Aktuator Solenoid Linier dan Solenoid Rotary
Tipe lain dari aktuator elektromagnetik yang mengubah sinyal listrik menjadi medan magnet yang menghasilkan gerakan linier disebut Solenoid Linear.
Solenoida linier bekerja pada prinsip dasar yang sama dengan Relay Elektromekanis yang terlihat pada tutorial sebelumnya dan seperti halnya relai, solenoida juga dapat diaktifkan dan dikendalikan menggunakan Transistor atau MOSFET. Solenoid Linier adalah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi tenaga atau gerak atau gerak tarikan mekanis.
Solenoid linier pada dasarnya terdiri dari gulungan lilitan listrik di sekitar tabung silinder dengan aktuator feromagnetik atau "plunger" yang bebas untuk bergerak atau meluncur "IN" dan "OUT" dari tubuh gulungan.
Solenoida dapat digunakan untuk secara elektrik membuka pintu dan kait, membuka atau menutup katup, menggerakkan dan mengoperasikan robot anggota gerak dan mekanisme, dan bahkan menggerakkan sakelar listrik hanya dengan memberi energi pada kumparannya.
Solenoida tersedia dalam berbagai format dengan tipe yang lebih umum adalah solenoid linier yang juga dikenal sebagai aktuator elektromekanis linier, (LEMA) dan solenoida putar (rotary).
Kedua jenis solenoid, linier dan rotasi tersedia sebagai holding (terus-menerus diberi energi) atau sebagai tipe kait (pulsa ON-OFF) dengan jenis kait yang digunakan baik dalam aplikasi yang diberi energi maupun daya. Solenoid linier juga dapat dirancang untuk kontrol gerakan proporsional karena posisi pendorong sebanding dengan input daya.
Ketika arus listrik mengalir melalui konduktor ia menghasilkan medan magnet, dan arah medan magnet ini berkaitan dengan Kutub Utara dan Selatan ditentukan oleh arah aliran arus di dalam kawat. Gulungan kawat ini menjadi " Elektromagnet " dengan kutub utara dan selatannya sendiri persis sama dengan magnet tipe permanen.
Kekuatan medan magnet ini dapat ditingkatkan atau dikurangi dengan mengontrol jumlah arus yang mengalir melalui coil atau dengan mengubah jumlah belokan atau loop yang dimiliki coil. Contoh "Electromagnet" diberikan di bawah ini.
Ketika arus listrik dilewatkan melalui gulungan kumparan coil, ia berperilaku seperti elektromagnet dan plunger, yang terletak di dalam coil, tertarik ke pusat coil dengan pengaturan fluks magnetik di dalam tubuh coil, yang pada gilirannya menekan pegas kecil menempel di salah satu ujung pendorong. Gaya dan kecepatan gerakan plungers ditentukan oleh kekuatan fluks magnet yang dihasilkan di dalam coil.
Ketika arus supply dimatikan "OFF" (tidak diberi energi) medan elektromagnetik yang dihasilkan sebelumnya oleh coil runtuh dan energi yang disimpan dalam pegas terkompresi memaksa pendorong kembali ke posisi istirahat semula. Gerakan bolak-balik dari plunger ini dikenal sebagai solenoid "Stroke", dengan kata lain jarak maksimum yang bisa dilakukan plunger dalam arah "IN" atau "OUT", misalnya, 0 - 30mm.
Dan "tipe push" yang bertindak dalam arah yang berlawanan mendorongnya menjauh dari dirinya sendiri ketika diberi energi. Kedua jenis dorong dan tarikan umumnya dibangun sama dengan perbedaan berada di lokasi pegas kembali dan desain plunger.
Solenoid linier digunakan dalam banyak aplikasi yang membutuhkan gerakan tipe terbuka atau tertutup (masuk atau keluar) seperti kunci pintu yang diaktifkan secara elektronik, katup kontrol pneumatik atau hidrolik, robot, manajemen mesin otomotif, katup irigasi untuk menyirami taman dan bahkan "Ding-Dong” bel pintu ada satu. Mereka tersedia sebagai bingkai terbuka, bingkai tertutup atau tipe tubular tertutup.
Rotary solenoid dapat digunakan untuk menggantikan motor DC kecil atau motor stepper karena gerakan sudutnya sangat kecil dengan sudut rotasi menjadi sudut yang digerakkan dari posisi awal ke posisi akhir.
Solenoida putar yang umum tersedia memiliki gerakan 25, 35, 45, 60 dan 90° serta beberapa gerakan ke dan dari sudut tertentu seperti pemulihan posisi-2 posisi atau kembali ke rotasi nol, misalnya 0 hingga 90- ke-0°, pemulihan posisi-3, misalnya 0° hingga + 45° atau 0° hingga -45° serta penguncian posisi-2.
Rotary solenoida menghasilkan gerakan rotasi ketika energi, de-energized, atau perubahan dalam polaritas medan elektromagnetik mengubah posisi rotor magnet permanen. Konstruksi mereka terdiri dari gulungan coil listrik di sekitar kerangka baja dengan plat magnetik yang terhubung ke poros output yang diposisikan di atas coil.
Ketika coil diberi energi, medan elektromagnetik menghasilkan beberapa kutub utara dan selatan yang mengusir kutub magnet permanen yang berdekatan dari piringan atau plat sehingga menyebabkannya berputar pada sudut yang ditentukan oleh konstruksi mekanis solenoid putar.
Rotary solenoida digunakan dalam mesin penjual otomatis atau game, kontrol katup, shutter kamera dengan kecepatan tinggi khusus, daya rendah atau solenoida pemosisian variabel dengan kekuatan tinggi atau torsi tersedia seperti yang digunakan pada printer dot matrix, mesin tik, mesin otomatis atau aplikasi otomotif dll..
Solenoida tipe DC kecil dapat dengan mudah dikontrol menggunakan sakelar Transistor atau MOSFET dan sangat ideal untuk digunakan dalam aplikasi robot.
Namun, seperti yang kita lihat sebelumnya dengan relay elektromekanis, solenoida linier adalah perangkat "induktif" sehingga beberapa bentuk perlindungan listrik dipergulungann di seluruh kumparan coil solenoid untuk mencegah tegangan ggl-balik tinggi dari kerusakan pada perangkat switching semikonduktor. Dalam hal ini standar "Dioda Flywheel" digunakan, tetapi Anda bisa menggunakan dioda zener atau varistor bernilai kecil.
Dengan kata lain ketika dihubungkan untuk waktu yang lama ke supply listrik mereka menjadi panas!, dan semakin lama waktu daya diterapkan pada kumparan coil solenoid, kumparan akan menjadi semakin panas. Juga saat coil memanas, hambatan listriknya juga berubah sehingga memungkinkan lebih banyak arus mengalir yang meningkatkan suhunya.
Dengan input tegangan kontinu diterapkan pada coil, coil solenoida tidak memiliki kesempatan untuk mendinginkan karena daya input selalu menyala. Untuk mengurangi efek pemanasan yang dihasilkan sendiri ini, perlu untuk mengurangi jumlah waktu coil diberi energi atau mengurangi jumlah arus yang mengalir melaluinya.
Salah satu metode mengkonsumsi lebih sedikit arus adalah dengan menerapkan tegangan yang cukup tinggi yang sesuai untuk coil solenoid sehingga memberikan medan elektromagnetik yang dipergulungan untuk mengoperasikan dan mendudukkan plunger, tetapi kemudian diaktifkan untuk mengurangi tegangan supply kumparan coil ke level yang cukup untuk mempertahankan plunger, dalam posisi duduk atau terkunci.
Salah satu cara untuk mencapai ini adalah dengan menghubungkan resistor “holding” yang cocok secara seri dengan coil solenoida, misalnya:
Di sini, kontak sakelar ditutup korsleting resistansi dan melewati arus supply penuh langsung ke gulungan coil solenoid. Setelah memberi energi pada kontak yang dapat dihubungkan secara mekanis ke aksi pleno solenoida terbuka yang menghubungkan Resistor Holding, RH secara seri dengan coil solenoida. Ini secara efektif menghubungkan resistor secara seri dengan coil.
Dengan menerapkan metode ini, solenoida bisa dihubungkan ke supply tegangannya tanpa batas (siklus tugas kontinu) karena daya yang dikonsumsi oleh coil dan panas yang dihasilkan sangat berkurang, yang dapat mencapai 85 hingga 90% menggunakan resistor daya yang sesuai. Namun, daya yang dikonsumsi oleh resistor juga akan menghasilkan sejumlah panas, I2R (Hukum Ohm) dan ini juga perlu diperhitungkan.
Siklus intermiten berarti bahwa coil berulang kali dinyalakan "ON" dan "OFF" pada frekuensi yang sesuai untuk mengaktifkan mekanisme pendorong tetapi tidak memungkinkannya untuk tidak memberikan energi selama periode OFF dari bentuk gelombang. Pergantian siklus intermiten adalah cara yang sangat efektif untuk mengurangi daya total yang dikonsumsi oleh coil.
Siklus kerja (í) dari solenoid adalah bagian dari waktu "ON" di mana solenoid diberi energi dan merupakan rasio waktu "ON" dengan total waktu "ON" dan "OFF" untuk satu siklus lengkap dari operasi. Dengan kata lain, waktu siklus sama dengan waktu switched-ON plus waktu switched-OFF. Siklus kerja dinyatakan sebagai persentase, misalnya:
Kemudian jika solenoida diaktifkan "ON" atau diberi energi selama 30 detik dan kemudian beralih "OFF" selama 90 detik sebelum kembali diberi energi lagi, satu siklus lengkap, total waktu siklus "ON/OFF" akan menjadi 120 detik, (30 +90) sehingga siklus kerja solenoida akan dihitung 30/120 detik atau 25%.
Ini berarti bahwa Anda dapat menentukan waktu sakelar-ON maksimum solenoida jika Anda mengetahui nilai-nilai siklus tugas dan waktu sakelar-OFF.
Misalnya, waktu sakelar-OFF sama dengan 15 detik, siklus kerja sama dengan 40%, oleh karena itu waktu sakelar-ON sama dengan 10 detik. Solenoida dengan Siklus Tugas terukur 100% berarti bahwa ia memiliki peringkat tegangan kontinu dan karena itu dapat dibiarkan "ON" atau terus menerus diberi energi tanpa terlalu panas atau rusak.
Dalam tutorial ini tentang solenoida, kita telah melihat baik Solenoid Linier dan Solenoid Rotary sebagai aktuator elektromekanis yang dapat digunakan sebagai perangkat output untuk mengontrol proses fisik.
Dalam tutorial berikutnya kita akan melanjutkan melihat perangkat output yang disebut Aktuator, dan yang mengubah sinyal listrik menjadi gerakan rotasi yang sesuai lagi menggunakan elektromagnetisme. Jenis perangkat output yang akan kita lihat dalam tutorial berikutnya adalah Motor DC.
Solenoida linier bekerja pada prinsip dasar yang sama dengan Relay Elektromekanis yang terlihat pada tutorial sebelumnya dan seperti halnya relai, solenoida juga dapat diaktifkan dan dikendalikan menggunakan Transistor atau MOSFET. Solenoid Linier adalah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi tenaga atau gerak atau gerak tarikan mekanis.
Solenoid linier pada dasarnya terdiri dari gulungan lilitan listrik di sekitar tabung silinder dengan aktuator feromagnetik atau "plunger" yang bebas untuk bergerak atau meluncur "IN" dan "OUT" dari tubuh gulungan.
Solenoida dapat digunakan untuk secara elektrik membuka pintu dan kait, membuka atau menutup katup, menggerakkan dan mengoperasikan robot anggota gerak dan mekanisme, dan bahkan menggerakkan sakelar listrik hanya dengan memberi energi pada kumparannya.
Solenoida tersedia dalam berbagai format dengan tipe yang lebih umum adalah solenoid linier yang juga dikenal sebagai aktuator elektromekanis linier, (LEMA) dan solenoida putar (rotary).
Kedua jenis solenoid, linier dan rotasi tersedia sebagai holding (terus-menerus diberi energi) atau sebagai tipe kait (pulsa ON-OFF) dengan jenis kait yang digunakan baik dalam aplikasi yang diberi energi maupun daya. Solenoid linier juga dapat dirancang untuk kontrol gerakan proporsional karena posisi pendorong sebanding dengan input daya.
Ketika arus listrik mengalir melalui konduktor ia menghasilkan medan magnet, dan arah medan magnet ini berkaitan dengan Kutub Utara dan Selatan ditentukan oleh arah aliran arus di dalam kawat. Gulungan kawat ini menjadi " Elektromagnet " dengan kutub utara dan selatannya sendiri persis sama dengan magnet tipe permanen.
Kekuatan medan magnet ini dapat ditingkatkan atau dikurangi dengan mengontrol jumlah arus yang mengalir melalui coil atau dengan mengubah jumlah belokan atau loop yang dimiliki coil. Contoh "Electromagnet" diberikan di bawah ini.
Medan Magnet yang diproduksi oleh Coil
Ketika arus listrik dilewatkan melalui gulungan kumparan coil, ia berperilaku seperti elektromagnet dan plunger, yang terletak di dalam coil, tertarik ke pusat coil dengan pengaturan fluks magnetik di dalam tubuh coil, yang pada gilirannya menekan pegas kecil menempel di salah satu ujung pendorong. Gaya dan kecepatan gerakan plungers ditentukan oleh kekuatan fluks magnet yang dihasilkan di dalam coil.
Ketika arus supply dimatikan "OFF" (tidak diberi energi) medan elektromagnetik yang dihasilkan sebelumnya oleh coil runtuh dan energi yang disimpan dalam pegas terkompresi memaksa pendorong kembali ke posisi istirahat semula. Gerakan bolak-balik dari plunger ini dikenal sebagai solenoid "Stroke", dengan kata lain jarak maksimum yang bisa dilakukan plunger dalam arah "IN" atau "OUT", misalnya, 0 - 30mm.
Konstruksi Solenoid Linier
Jenis solenoida ini umumnya disebut Solenoid Linier karena gerakan directional linear dan aksi plunger. Solenoida linier tersedia dalam dua konfigurasi dasar yang disebut "tipe pull" karena menarik beban yang terhubung ke dirinya sendiri ketika diberi energi.Dan "tipe push" yang bertindak dalam arah yang berlawanan mendorongnya menjauh dari dirinya sendiri ketika diberi energi. Kedua jenis dorong dan tarikan umumnya dibangun sama dengan perbedaan berada di lokasi pegas kembali dan desain plunger.
Konstruksi Tipe Pull Solenoid Linier
Solenoid linier digunakan dalam banyak aplikasi yang membutuhkan gerakan tipe terbuka atau tertutup (masuk atau keluar) seperti kunci pintu yang diaktifkan secara elektronik, katup kontrol pneumatik atau hidrolik, robot, manajemen mesin otomotif, katup irigasi untuk menyirami taman dan bahkan "Ding-Dong” bel pintu ada satu. Mereka tersedia sebagai bingkai terbuka, bingkai tertutup atau tipe tubular tertutup.
Solenoid Putar (Rotary)
Kebanyakan solenoida elektromagnetik adalah perangkat linier yang menghasilkan gaya atau gerak bolak-balik linier. Namun, solenoida rotasi juga tersedia yang menghasilkan gerakan bersudut atau putar dari posisi netral baik searah jarum jam, berlawanan arah jarum jam atau di kedua arah (dua arah).Solenoida putar yang umum tersedia memiliki gerakan 25, 35, 45, 60 dan 90° serta beberapa gerakan ke dan dari sudut tertentu seperti pemulihan posisi-2 posisi atau kembali ke rotasi nol, misalnya 0 hingga 90- ke-0°, pemulihan posisi-3, misalnya 0° hingga + 45° atau 0° hingga -45° serta penguncian posisi-2.
Rotary solenoida menghasilkan gerakan rotasi ketika energi, de-energized, atau perubahan dalam polaritas medan elektromagnetik mengubah posisi rotor magnet permanen. Konstruksi mereka terdiri dari gulungan coil listrik di sekitar kerangka baja dengan plat magnetik yang terhubung ke poros output yang diposisikan di atas coil.
Ketika coil diberi energi, medan elektromagnetik menghasilkan beberapa kutub utara dan selatan yang mengusir kutub magnet permanen yang berdekatan dari piringan atau plat sehingga menyebabkannya berputar pada sudut yang ditentukan oleh konstruksi mekanis solenoid putar.
Rotary solenoida digunakan dalam mesin penjual otomatis atau game, kontrol katup, shutter kamera dengan kecepatan tinggi khusus, daya rendah atau solenoida pemosisian variabel dengan kekuatan tinggi atau torsi tersedia seperti yang digunakan pada printer dot matrix, mesin tik, mesin otomatis atau aplikasi otomotif dll..
Solenoid Switching
Umumnya solenoida baik linier atau putar beroperasi dengan penerapan tegangan DC, tetapi mereka juga dapat digunakan dengan tegangan sinusoidal AC dengan menggunakan penyearah jembatan Gelombang Penuh untuk memperbaiki supply yang kemudian dapat digunakan untuk mengganti solenoid DC.Solenoida tipe DC kecil dapat dengan mudah dikontrol menggunakan sakelar Transistor atau MOSFET dan sangat ideal untuk digunakan dalam aplikasi robot.
Namun, seperti yang kita lihat sebelumnya dengan relay elektromekanis, solenoida linier adalah perangkat "induktif" sehingga beberapa bentuk perlindungan listrik dipergulungann di seluruh kumparan coil solenoid untuk mencegah tegangan ggl-balik tinggi dari kerusakan pada perangkat switching semikonduktor. Dalam hal ini standar "Dioda Flywheel" digunakan, tetapi Anda bisa menggunakan dioda zener atau varistor bernilai kecil.
Mengganti Solenoida menggunakan Transistor
Mengurangi Konsumsi Energi
Salah satu kelemahan utama solenoida dan terutama solenoida linier adalah bahwa mereka adalah “alat induktif” yang terbuat dari gulungan kawat. Ini berarti bahwa kumparan coil solenoida mengubah sebagian energi listrik yang digunakan untuk mengoperasikannya menjadi "PANAS" karena hambatan kawat.Dengan kata lain ketika dihubungkan untuk waktu yang lama ke supply listrik mereka menjadi panas!, dan semakin lama waktu daya diterapkan pada kumparan coil solenoid, kumparan akan menjadi semakin panas. Juga saat coil memanas, hambatan listriknya juga berubah sehingga memungkinkan lebih banyak arus mengalir yang meningkatkan suhunya.
Dengan input tegangan kontinu diterapkan pada coil, coil solenoida tidak memiliki kesempatan untuk mendinginkan karena daya input selalu menyala. Untuk mengurangi efek pemanasan yang dihasilkan sendiri ini, perlu untuk mengurangi jumlah waktu coil diberi energi atau mengurangi jumlah arus yang mengalir melaluinya.
Salah satu metode mengkonsumsi lebih sedikit arus adalah dengan menerapkan tegangan yang cukup tinggi yang sesuai untuk coil solenoid sehingga memberikan medan elektromagnetik yang dipergulungan untuk mengoperasikan dan mendudukkan plunger, tetapi kemudian diaktifkan untuk mengurangi tegangan supply kumparan coil ke level yang cukup untuk mempertahankan plunger, dalam posisi duduk atau terkunci.
Salah satu cara untuk mencapai ini adalah dengan menghubungkan resistor “holding” yang cocok secara seri dengan coil solenoida, misalnya:
Mengurangi Konsumsi Energi Solenoid
Di sini, kontak sakelar ditutup korsleting resistansi dan melewati arus supply penuh langsung ke gulungan coil solenoid. Setelah memberi energi pada kontak yang dapat dihubungkan secara mekanis ke aksi pleno solenoida terbuka yang menghubungkan Resistor Holding, RH secara seri dengan coil solenoida. Ini secara efektif menghubungkan resistor secara seri dengan coil.
Dengan menerapkan metode ini, solenoida bisa dihubungkan ke supply tegangannya tanpa batas (siklus tugas kontinu) karena daya yang dikonsumsi oleh coil dan panas yang dihasilkan sangat berkurang, yang dapat mencapai 85 hingga 90% menggunakan resistor daya yang sesuai. Namun, daya yang dikonsumsi oleh resistor juga akan menghasilkan sejumlah panas, I2R (Hukum Ohm) dan ini juga perlu diperhitungkan.
Siklus Kerja Solenoid
Cara lain yang lebih praktis untuk mengurangi panas yang dihasilkan oleh coil solenoida adalah dengan menggunakan "siklus kerja intermiten".Siklus intermiten berarti bahwa coil berulang kali dinyalakan "ON" dan "OFF" pada frekuensi yang sesuai untuk mengaktifkan mekanisme pendorong tetapi tidak memungkinkannya untuk tidak memberikan energi selama periode OFF dari bentuk gelombang. Pergantian siklus intermiten adalah cara yang sangat efektif untuk mengurangi daya total yang dikonsumsi oleh coil.
Siklus kerja (í) dari solenoid adalah bagian dari waktu "ON" di mana solenoid diberi energi dan merupakan rasio waktu "ON" dengan total waktu "ON" dan "OFF" untuk satu siklus lengkap dari operasi. Dengan kata lain, waktu siklus sama dengan waktu switched-ON plus waktu switched-OFF. Siklus kerja dinyatakan sebagai persentase, misalnya:
Kemudian jika solenoida diaktifkan "ON" atau diberi energi selama 30 detik dan kemudian beralih "OFF" selama 90 detik sebelum kembali diberi energi lagi, satu siklus lengkap, total waktu siklus "ON/OFF" akan menjadi 120 detik, (30 +90) sehingga siklus kerja solenoida akan dihitung 30/120 detik atau 25%.
Ini berarti bahwa Anda dapat menentukan waktu sakelar-ON maksimum solenoida jika Anda mengetahui nilai-nilai siklus tugas dan waktu sakelar-OFF.
Misalnya, waktu sakelar-OFF sama dengan 15 detik, siklus kerja sama dengan 40%, oleh karena itu waktu sakelar-ON sama dengan 10 detik. Solenoida dengan Siklus Tugas terukur 100% berarti bahwa ia memiliki peringkat tegangan kontinu dan karena itu dapat dibiarkan "ON" atau terus menerus diberi energi tanpa terlalu panas atau rusak.
Dalam tutorial ini tentang solenoida, kita telah melihat baik Solenoid Linier dan Solenoid Rotary sebagai aktuator elektromekanis yang dapat digunakan sebagai perangkat output untuk mengontrol proses fisik.
Dalam tutorial berikutnya kita akan melanjutkan melihat perangkat output yang disebut Aktuator, dan yang mengubah sinyal listrik menjadi gerakan rotasi yang sesuai lagi menggunakan elektromagnetisme. Jenis perangkat output yang akan kita lihat dalam tutorial berikutnya adalah Motor DC.