 단자들로부터 교류전원을 공급받아 전파 정류 또는 반파 정류하여, 일단이 제1 노드에 접속되고 타단이 제2 노드에 접속되는 솔레노이드 코일부에 공급하는 솔레노이드 회로는, 애노드 전극이 상기 제1 노드에 접속되고 캐소드 전극이 상기 제1 스위치 단자에 접속되는 제1 다이오드와, 애노드 전극이 상기 제1 스위치 단자에 접속되고 캐소드 전극이 상기 제2 노드에 접속되는 제2 다이오드와, 애노드 전극이 상기 제2 스위치 단자에 접속되고 캐소드 전극이 상기 제2 노드에 접속되는 제3 다이오드와, 애노드 전극이 상기 제1 노드에 접속되고 캐소드 전극이 상기 제2 스위치 전극에 접속되는 SCR 다이오드와, 상기 제2 노드 및 상기 제2 스위치 단자 사이에 접속되는 스토리지 커패시터와, 상기 SCR 다이오드의 게이트 전극과 상기 제2 스위치 단자로 이어지는 전류경로에 형성되는 트랜지스터를 포함한다.

Description

솔레노이드 회로{SOLENOID CIRCUIT}

본 발명의 실시 예는 솔레노이드 회로에 관한 것이다.

솔레노이드는 액추에이터의 일종으로 사용되거나, 액추에이터의 구동을 위한 동력원으로 사용된다. 솔레노이드는 전기에너지를 기계적인 운동 또는 기계적인 운동을 야기할 수 있는 에너지로 변환하며, 이를 통해 각종 기계장치나 각종 공유압 밸브에 널리 사용되고 있다.

이러한 솔레노이드는 알려진 바와 같이 코일과 코일에 공급되는 전력을 조절하기 위한 회로부를 포함하여 구성된다. 솔레노이드는 코일 주변의 자계회로를 구성하는 강자성체간의 간격이 일정 거리를 유지하고 있다가 코일에 전류가 흐르면 자계가 형성되어 강자성체간의 간격을 좁히는 과정에서 발생된 힘을 이용하는 장치이다. 자계회로상에서 강자성체의 간격은 거리의 제곱에 반비례하는 힘의 상관관계가 있어 초기의 일정 간격이 유지된 상태에서 많은 전류를 흘려야 신속한 기계적 힘을 얻을 수 있다. 이러한 이유로 대부분의 솔레노이드는 많은 전류를 공급하고 동작 상태를 계속 유지하는 경우는 코일에 많은 열이 발생한다.

솔레노이드의 구성품 중에는 열에 수명의 영향을 많이 받는 실(STATIC SEAL), 코일 등의 부품이 있으며 이것들은 솔레노이드의 수명을 결정한다. 솔레노이드를 기동시키기 위해서는 충분한 전력이 공급되어야 하는데, 높은 전력공급상태를 장시간 유지하면 부품이 과열되어 수명이 단축될 수 있다.

선행특허문헌1: 대한민국 공개특허공보 특1999-009884호(1999.02.05) 선행특허문헌2: 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0097370호(2013.09.03.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 전파 정류된 교류전원을 코일에 공급하여 솔레노이드 동작이 완료되면, 교류전원을 반파 정류하여 공급함으로써 솔레노이드 코일의 과열을 억제시키는 솔레노이드 회로를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 제1 및 제2 스위치 단자들로부터 교류전원을 공급받아 전파 정류 또는 반파 정류하여, 일단이 제1 노드에 접속되고 타단이 제2 노드에 접속되는 솔레노이드 코일부에 공급하는 솔레노이드 회로는, 애노드 전극이 상기 제1 노드에 접속되고 캐소드 전극이 상기 제1 스위치 단자에 접속되는 제1 다이오드와, 애노드 전극이 상기 제1 스위치 단자에 접속되고 캐소드 전극이 상기 제2 노드에 접속되는 제2 다이오드와, 애노드 전극이 상기 제2 스위치 단자에 접속되고 캐소드 전극이 상기 제2 노드에 접속되는 제3 다이오드와, 애노드 전극이 상기 제1 노드에 접속되고 캐소드 전극이 상기 제2 스위치 전극에 접속되는 SCR 다이오드와, 상기 제2 노드 및 상기 제2 스위치 단자 사이에 접속되는 스토리지 커패시터와, 상기 SCR 다이오드의 게이트 전극과 상기 제2 스위치 단자로 이어지는 전류경로에 형성되는 트랜지스터를 포함한다.

실시 예에 따라, 상기 솔레노이드 회로는, 일단이 제2 노드에 접속되고 타단이 상기 트랜지스터의 제1 전극에 접속되는 제1 저항과, 일단이 상기 트랜지스터의 제1 전극에 접속되고 타단이 상기 제2 스위치 전극에 접속되는 제2 저항을 더 포함할 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 솔레노이드 회로는, 일단이 제3 노드에 접속되고 타단이 상기 트랜지스터의 게이트 전극에 접속되는 제3 저항과, 일단이 상기 트랜지스터의 게이트 전극에 접속되고 타단이 상기 제2 스위치 전극에 접속되는 제4 저항을 더 포함할 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 트랜지스터의 제1 전극은 상기 SCR 다이오드의 게이트 전극에 접속되고, 제2 전극은 상기 제2 스위치 단자에 접속될 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 스토리지 커패시터의 제1 전극은 상기 제3 노드에 접속되고 제2 전극은 상기 제2 스위치 단자에 접속될 수 있다.

실시 예에 따라, 일단이 상기 제2 노드에 접속되고 타단이 상기 제3 노드에 접속되는 제5 저항을 더 포함할 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 제5 저항은 가변 저항으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 솔레노이드 회로에 따르면, 전파 정류된 교류전원을 코일에 공급하여 솔레노이드 동작이 완료되면, 강자성체간의 간격이 충분히 좁아져서 기동할 때보다 적은 전류로도 상태를 유지시킬 수 있기 때문에 초기 동작 상태 이후에는 반파 정류된 교류전원을 공급하여 동작을 유지시킴과 동시에 열의 발생을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 솔레노이드 밸브의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 밸브제어 회로의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 솔레노이드 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 이하에서 설명되는 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다. 그리고 본 발명의 여러 실시 예를 설명함에 있어서, 동일한 기술적 특징을 갖는 구성요소에 대하여는 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 솔레노이드 밸브의 개략적인 블록도이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 솔레노이드 밸브(100)는 유체의 유출이 가능한 밸브 몸체(110)와, 상기 유체의 흐름을 조절하는 밸브제어 회로(120)를 포함한다.

밸브 몸체(110)는 유량을 조절하는 무빙코어부가 존재하며, 무빙코어부의 움직임에 의해 유로를 개방하거나 차단하여 유량을 제어할 수 있다.

밸브제어 회로(120)는 솔레노이드 코일 속의 아마츄어에 형성되는 자기장을 제어하는 회로로서, 교류전원을 공급하는 전원부(122), 상기 교류전원을 공급받아 전파 정류된 전압 또는 반파 정류된 전압을 생성하는 솔레노이드 회로(124), 및 솔레노이드 코일부(126)를 포함한다.

전원부(122)는 제1 및 제2 스위치 단자들(SW1 및 SW2)과, 상기 제1 및 제2 스위치 단자들(SW1 및 SW2)을 통해 외부의 교류전원을 제어부에 제공하는 교류전원 소스(AC)를 포함한다. 여기서, 스위치 단자들(SW1 및 SW2)는 릴레이 또는 반도체 소자 등으로 변경실시 될 수 있다.

솔레노이드 회로(124)는 제1 내지 제3 다이오드들(D1, D2, 및 D3), SCR 다이오드(SCR1), 제1 내지 제5 저항들(R1 내지 R5), 스토리지 커패시터(C1), 및 트랜지스터(TR)를 포함한다.

제1 다이오드(D1)는 애노드 전극이 제1 노드(ND1)에 접속되고, 캐소드 전극이 제1 스위치 단자(SW1)에 접속될 수 있다.

제2 다이오드(D2)는 애노드 전극이 제1 스위치 단자(SW1)에 접속되고, 캐소드 전극이 제2 노드(SW2)에 접속될 수 있다.

제3 다이오드(D3)는 애노드 전극이 제2 스위치 단자(SW2)에 접속되고, 캐소드 전극이 제2 노드(ND2)에 접속될 수 있다.

SCR 다이오드(SCR1)는 애노드 전극이 제1 노드(ND1)에 접속되고, 캐소드 전극이 제2 스위치 단자(SW2)에 접속되고, 게이트 전극이 트랜지스터의 제1 전극(ND1)에 접속될 수 있다.

제1 저항(R1)의 일단은 제2 노드(ND2)에 접속되고, 타단은 트랜지스터(TR)의 제1 전극에 접속될 수 있다.

제2 저항(R2)의 일단은 트랜지스터(TR)의 제1 전극에 접속되고, 타단은 제2 스위치 전극(SW2)에 접속될 수 있다.

제3 저항(R3)의 일단은 제3 노드(ND3)에 접속되고, 타단은 트랜지스터(TR)의 게이트 전극에 접속될 수 있다.

제4 저항(R4)의 일단은 트랜지스터(TR)의 게이트 전극에 접속되고, 타단은 제2 스위치 단자(SW2)에 접속될 수 있다.

제5 저항(R5)의 일단은 제2 노드(ND2)에 접속되고, 타단은 제3 노드(ND3)에 접속될 수 있다. 실시 예에 따라, 제5 저항(R5)은 가변저항 또는 고정저항으로 이루어질 수 있다.

스토리지 커패시터(C1)는 제2 노드(ND2)와 제2 스위치 단자(SW2)로 이어지는 전류경로에 형성될 수 있는데, 제1 전극은 제3 노드(ND3)에 접속되고, 제2 전극은 제2 스위치 단자(SW2)에 접속될 수 있다. 스토리지 커패시터(C1)는 제2 노드(ND2)와 제2 스위치 단자(SW2)에 사이에 흐르는 전류에 의해 충전될 수 있다.

트랜지스터(TR)의 게이트 전극은 제3 및 제4 저항들(R3 및 R4)에 접속되며, 제1 전극은 SCR 다이오드(SCR1)의 게이트 전극에 접속되고, 제2 전극은 제2 스위치 단자(SW2)에 접속될 수 있다. 트랜지스터(TR)는 게이트 전극에 인가되는 전압에 대응하여 제2 스위치 단자(SW2)로부터 SCR 다이오드(SCR1)의 게이트 전극에 공급되는 전류량을 제어할 수 있다. 즉, 트랜지스터(TR)가 게이트 전극에 인가되는 전압에 대응하여 턴-온되면, 제2 스위치 단자(SW2)와 SCR 다이오드(SCR1)의 게이트 전극은 전기적으로 접속될 수 있다.

솔레노이드 코일부(126)의 솔레노이드 코일은 일단이 제1 노드(ND1)에 접속되고, 타단이 제2 노드(ND2)에 접속될 수 있는데, 상기 제1 및 제2 노드들(ND1 및ND2)을 통해 교류전원이 공급됨에 따라 자기장이 형성되어 솔레노이드 내의 아마츄어를 이동시킬 수 있다.

솔레노이트 회로(124)의 동작을 상세히 설명하면, 제1 기간 동안 제1 스위치 단자(SW1)에 양 전위 위상의 교류 전원이 공급되고, 제2 스위치 단자(SW2)에 음 전위 위상의 교류 전원이 공급되는 경우, 전류는 제2 다이오드(D2)를 통해 제2 노드로 흐르고 제5 저항을 통해 스토리지 커패시터(C1)를 충전하고 솔레노이드 코일에도 공급된다.

제1 및 제2 저항들(R1 및 R2)은 제2 노드(ND2)와 제2 스위치 단자(SW2) 사이에 연결되어 있으므로, SCR 다이오드(SCR1)의 게이트 전극의 전위는 캐소드 전극에 인가되는 전위보다 높게 설정된다. 따라서, SCR 다이오드(SCR1)는 전류 경로를 형성하여 솔레노이드 코일을 통해 흐르는 전류를 제2 스위치 단자(SW2)에 제공한다.

이때, 스토리지 커패시터(C1)가 완전히 충전되기 전에는 제4 저항(R4)에 인가되는 전압이 트랜지스터(TR)를 턴-온시키는 전압보다 낮게 설정되므로, 트랜지스터(TR)는 턴-오프 상태를 유지한다. 그리고, 제1 및 제3 다이오드들(D1 및 D3) 각각의 캐소드 전극의 전위는 애노드 전극의 전위보다 높기 때문에 전류가 흐르지 않는다.

제2 기간 동안 제1 스위치 단자(SW1)에 음 전위 위상의 교류전원이 공급되고, 제2 스위치 단자(SW2)에 양 전위 위상의 교류전원이 공급되는 경우, 전류는 제3 다이오드(D3)를 통해 제2 노드(ND2)로 흐르기 때문에 스토리지 커패시터(C1)는 충전되지 않는다. 이때, 스토리지 커패시터(C1)에서 제3 및 제4 저항들(R3 및 R4)로 방전되는 전하량은 제1 기간 동안 충전되는 전하량보다 작게 설정된다.

전류가 제3 다이오드(D3)를 통해 제2 노드(ND2)로 흐르기 때문에 SCR 다이오드(SCR1)의 게이트 전극의 전위는 캐소드 전극에 인가되는 전위보다 낮게 설정된다. 따라서, SCR 다이오드(SCR1)는 전류 경로를 형성하지 않는다.

제2 노드(ND2)에 제공된 전류는 솔레노이드 코일을 경유하여 제1 노드(ND1)를 통해 제1 스위치 단자(SW1)에 제공된다. 이때, 스토리지 커패시터(C1)가 완전히 충전되기 전에는 제4 저항(R4)에 인가되는 전압이 트랜지스터(TR)를 턴-온시키는 전압보다 낮게 설정되므로, 트랜지스터(TR)는 턴-오프 상태를 유지한다. 그리고, 제2 다이오드(D2)의 캐소드 전극의 전위는 애노드 전극의 전위보다 높기 때문에 전류가 흐르지 못한다.

이와 같은 제1 기간과 제2 기간이 반복되는 과정에서 스토리지 커패시터(C1)가 충전되는 경우 제4 저항(R4)에 인가되는 전압이 트랜지스터를 턴-온시키는 전압보다 같거나 높게 설정되어 트랜지스터(TR)를 턴-온시킬 수 있다. 트랜지스터(TR)가 턴-온 되면 SCR 다이오드(SCR1)의 게이트 전극과 캐소드 전극의 전위가 같아져 SCR 다이오드(SCR1)는 전류 경로를 형성하지 않는다.

이후부터 제1 기간 동안에는 SCR 다이오드(SCR1)를 통해 전류가 흐르지 못하게 되어 솔레노이드 코일에 교류전원이 공급되지 않으며, 제2 기간 동안에만 공급될 수 있다. 따라서, 스토리지 커패시터(C1)가 트랜지스터를 턴-온시킬 수 있는 전위로 충전되는 이후부터 솔레노이드 회로(124)는 반파 정류 회로로 동작한다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 솔레노이드 회로(124)는 신속하게 동작하기 위해 교루전원을 전파 정류하여 솔레노이드 코일에 공급하고, 일정기간이 지난 이후에는 교류전원을 반파 정류하여 솔레노이드 코일에 제공함으로써 상대적으로 적은 전력으로 동작된 상태를 유지할 수 있으며, 과열도 억제할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 솔레노이드 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 교류전원 소스로부터 제공되는 교류전원의 파형과 솔레노이드 회로의 동작 과정에서 솔레노이트 코일에 공급되는 전압 파형과 솔레노이드 온도 변화가 도시되어 있다.

제1 그래프(GR1)는 외부에서 공급되는 교류전원의 전압 파형이고, 제2 그래프(GR2)는 종래의 방식에 따라 전파 정류된 교류전원만 솔레노이드 코일로 출력되는 전압 파형을 나타낸다. 정파 정류된 전원은 제1 및 제2 기간들(PD1 및 PD2)동안 교번하여 솔레노이드 코일에 제공된다.

제3 그래프(GR3)는 본 발명의 실시 예에 따른 솔레노이드 회로(124)에 의해 생성된 반파 정류된 교류전원의 전압 파형을 나타낸다. 스토리지 커패시터(C1)가 충전되는 제2 시점(t1) 이후부터 제1 기간(PD1) 동안 솔레노이드 코일에 전원공급이 중단되고, 제2 기간(PD2) 동안에만 반파 정류된 전원이 공급된다.

제4 그래프(GR4)는 솔레노이드의 아마츄어가 동작하는 상태를 나타낸다. 솔레노이드 코일에 전력이 공급되는 제1 시점(t0)부터 솔레노이드 코일에 자기장이 형성되고 아마츄어가 동작을 시작하며, 제2 시점(t1)에 도달하기 전에 아마츄어의 동작은 정상상태에 다다른다.

제5 그래프(GR5)는 전파 정류된 전원이 공급될 때 솔레노이드 코일 온도의 변화와, 반파 정류된 전원이 공급될 때의 솔레노이드 코일 온도의 변화를 나타낸다.

솔레노이드 코일에 전파 정류된 전원이 제1 기간(PD1) 및 제2 기간(PD2) 동안 지속적으로 교번하여 제공되는 경우 제1 솔레노이드 코일의 온도(T1)는 가파른 상태로 상승하게 된다. 반면, 솔레노이드 코일에 반파 정류된 전원이 제2 기간 동안(PD2)에만 제공되는 경우에 제2 솔레노이드 코일의 온도(T2)는 제1 솔레노이드 코일의 온도(T1)보다 낮은 상태로 유지될 수 있다. 즉, 솔레노이드 코일의 온도는 코일에 공급되는 누적된 전력량에 의해 상승하는데, 본 발명의 실시 예에 따른 솔레노이드 회로에 의하면 종래의 솔레노이드 회로보다 상대적으로 크게 낮은 온도로 코일 상태를 유지하며, 장시간 시간이 경과하면 본 발명의 실시 예에 따른 솔레노이드 코일의 온도는 종래의 솔레노이드 코일의 온도의 절반 이하의 상온 온도를 유지할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 솔레노이드 회로(120)에 의하면 교류전원을 반파 정류하여 솔레노이드 코일에 제공함으로써 솔레노이드 코일의 과열을 방지하고 상대적으로 적은 전력으로 안정적으로 구동할 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100: 솔레노이드 밸브
110: 밸브 몸체
120: 밸브 제어 회로
122: 전원부
124: 솔레노이드 회로
126: 솔레노이드 코일부

Claims

제1 및 제2 스위치 단자들로부터 교류전원을 공급받아 전파 정류 또는 반파 정류하여, 일단이 제1 노드에 접속되고 타단이 제2 노드에 접속되는 솔레노이드 코일부에 공급하는 솔레노이드 회로에 있어서,
애노드 전극이 상기 제1 노드에 접속되고 캐소드 전극이 상기 제1 스위치 단자에 접속되는 제1 다이오드;
애노드 전극이 상기 제1 스위치 단자에 접속되고 캐소드 전극이 상기 제2 노드에 접속되는 제2 다이오드;
애노드 전극이 상기 제2 스위치 단자에 접속되고 캐소드 전극이 상기 제2 노드에 접속되는 제3 다이오드;
애노드 전극이 상기 제1 노드에 접속되고 캐소드 전극이 상기 제2 스위치 전극에 접속되는 SCR 다이오드;
상기 제2 노드 및 상기 제2 스위치 단자 사이에 접속되는 스토리지 커패시터; 및
상기 SCR 다이오드의 게이트 전극과 상기 제2 스위치 단자로 이어지는 전류경로에 형성되는 트랜지스터를 포함하는 솔레노이드 회로.
제1항에 있어서,
일단이 제2 노드에 접속되고 타단이 상기 트랜지스터의 제1 전극에 접속되는 제1 저항; 및
일단이 상기 트랜지스터의 제1 전극에 접속되고 타단이 상기 제2 스위치 전극에 접속되는 제2 저항을 더 포함하는 솔레노이드 회로.
제1항에 있어서,
일단이 제3 노드에 접속되고 타단이 상기 트랜지스터의 게이트 전극에 접속되는 제3 저항; 및
일단이 상기 트랜지스터의 게이트 전극에 접속되고 타단이 상기 제2 스위치 전극에 접속되는 제4 저항을 더 포함하는 솔레노이드 회로.
제3항에 있어서,
상기 트랜지스터의 제1 전극은 상기 SCR 다이오드의 게이트 전극에 접속되고, 제2 전극은 상기 제2 스위치 단자에 접속되는 솔레노이드 회로.
제3항에 있어서,
상기 스토리지 커패시터의 제1 전극은 상기 제3 노드에 접속되고 제2 전극은 상기 제2 스위치 단자에 접속되는 솔레노이드 회로.
제3항에 있어서,
일단이 상기 제2 노드에 접속되고 타단이 상기 제3 노드에 접속되는 제5 저항을 더 포함하는 솔레노이드 회로.
제6항에 있어서,
상기 제5 저항은 가변 저항으로 이루어진 솔레노이드 회로.