KR102475702B1 - 솔레노이드 밸브의 제어 회로 - Google Patents

솔레노이드 밸브의 제어 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로는 인덕터 및 상기 인덕터와 직렬로 연결된 내부 저항을 포함하고, 일측이 전원의 양의 단자와 연결되는 솔레노이드 밸브의 제어 회로에 관한 것으로써, 드레인이 상기 솔레노이드 밸브의 타측의 직렬로 연결되고, 소스가 상기 전원의 음의 단자와 연결되는 제 1모스펫; 캐소드가 상기 전원의 양의 단자와 연결되는 다이오드; 드레인이 상기 솔레노이드 밸브의 타측과 연결되고, 소스가 상기 다이오드의 애노드와 연결되는 제 2모스펫; 일측이 상기 솔레노이드 밸브의 타측 및 상기 제 1모스펫 사이의 제 1노드와 연결되고, 타측이 상기 다이오드의 애노드 및 상기 제 2모스펫 사이의 제 2노드와 연결되는 제 1저항; 및 일측이 상기 전원의 양의 단자와 연결되고, 타측이 상기 제 2노드와 연결되는 커패시터;를 포함한다.

Description

솔레노이드 밸브의 제어 회로{CONTROL CIRCUIT FOR SOLENOID VALVE}
본 발명은 솔레노이드 밸브의 제어 회로에 관한 것으로써, 구체적으로는 솔레노이드 밸브에 형성된 자기장의 소멸을 위하여 인덕터에 저장된 에너지를 빠르게 소비하도록 구성된 솔레노이드 밸브의 제어 회로에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 전자제어 제동장치 및 현가장치 등의 차량의 자세와 브레이크 시스템에 관한 전자제어장치(Electrical Control Unit: ECU)가 구비되어 있다. 한편, 상기 차량에는 다수의 유압 장치가 설치되며, 상기 유압 장치에는 상기 전자제어장치에 의해 작동이 제어되는 솔레노이드 밸브가 설치된다.
이러한 솔레노이드 밸브의 온(on)/오프(off)를 제어함으로써, 유압 장치로부터 차량에 구비된 각종 구동 장치로 공급되는 유체의 양을 조절하게 되는데, 솔레노이드 밸브는 코일과 내부 저항으로 구성되어 있다. 원하는 시간에 솔레노이드 밸브에 형성된 자기장을 소멸시키기 위해서는 솔레노이드 밸브에 포함된 코일에 흐르는 전류가 특정값 이하가 되어야 한다.
원하는 시간에 솔레노이드 밸브에 형성된 자기장을 소멸시키기 위해서는 코일, 즉 인덕터의 전류를 빠른 속도로 감소시켜야 한다. 즉, 제어하는 동한 인덕터에 충전된 에너지를 빠른 속도로 소비하여야 한다.
하기 선행문헌은 솔레노이드 밸브 구동시 솔레노이드 밸브의 배터리 그라운드 단락을 검출하여 단락시 전류가 흐르는 것을 차단되도록 할 수 있는 솔레노이드 밸브의 전자제어장치에 관한 것으로써, 본 발명의 기술적 요지는 포함하고 있지 않다.
한국공개특허공보 제10-2009-0058782호
본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로는 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
솔레노이드 밸브의 오프 제어시 솔레노이드 밸브에 포함된 인덕터의 충전 에너지를 빠른 시간내에 소모함으로써 솔레노이드 밸브의 응답성을 향상시킬 수 있는 솔레노이드 밸브의 제어 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로는 인덕터 및 상기 인덕터와 직렬로 연결된 내부 저항을 포함하고, 일측이 전원의 양의 단자와 연결되는 솔레노이드 밸브의 제어 회로에 관한 것으로써, 드레인이 상기 솔레노이드 밸브의 타측의 직렬로 연결되고, 소스가 상기 전원의 음의 단자와 연결되는 제 1모스펫; 캐소드가 상기 전원의 양의 단자와 연결되는 다이오드; 드레인이 상기 솔레노이드 밸브의 타측과 연결되고, 소스가 상기 다이오드의 애노드와 연결되는 제 2모스펫; 일측이 상기 솔레노이드 밸브의 타측 및 상기 제 1모스펫 사이의 제 1노드와 연결되고, 타측이 상기 다이오드의 애노드 및 상기 제 2모스펫 사이의 제 2노드와 연결되는 제 1저항; 및 일측이 상기 전원의 양의 단자와 연결되고, 타측이 상기 제 2노드와 연결되는 커패시터;를 포함한다.
일측이 상기 전원의 양의 단자와 연결되고, 타측이 상기 제 2모스펫의 게이트와 연결되는 제 2저항;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
일측이 상기 제 2노드와 연결되고, 타측이 상기 제 2저항 및 상기 제 2모스펫의 게이트 사이의 제 3노드와 연결되는 제 3저항;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제 1모스펫의 게이트에 인가되는 펄스 폭 변조 신호에 기초하여 상기 솔레노이드 밸브의 개폐가 제어되는 것이 바람직하다.
상기 펄스 폭 변조 신호의 인가가 중단되는 경우, 상기 제 2모스펫이 온 상태에 있다가 미리 설정된 시간 경과 후 오프 상태가 되는 것이 바람직하다.
상기 제 2모스펫의 온/오프 상태는 상기 커패시터 양단 전압의 변화에 기초하여 변동되는 것이 바람직하다.
상기 제 1모스펫의 게이트에 인가되는 펄스 폭 변조 신호의 인가가 중단되는 경우, 상기 제 2모스펫은 온 상태에 있다가 미리 설정된 시간 경과 후 오프 상태가 되고, 상기 미리 설정된 시간은 상기 제 2저항, 제 3저항 및 상기 커패시터의 값에 기초하여 결정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로는 추가로 삽입된 저항에서의 전력 소모를 이용하여 더 빠르게 인덕터의 충전 에너지를 소모시킴으로써 솔레노이드 밸브의 응답성을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 솔레노이드 밸브의 제어 회로를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로에서, 제 2모스펫이 온(On) 상태인 경우의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로에서, 제 2모스펫이 오프(Off) 상태인 경우의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로에서, 시간에 따른 인덕터의 전류 변화를 도시한 그래프이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로를 설명하기 전에, 우선 도 1을 참조하여 종래의 솔레노이드 밸브의 제어 회로에 대하여 설명하도록 한다. 도 1은 종래의 솔레노이드 밸브의 제어 회로가 도시된 도면이다.
종래의 솔레노이드 밸브의 제어 회로는, 도 1에 도시된 바와 같이 코일과 내부 저항으로 구성된 솔레노이드 밸브에 환류 다이오드(freewheeling diode)가 병렬로 연결되고, 또한 솔레노이드 밸브에 모스펫(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: MOSFET)이 직렬로 연결된다. 솔레노이드 밸브는 모스펫(MOSFET)의 게이트(Gate)에 펄스폭 변조 신호(Pulse Width Modulation Signal: PWM Signal)를 인가하여 코일에 흐르는 전류가 특정값 이상이 되도록 함으로써, 솔레노이드 밸브에 자기장이 형성되도록 한다. 반대로, 솔레노이드 밸브에 형성된 자기장의 소멸은 모스펫의 게이트에 신호 인가를 중단하여 코일에 흐르는 전류가 특정값 미만이 되도록 함으로써 이루어진다. 이 경우, 코일, 즉 인덕터에 저장된 에너지가 빠른 속도로 소모되어야 인덕터를 흐르는 전류가 빠른 속도로 감소할 수 있게 되어 빠른 응답성을 담보할 수 있는데, 도 1의 경우 솔레노이드 밸브의 내부 저항 및 다이오드에 의해서만 인덕터에 저장된 에너지가 소비된다. 따라서, 솔레노이드 밸브에 형성된 자기장이 소멸되는데 까지 걸리는 시간(Cut off time)이 길어지게 되며, 이로 인하여 원하는 제어 성능을 확보하기 어렵다는 문제가 발생하게 된다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로를 제안하게 되었으며, 이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로의 구성들을 구체적으로 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로는, 인덕터(L) 및 인덕터(L)와 직렬로 연결된 내부 저항(Rsol)을 포함하고, 일측이 전원의 양의 단자(VDD)와 연결되는 솔레노이드 밸브(100)의 제어 회로에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브(100)의 제어 회로는 도 1에 도시된 바와 같이 제 1모스펫(200), 다이오드(D), 제 2모스펫(300), 제 1저항(R) 및 커패시터(C)를 포함하도록 구성된다.
제 1모스펫(200)은 드레인(Drain)이 솔레노이드 밸브(100)의 타측과 직렬로 연결되고, 소스(Source)는 전원의 음의 단자, 즉 그라운드(GND)와 연결된다. 솔레노이드 밸브(100)에 자기장이 형성되도록 제어할 경우, 제 1모스펫(200)의 게이트(Gate)에 펄스 폭 변조 신호를 인가하게 되며, 솔레노이드 밸브(100)에 형성된 자기장을 소멸시킬 경우에는 제 1모스펫(200)의 게이트에 인가되는 신호를 차단하게 된다.
다이오드(D)는 캐소드(Cathod)가 전원의 양의 단자(VDD)와 연결되도록 함으로써, 환류 다이오드로서의 기능을 수행하도록 배치된다. 제 2모스펫(300)은 드레인이 솔레노이드 밸브(100)의 타측과 연결되고, 소스는 다이오드(D)의 애노드(Anode)와 연결되도록 배치된다. 한편, 제 1저항(R)의 경우, 일측은 솔레노이드 밸브(100)의 타측과 제 1모스펫(200) 사이에 형성된 제 1노드(410)에 연결되고, 타측은 다이오드(D)의 애노드와 제 2모스펫(300) 사이에 형성된 제 2노드(420)에 연결된다. 커패시터(C)는 일측이 전원의 양의 단자(VDD)와 연결되고, 타측이 제 2노드(420)와 연결되도록 배치된다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로는 제 2저항(R1) 및 제 3저항(R2)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 구체적으로 제 2저항(R1)은 일측이 전원의 양의 단자(VDD)와 연결되고, 타측이 제 2모스펫(300)의 게이트(Gate)와 연결되도록 배치된다. 제 3저항(R2)은 일측이 상술한 제 2노드(420)와 연결되고, 타측은 제 2저항(R1)과 제 2모스펫(300)의 게이트 사이에 형성된 제 3노드(430)와 연결되도록 배치된다.
이하, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로의 구성에 대한 설명 및 도 3, 도 4를 참조하여 제 1모스펫(200)의 게이트에 펄스 폭 변조신호의 인가를 중단한 시점, 즉 제 1모스펫(200)이 오프된 시점부터 제 2모스펫(300)이 오프(Off)되는 시점까지의 인덕터 내부의 전류 변화 등에 대하여 설명하도록 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로에서, 제 2모스펫이 온(On) 상태인 경우의 전류 흐름을 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 등가 회로를 도시한 도면이다.
상술한 바와 같이, 제 1모스펫(200)의 게이트에 인가되는 펄스 폭 변조 신호에 기초하여 솔레노이드 밸브(100)의 개폐, 즉 솔레노이드 밸브(100)에서의 자기장 형성이 제어되는데, 솔레노이드 밸브(100)에 형성된 자기장을 소멸시키기 위하여 제 1모스펫(200)의 게이트에 신호의 인가를 중단하게 되면, 제 1모스펫(200)이 오프(Off) 상태가 된다. 한편, 제 1모스펫(200)이 오프 상태가 되기 전까지 커패시터(C)에는 전하가 충전되게 되고, 제 1모스펫(200)이 오프 상태가 되는 경우, 커패시터(C)의 양단의 초기 전압(VCO)은 전원의 전압의 2배 정도, 즉 2*VDD가 된다. 이 경우, 제 2모스펫(300)의 게이트 및 소스 사이의 전압(VGS)은 하기 수식으로 정의될 수 있다.
Figure 112016068838936-pat00001
제 2모스펫(300)이 온(On) 상태가 되기 위해서는 VGS가 기준 전압인 VGSth 보다 커야 하며, 상기 수학식 1에서와 같이 VGS는 시간 경과에 따라 줄어들게 되므로, 제 1모스펫(200)이 오프(Off)된 이후, 제 2모스펫(300)이 오프(Off)되는 시간인 t1은 상기 수학식 1로부터 다음과 같이 유도될 수 있다.
Figure 112016068838936-pat00002
상기 수학식 2에서 살펴본 바와 같이, 결국 제 2모스펫(300)은 별도의 제어 없이 시간 경과 후 온 상태에서 오프 상태로 자동으로 전환하게 된다. 또한, t1은 커패시턴스에 비례하므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브 제어 회로에서 커패시턴스를 조절하게 되면 t1을 용이하게 조절할 수 있다.
한편, 제 2모스펫(300)이 오프(Off)되는 시간에서의 인덕터(L)에 흐르는 전류(IL0)는 다음 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure 112016068838936-pat00003
여기서, I는 제 1모스펫(200)을 오프하는 시점에서의 인덕터(L)에 흐르는 전류값을 의미하고, RDSON은 제 2모스펫(300)의 드레인과 소스 사이의 저항값이다.
t1의 시간이 경과한 이후, 제 2모스펫(300)은 오프되게 되고, 이하에서는 제 2모스펫(300)이 오프된 시점부터의 인덕터(L)에 흐르는 전류 변화 등에 대하여 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하도록 한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로에서, 제 2모스펫이 오프(Off) 상태인 경우의 전류 흐름을 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 등가 회로를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로에서 제 1모스펫(200)을 오프시킨 시점에서 t1이 경과하게 되면, 상술한 바와 같이 제 2모스펫(300)이 오프되게 되므로, 인덕터(L)를 흐르는 전류는 도 5에 도시된 바와 같이 제 1저항(R)쪽으로 흐르게 된다. 이러한 경우 도 6과 같은 등가 회로로 표현될 수 있으며, 이 때 인덕터(L)를 흐르는 전류 IL은 하기 수학식 4로 정의될 수 있다.
Figure 112016068838936-pat00004
한편, 제 2모스펫(300)이 오프된 시점으로부터 솔레노이드 밸브(100)가 완전히 폐쇄되는 시점까지의 시간인 t2를 수학식 4를 이용하여 유도하면 다음과 같다.
Figure 112016068838936-pat00005
여기에서 Icut은 솔레노이드 밸브(100)에 형성된 자기장이 완전히 소멸되는 시점에서 인덕터(L)에 흐르는 전류값이다.
t2는 제 1저항(R)의 값에 반비례함을 수학식 5를 통하여 확인할 수 있으며, 따라서 솔레노이드 밸브(100)의 컷 오프 시간(Cut off time)을 줄이기 위해서는 제 1저항(R)을 크게 하는 것이 바람직하다. 다만, 제 1저항(R)에서 전력을 소비할 경우, 제 1모스펫(200)의 드레인 및 소스 간의 전압(VL _ DS)이 고려되어야 하며, 제 1모스펫(200)의 드레인 및 소스 간의 전압(VL_DS)은 하기 수학식 6과 같이 정의된다.
Figure 112016068838936-pat00006
상술한 바와 같이 제 1저항(R)의 값을 크게 할 수록 솔레노이드 밸브(100)의 응답성이 향상될 수 있으나, 수학식 6에서의 제 1모스펫(200)의 드레인 및 소스 간의 전압(VL _ DS)이 고려되어야 하므로, 제 1저항(R)의 값은 아래 수학식 7의 조건을 만족하도록 결정하여야 할 것이다.
Figure 112016068838936-pat00007
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 밸브의 제어 회로에서 시간 경과에 따른 인덕터(L)의 전류 변화를 앞서 설명한 내용 및 도 7을 참조하여 종합적으로 설명하도록 한다.
먼저 제 1모스펫(200)에 펄스폭 변조신호의 인가를 중단함으로써 PWM 제어를 오프하게 되면, 제 2모스펫(300)은 온 상태가 되고, 커패시터(C)에 충전된 전하 또한 동시에 방전되면서 인덕터(L)에 흐르는 전류량은 제 1영역과 같이 감소하게 된다. 커패시터(C)의 방전에 의하여 t1의 시간이 경과한 후에는 제 2모스펫(300)은 오프 상태가 되는데, 이때의 t1은 커패시터(C)의 커패시턴스에 비례한다.
이후 인덕터(L)에 흐르는 전류량은 도 7에서의 제 2영역과 같이 감소하게 되고, t2의 시간이 경과되게 되면 솔레노이드 밸브(100)에 형성된 자기장은 소멸된다. 이때 t2는 제 1저항(R)의 크기에 반비례하게 된다.
결국, 솔레노이드 밸브의 컷아웃 시간(Cut out time) 아래 수식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016068838936-pat00008
단,
Figure 112016068838936-pat00009
상기 수학식 8에서 확인할 수 있는 바와 같이, 솔레노이드 밸브의 컷 아웃 타임을 제 1저항(R)의 값 및 커패시터(C)의 커패시턴스의 변경을 통하여 적절히 조절할 수 있으며, 이를 통하여 좀 더 빠른 솔레노이드 밸브의 응답성을 담보할 수 있게 된다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 솔레노이드 밸브 200: 제 1모스펫
300: 제 2모스펫 L: 인덕터
Rsol: 내부 저항 R: 제 1저항
R1: 제 2저항 R3: 제 3저항
D: 다이오드 C: 커패시터

Claims (7)

  1. 인덕터 및 상기 인덕터와 직렬로 연결된 내부 저항을 포함하고, 일측이 전원의 양의 단자와 연결되는 솔레노이드 밸브의 제어 회로에 있어서,
    드레인이 상기 솔레노이드 밸브의 타측과 직렬로 연결되고, 소스가 상기 전원의 음의 단자와 연결되는 제 1모스펫;
    캐소드가 상기 전원의 양의 단자와 연결되는 다이오드;
    드레인이 상기 솔레노이드 밸브의 타측과 연결되고, 소스가 상기 다이오드의 애노드와 연결되는 제 2모스펫;
    일측이 상기 솔레노이드 밸브의 타측 및 상기 제 1모스펫 사이의 제 1노드와 연결되고, 타측이 상기 다이오드의 애노드 및 상기 제 2모스펫 사이의 제 2노드와 연결되는 제 1저항; 및
    일측이 상기 전원의 양의 단자와 연결되고, 타측이 상기 제 2노드와 연결되는 커패시터;
    를 포함하는 솔레노이드 밸브의 제어 회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    일측이 상기 전원의 양의 단자와 연결되고, 타측이 상기 제 2모스펫의 게이트와 연결되는 제 2저항;
    을 더 포함하는 솔레노이드 밸브의 제어 회로.
  3. 제 2항에 있어서,
    일측이 상기 제 2노드와 연결되고, 타측이 상기 제 2저항 및 상기 제 2모스펫의 게이트 사이의 제 3노드와 연결되는 제 3저항;
    을 더 포함하는 솔레노이드 밸브의 제어 회로.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1모스펫의 게이트에 인가되는 펄스 폭 변조 신호에 기초하여 상기 솔레노이드 밸브의 개폐가 제어되는 솔레노이드 밸브의 제어 회로.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 펄스 폭 변조 신호의 인가가 중단되는 경우, 상기 제 2모스펫이 온 상태에 있다가 미리 설정된 시간 경과 후 오프 상태가 되는 솔레노이드 밸브의 제어 회로.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2모스펫의 온/오프 상태는 상기 커패시터 양단 전압의 변화에 기초하여 변동되는 솔레노이드 밸브의 제어 회로.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1모스펫의 게이트에 인가되는 펄스 폭 변조 신호의 인가가 중단되는 경우, 상기 제 2모스펫은 온 상태에 있다가 미리 설정된 시간 경과 후 오프 상태가 되고,
    상기 미리 설정된 시간은 상기 제 2저항, 제 3저항 및 상기 커패시터의 값에 기초하여 결정되는 솔레노이드 밸브의 제어 회로.
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