USB-C заставил 24-VAC клапан слушать меандр вместо синуса
У клапана для полива есть железный сердечник, пружина и катушка. Пока сердечник снаружи, магнитной цепи не хватает замыкания, индуктивность мала, а катушка требует большой бросок тока. После втягивания сердечника ток должен заметно упасть, иначе медь начнёт греть пластиковый корпус. Переменное питание 24 VAC десятилетиями обеспечивало этот режим почти само собой: ток ограничивают сопротивление и индуктивное сопротивление катушки, а постоянная составляющая магнитного поля отсутствует.
Катушка сама фильтрует резкие фронты
В OpenSprinkler решили подключить такую нагрузку к USB-C PD без сетевого трансформатора и без полноценного синусоидального инвертора. Прототип запросил у USB-PD адаптера 20 В при мощности до 35 Вт, поставил между шиной и катушкой дискретный H-мост, а полярность стал переключать с частотой в десятки герц. Верхние плечи собраны на P-MOSFET AO3407, нижние — на N-MOSFET AO3400; ток смотрят по шунту 1 Ω. Управляет мостом ESP8266, а dead time задан программно.
У меандра напряжение на катушке резко прыгает от +20 до −20 В. Ток так прыгнуть не может: энергия магнитного поля удерживает его непрерывным, поэтому R-L цепь превращает прямоугольник напряжения в сравнительно плавный ток. Реверс полярности убирает DC-подмагничивание, а частота становится ручкой, которой регулируют RMS-ток. Для тестового Orbit-соленоида автор измерил около 35 Ω и оценил индуктивность во втянутом состоянии примерно в 305 мГн. Простая модель дала рабочую область около 43.7 Гц.
Частота вместо синусоидального инвертора
На стенде удачной точкой стали 45 Гц. При ±20 В и втянутом плунжере соленоид потреблял 166 мА RMS; авторская оценка для обычного 24-VAC питания того же клапана составляет около 165 мА RMS. На 40 Гц ток вырос до 191 мА, на 50 Гц упал примерно до 148 мА. При принудительно выдвинутом плунжере и 40 Гц зарегистрированы 482 мА RMS и пик около 568 мА: именно такой стартовый режим нужен, чтобы сердечник начал движение. В захвате осциллографа втягивание занимает 20–30 мс.
Похожая проверка на контакторе Furnas 45EG20AJ дала 329 мА RMS при 45 Гц, практически рядом с оценёнными 330 мА от трансформатора 24 VAC. Это интересный инженерный ответ на вопрос, который обычно прячется за словом «совместимость». Клапану требуется чередующееся магнитное поле, нужная динамика тока до и после pull-in и приемлемый нагрев катушки. Точно нарисованная синусоида сама по себе этих свойств не гарантирует.
Рабочая точка найдена, универсального рецепта нет
Результат пока относится к одному Orbit-соленоиду и одному контактору. В материале нет тепловых и ресурсных испытаний, проверки EMI, длинного кабеля или внешних защит H-моста от выбросов. Частота 45 Гц также не универсальна: она следует из конкретных R и L, которые меняются с положением сердечника и конструкцией устройства. Зато опыт хорошо показывает путь для перехода старых клапанов, реле и приводов на общую DC-шину: сначала измерить электромеханическую нагрузку, затем синтезировать для неё необходимый режим возбуждения.