电能到机械能的转换——如何驱动电路中的电磁阀

在许多自动化处理系统中，电磁阀是很常见的致动器之一。电磁阀的种类有许多种，比如用于供水开关或燃气管道等，还有的电磁阀活塞则单纯用于线性的活塞运动。我们最常见的应用之一就是门铃。门铃中有一个活塞型的电磁阀线圈，受到交流电源激励后会移动其中的小杆。该杆会击打电磁阀两端的金属板从而产生“叮咚”的声音。

尽管电磁阀的机制有许多种，但其基本原理仍保持一致。它由线圈缠扰在金属（导电）材料上职称。当线圈充电后，该导电材料会进行某种机械运动，当去激励后会通过弹簧或其它机制来反转该运动。因为电磁阀内包含线圈，它们会消耗大量的电流，所以我们必须得通过某种驱动电路来运行。这里我们就来讲述如何打造一个电磁阀的驱动电路。

所需元器件

电磁阀
12V电源适配器
7805稳压器
IRF540N mos管
IN4007二极管
0.1uF电容
1kΩ和10kΩ的电阻

电磁阀的工作原理

电磁阀是一个将电能转换为机械能的装置。它由线圈缠绕在导电材料上组成，这样的组合让它成了一个电磁体。电磁体与自然磁铁相比的优势在于它可以根据需要来使线圈通电，从而控制其激活。根据法拉第定律，电流通过的导体间环绕着磁场，而线圈间的磁场则可以大到磁化材料并产生机械运动。

在这个过程中，线圈会吸收大量电流，同时引发滞后现象，因此直接通过逻辑电路来驱动电磁阀是不可行的。我们这里采用的是常见于控制液体流动的12V电磁阀。充电后电磁阀会吸收700mA的连续电流，且峰值接近1.2A。所以我们设计电路的时候必须考虑到这些值。

电路图

如你所见该驱动电路并不复杂，我们用一个简单的面包板即可完成以上连接。电磁阀可以通过两端通过12V电压而打开，取消供电后关闭。为了控制这个开关过程我们需要设计一个开关电路，所以MOS管也是该电路的一大重要部分。以下是选取MOS管时需要注意的参数。

开启电压Vgs(th)：这是MOS管的开启电压。我们选取的IRF540的开启电压为4V，而我们的供电为5V，所以可以确保MOS管的完全开启。

开态电阻：当MOS管完全打开时，漏极和源极间存在阻抗，该阻抗被称为开态电阻。这个值要尽可能低，否则会有较大压降，使得没有足够的电压来导通电磁阀。这里MOS管的开态电阻只有0.077Ω。

如果你想打造其它电磁阀应用的话一定要细看自己选取MOS管的规格书。7805线性稳压器则用于将12V输入转换为5V，开关按下后电压通过1kΩ的限流电阻传入MOS管栅极。当开关没有按下时，栅极则由10kΩ的电阻来实现下拉。这样开关没有按下的时候可以让MOS管关断。最后反向并联一个二极管来防止电磁阀向供电电路放电。

电磁阀驱动电路的工作方式

既然我们了解了驱动电路的原理，我们来来测试搭建在面包板上的电路。我用一个12V适配器来作为电源，以下是实物图。

当中间的按键开关按下后，+5V的电压供给MOS管使其导通，从而打开电磁阀。再度按下开关会断开+5V供电，从而使得电磁阀回归关断状态。电磁阀的开关可以由它发出的响声来判断，为了让其更为明显，我们可以将电磁阀顶端与一水管相连。默认状态下电磁阀为关断状态，因此没有水流出，而电磁阀一旦打开，底端便会有水流入杯中。