Vervang de transformator: Vier manieren om sproeiersolenoïdes aan te sturen met USB-C

Inleiding

Daartegenover staan moderne DC-schakelvoedingen. Deze zijn licht, goedkoop, efficiënt en beschermd tegen veelvoorkomende fouten. Bovendien accepteren ze een ingangsspanning van 100-240 V, waardoor ze overal ter wereld werken.

Onder de DC-stroombronnen is er één bijna universeel geworden: USB-C. Met Power Delivery (PD) is een USB-C-adapter niet langer slechts een 5 V telefoonlader. In plaats daarvan kan hij meerdere spanningsniveaus leveren en voldoende vermogen bieden voor veel zwaardere belastingen. Adapters die PPS (Programmable Power Supply) ondersteunen, maken het zelfs mogelijk om de spanning in kleine stappen aan te passen. Dat roept een interessante vraag op: kunnen we de traditionele AC-transformator weggooien en sproeiersolenoïdes in plaats daarvan aansturen via USB-C?

Ja, en er is meer dan één manier om dit te doen. In dit artikel duik ik in vier methoden, die hieronder zijn samengevat:

Methode	Beschrijving	Frequentie	Golfvorm uitgang
PWM	Controleert de effectieve houdstroom via de PWM duty cycle	1 kHz of hoger	Unipolair
Dubbele spanning	Past aanvankelijk een hoge spanning toe voor het intrekken, en schakelt daarna over naar een lagere spanning voor het vasthouden.	DC (0 Hz)	Unipolair
Gesynthetiseerde sinusgolf	Gebruikt een H-brug om een AC-sinusgolf te synthetiseren uit DC	Carrier: 40 kHz / Output: 60 Hz	Sinusvormig
Bipolaire blokgolf	Gebruikt een H-brug en wisselt de DC-polariteit af	45 Hz	Blokgolf

Ik heb een klein aangepast circuit gebouwd om alle vier de methoden te testen, zodat we in plaats van alleen theorie, daadwerkelijke golfvormen op de oscilloscoop kunnen bekijken en metingen kunnen verrichten bij de solenoïde.

De elektrische eigenschappen van 24 VAC solenoïdes

Om te beginnen is het nuttig om te begrijpen hoe sproeiersolenoïdes elektrisch werken. Een typische solenoïde bestaat uit een spoel rond een veerbelaste ijzeren plunjer. Het aanleggen van 24 VAC activeert de spoel en trekt de plunjer naar binnen, waardoor het ventiel opent. Elektrisch gezien kan de spoel worden gemodelleerd als een weerstand in serie met een inductor. Typische specificaties voor een solenoïde zijn:

• Spoelweerstand: 25–60 $\Omega$
• Inschakelstroom (Inrush Current): 300–500 mA
• Houdstroom (Holding Current): 150–250 mA

Aanvankelijk heeft de solenoïde een behoorlijk grote inschakelstroom nodig om de plunjer in de spoel te trekken. Eenmaal in positie kan hij daar blijven met een kleinere houdstroom. Bij AC gebeurt deze overgang natuurlijk omdat de inductie — en daarmee de inductieve reactantie en totale impedantie — aanzienlijk toeneemt zodra de plunjer wordt ingetrokken. Dit verklaart ook waarom een vastgelopen of ontbrekende plunjer ervoor zorgt dat de inschakelstroom onbeperkt blijft lopen, wat de spoel kan doen doorbranden.

Dit gedrag is een van de redenen waarom het simpelweg vervangen van 24 VAC door een vaste DC-spanning niet ideaal is. Bij een constante DC-spanning wordt de stroom volledig bepaald door de spoelweerstand, en beperkt de inductie de stroom niet langer. Daarom zal een spanning die hoog genoeg is voor een betrouwbare intrekking, een onnodig hoge houdstroom produceren. Omgekeerd kan een lagere spanning die geschikt is voor het vasthouden, de plunjer mogelijk helemaal niet intrekken.

Opmerking: dit artikel gaat specifiek over conventionele 24 VAC sproeiersolenoïdes. Ventielen die van nature op DC werken, zoals latching solenoïdes en gemotoriseerde kogelkranen, bestaan wel, maar zijn minder gebruikelijk en duurder. Daarom vormen DC-ventielen niet de focus van dit artikel.

De vier methoden

1. Unipolaire PWM

Idee: Pas een vaste voedingsspanning toe die hoog genoeg is om de plunjer in te trekken, en schakel deze spanning razendsnel aan en uit. Dit vermindert de gemiddelde stroom door de spoel tot de gewenste houdstroom.

Ontwerpparameters:

• Voedingsspanning: Gegeven de typische spoelweerstanden en inschakelstromen is een vaste spanning tussen 15–24 V voldoende. De methode is redelijk ongevoelig voor de exacte voedingsspanning, omdat we de duty cycle kunnen afstemmen om de gewenste houdstroom te leveren.
• Duty Cycle ($D$): Deze kan worden geschat als $D = \frac{I{\text{hold}} \cdot R}{V{\text{supply}}}$. Bijvoorbeeld: bij een spoel van 35 $\Omega$, een voedingsspanning van 20 V en een houdstroom van 200 mA, is $D = \frac{0.2 \times 35}{20} = 35\%$.
• Frequentie: Een hogere frequentie zorgt voor een gelijkmatigere spoelstroom omdat de inductie van de solenoïde de PWM-pulsen filtert, maar leidt ook tot grotere schakelverliezen en potentieel meer EMI. Een lagere frequentie zorgt voor grotere stroomrimpel en kan hoorbare of zelfs mechanische trillingen veroorzaken.

Een praktische complicatie is dat wanneer hoogfrequente PWM direct wordt toegepast, de afgevlakte stroom geen sterke initiële intrekking biedt. In mijn testen had de solenoïde moeite met intrekken bij 5 kHz. Bij 50 Hz — met dezelfde duty cycle — schommelde de stroom sterk tussen 57 mA en 440 mA, waardoor de solenoïde beslist kon activeren.

Continu draaien op 50 Hz is echter geen oplossing, omdat dit een hoorbaar gebrom veroorzaakt en de houdkracht laat pulseren. De praktische oplossing is om gedurende een kort activatievenster (bijv. 100 ms) een duty cycle van 100% toe te passen.

Voordelen: Het circuit is eenvoudig. Er is alleen een PWM-controlesignaal, een low-side N-MOSFET en een flyback-diode nodig. De houdstroom is eenvoudig in software aanpasbaar. Nadelen: PWM schakelt de solenoïdespanning continu over mogelijk tientallen meters sproeierkabels, waardoor EMI door snelle spanningssprongen serieus overwogen moet worden. Daarnaast wordt het minder praktisch naarmate het aantal zones toeneemt.

2. Dubbele spanning (Dual-Voltage)

Idee: In plaats van PWM te gebruiken om de effectieve spanning te verlagen, wordt de spanning zelf verlaagd. Pas kortstondig een hoge spanning toe om de plunjer in te trekken, en schakel daarna over naar een stabiele lage spanning voor het vasthouden.

Ontwerpparameters:

• Intrekspanning en periode: Zoals bij methode 1 is een spanning tussen 15–24 V over het algemeen voldoende. Het toepassen van deze spanning gedurende een korte periode (bijv. 100 ms) is genoeg om de plunjer betrouwbaar in te trekken.
• Houdspanning: $V{\text{hold}} = I{\text{hold}} \times R$. Voor een spoel van 35 $\Omega$ en een gewenste houdstroom van 200 mA is $V_{\text{hold}} = 0.2 \times 35 = 7\text{V}$.

Voordelen: In tegenstelling tot PWM is de houdspanning een stabiele DC-spanning, dus er is geen continue hoogfrequente schakeling over lange kabels in het veld. Daarnaast kan één voeding meerdere zones tegelijk bedienen, wat schaalbaarheid vergemakkelijkt. Nadelen: Omdat alle zones dezelfde voedingsrail delen, keert het starten van een nieuwe solenoïde terwijl anderen al draaien alle actieve zones kortstondig terug naar de hoge inschakelstroom. Deze piek is ongevaarlijk voor de solenoïdes, maar kan een te kleine voeding kortstondig belasten.

Dankzij USB-C PPS kunnen deze spanningen nu programmatisch worden aangevraagd via een PPS-compatibele USB-PD sink-chip zoals de CH224A. De implementatie is verrassend eenvoudig en de intrek- en houdspanningen kunnen onafhankelijk in software worden aangepast.

3. AC synthetiseren uit DC

Idee: Gebruik een H-brug om een 24 VAC sinusgolf te synthetiseren uit de DC-voeding en stuur de solenoïde hiermee aan.

Waarom DC terugzetten naar AC?

• Compatibiliteit: Het werkt niet alleen met solenoïdes, maar ook met legacy-accessoires zoals pompschakelaars en draadloze sensoren die een echte 24 VAC ingang verwachten. Sommige pompschakelaars zijn grote industriële contactoren met een zeer lage spoelweerstand die zwaar leunen op AC-impedantie; onder DC kunnen ze weigeren te activeren of een enorme stroom trekken.
• Nul netto DC: Lange irrigatiekabels kunnen in vochtige grond corrosie vertonen. Constante DC over dergelijke verbindingen kan elektrochemische corrosie triggeren die het koper wegvreet. Een wisselende golfvorm laat nul netto DC achter en voorkomt dit type corrosie.
• Moderne foutbeveiliging: Het synthetiseren van AC maakt actieve stroombegrenzing en kortsluitbeveiliging mogelijk, wat moeilijker te bereiken is met een traditionele AC-transformator.

Ontwerpparameters:

• Voedingsspanning: Om een sinusgolf van 24 V RMS te synthetiseren, moet de piekspanning $V{\text{peak}} = \sqrt{2} \cdot V{\text{RMS}} = \sqrt{2} \times 24 \approx 34\text{V}$ zijn.
• Uitgangsfrequentie: Deze moet 50–60 Hz zijn om aan de specificaties van de solenoïdes te voldoen.
• Carrier-frequentie: De sinusgolf wordt gesynthetiseerd door de voedingsspanning razendsnel te schakelen op tientallen kHz (carrier-frequentie), terwijl de duty cycle wordt gemoduleerd volgens een sinusvormig omhulsel.

Voordelen: Deze methode biedt het dichtstbijzijnde elektrische equivalent van een traditionele AC-transformator, maximale compatibiliteit en voorkomt corrosie. Nadelen: De implementatie is aanzienlijk complexer. Er is een H-brug, geschikte gate-drivers en een zorgvuldig ontworpen uitgangsfilter nodig. Bovendien vereist een 34-36 V voeding een EPR-compatibele USB-C bron van hoog vermogen (bijv. 180 W), wat zeldzaam en duur is.

4. Bipolaire blokgolf (Bipolar Square Wave)

Idee: Als het enige doel van AC de afwisselende polariteit is, is een sinusgolf wellicht niet nodig. Wat als de H-brug simpelweg de DC-polariteit heen en weer wisselt? Het resultaat is een bipolaire blokgolf. Dit behoudt de eigenschap van "nul netto DC", maar elimineert de hoogfrequente carrier en de complexiteit van methode 3.

Ontwerpparameters:

• Voedingsspanning: Een vaste spanning tussen 15–24 V is doorgaans voldoende. Bij een blokgolf zijn de piekspanning en de RMS-spanning gelijk.
• Uitgangsfrequentie: Dit is een kritieke parameter. Omdat de golfvorm niet sinusvormig is, is de ideale frequentie niet noodzakelijkerwijs 50–60 Hz. Voor typische solenoïdes aangestuurd door een $\pm20\text{V}$ blokgolf, ligt de optimale frequentie in een smal bereik van ongeveer 40–45 Hz.

Voordelen: De implementatie is veel eenvoudiger dan methode 3. Een 20 V USB-C PD-voeding is voldoende. De afwisselende polariteit voorkomt corrosie. Schakelverliezen en hoogfrequente emissies zijn veel lager dan bij methoden 1 en 3. Nadelen: De compatibiliteit met accessoires is een open vraag, hoewel tests met zware pompschakelaars positief waren. Er is sprake van een hoorbaar gebrom. Multi-zone schakeling vereist nog steeds TRIACs in plaats van MOSFETs.

Frequentie-afleiding: Voor een ideale serie R-L solenoïde aangestuurd door een bipolaire blokgolf met amplitude $V$ en frequentie $f$, is de steady-state RMS-stroom: $$ I{\text{RMS}} = \frac{V}{R}\sqrt{1 – 4f\frac{L}{R}\tanh\left(\frac{R}{4fL}\right)} $$ De inductie $L$ kan worden geschat op basis van de houdstroom: $$ L = \frac{1}{2\pi f{\text{AC}}} \sqrt{\left(\frac{V{\text{AC}}}{I{\text{hold}}}\right)^2 – R^2}$$ Voor een solenoïde met $R = 35\,\Omega$ en $I{\text{hold}} = 200\,\text{mA}$ bij $V{\text{AC}} = 24\,\text{V}$ en $f_{\text{AC}} = 60\,\text{Hz}$, komt dit neer op $L \approx 305\,\text{mH}$. Bij een $\pm20\text{V}$ blokgolf resulteert een target houdstroom van 200 mA in een frequentie van $f \approx 43.7\,\text{Hz}$.

Andere methoden

Twee andere methoden worden vaak genoemd, maar zijn minder flexibel omdat ze in hardware zijn vastgelegd:

• Enkele vaste spanning: Bijvoorbeeld een 12 VDC-adapter. Bij een 35 $\Omega$ spoel geeft dit ongeveer 340 mA; een compromis dat nauwelijks genoeg is voor de inschakelstroom en onnodig hoog is voor de houdstroom.
• Serieweerstand + Bypass-condensator: Een serieweerstand beperkt de houdstroom, terwijl een parallelle condensator een tijdelijk pad voor hoge stroom biedt tijdens het intrekken. De condensator is echter volumineus en de RC-waarden zijn hard-coded.

Implementatie

Om de vier methoden te vergelijken, is er een PCB ontworpen met:

• USB-C connector
• CH224A PD sink-chip (I2C-modus)
• Switching regulator en 3.3V LDO
• ESP8266 microcontroller
• Discrete MOSFET H-brug
• Een 1 $\Omega$ weerstand in serie met de solenoïde voor stroommeting

De gebruikte solenoïde is een Orbit 24 VAC model met een weerstand van ca. 35 $\Omega$. De voeding is een 35 W USB-PD adapter (20 V / 1.75 A) met PPS van 3.3–11 V.

Softwarematige configuraties:

• Methoden 1 en 2: Alleen unipolaire DC-aansturing.
• Methoden 3 en 4: Volledige H-brug. Methode 3 gebruikt een sigma-delta puls-densiteitsmodulator op 40 kHz om de sinusgolf te synthetiseren. Methode 4 wisselt simpelweg de polariteit op een lage frequentie.

Experimentele resultaten

1. Unipolaire PWM

Bij 5 kHz was de stroom zeer glad, maar de solenoïde had moeite met intrekken. Bij 50 Hz was de intrekking krachtig, maar was er een hoorbaar gebrom.

• 5 kHz: Stroomrimpel: 34 mA | RMS: 197 mA
• 50 Hz: Stroomrimpel: 371 mA | RMS: 212 mA
• 1 kHz: Stroomrimpel: 64 mA | RMS: 191 mA (hoorbaar geluid)

Conclusie: De praktische oplossing is een korte fase (100 ms) van 100% duty cycle voor activatie, gevolgd door hoogfrequente PWM voor het vasthouden.

2. Dubbele spanning

De overgang van 20 V (intrekken) naar 7 V (vasthouden) verliep stabiel.

• Piekstroom: 568 mA
• Houdstroom: 200 mA

De overgang duurde ongeveer 250 ms, wat werd veroorzaakt door het heronderhandelingsproces van de USB-PD adapter.

3. AC synthetiseren uit DC

Bij een 20 V voeding (proof of concept) vertoonde de stroom een mooie sinusvorm.

• Houdstroom (plunjer binnen): 107 mA (bij 59.9 Hz)
• Inschakelstroom (plunjer buiten): 341 mA

De overgang van hoge inschakelstroom naar lagere houdstroom gebeurt hier automatisch, zonder softwarematige timing.

4. Bipolaire blokgolf

De stroom vertoont een kenmerkende "haaienvin-vorm".

• 40 Hz ($\pm20\text{V}$): Houdstroom: 191 mA | Inschakelstroom: 482 mA
• 45 Hz ($\pm20\text{V}$): Houdstroom: 166 mA (zeer dicht bij 24 VAC reference)

Test met pompschakelaar (Furnas 45EG20AJ): Deze zware contactor (9 $\Omega$ spoelweerstand) werkte betrouwbaar:

• 40 Hz: Houdstroom: 399 mA (iets overstuurd)
• 45 Hz: Houdstroom: 329 mA (vrijwel identiek aan 24 VAC reference van 330 mA)
• 50 Hz: Houdstroom: 287 mA (iets onderstuurd, maar nog steeds betrouwbaar)

Overzicht metingen:

Frequentie	Solenoïde	Relais	Observatie
40 Hz	191 mA	399 mA	Beiden enigszins overstuurd
45 Hz	166 mA	329 mA	Beiden binnen 2% van 24 VAC waarden
50 Hz	148 mA	287 mA	Beiden enigszins onderstuurd, maar betrouwbaar
24 VAC ref	165 mA	330 mA	Gemeten met 24 VAC / 60 Hz transformator

Conclusie

Er is geen enkele "beste" methode; de keuze hangt af van de prioriteiten:

• Unipolaire PWM: Kies dit voor het snelste prototype en minimale hardwarecomplexiteit. Nadeel is de continue hoogfrequente schakeling.
• Dubbele spanning: Kies dit voor eenvoudige hardware met een stabiele DC-uitgang. USB-C PPS maakt dit zeer flexibel.
• AC Sinus-synthese: Kies dit voor maximale compatibiliteit met AC-accessoires en nul netto DC op de bekabeling. Nadeel is de hoge complexiteit in hardware en software.
• Bipolaire blokgolf: Kies dit voor de voordelen van AC (nul netto DC, automatische inrush-to-hold) zonder de complexiteit van een sinusgolf. De nadelen zijn een hoorbaar gebrom en de noodzaak voor verdere compatibiliteitstests.

USB-C maakt deze alternatieven praktisch. Door de combinatie van PD en PPS kan een controller verschillende spanningen selecteren zonder adapters te wisselen. Samen met de universele 100–240 V input en compacte vormfactor is USB-C een zeer capabele vervanger voor de traditionele 24 VAC transformator.