הקדמה: ישומי סרוו רבים מאופינים בצריכות הספק מאוד גבוהות לזמנים מאוד קצרים. ברבים מהישומים מתווספות גם מגבלת מקום ומגבלת יכולת פיזור הספק.
הצורך ביכולת דחיפת הספק גבוהה למנועים חשמליים המוזנים ממגברי סרוו בנפח מינימלי הולך ומתגבר בכל סיגמנטי תעשיית המכונות והישומים הצבאיים כגון:
רובוטיקה, מכונות השמה (),
Wire Bonding (בתעשיית יצור ה-LED התופסת תאוצה), מנועים לינאריים (שולחנות X-Y), כנפוני היגוי, צריחים, GIMBALS, “כלים בלתי מאוישים”, ועוד.
בכל הישומים האלה צירי הינע (MOTION) צורכים הספק/זרם/מומנט/כוח באופיין של “פרצים” (Bursts), כלומר, מקבצים קצרים, צפופים, “עתירי אנרגיה” ובממוצע הספק נמוך מאוד יחסית.
חלק/רוב ישומי ה-BURST “סובלים” ממגבלות מקום, מגבלת נפח, מגבלת משקל, מגבלת יכולת לפזר הספק.
חברת אלמו איתגרה בהצלחה מספר ישומי BURSTS צבאיים מאוד קיצוניים בדרישותיהם.
התוצאה היא משפחת מגברי סרוו זעירים המיועדים לישומי “BURST”.
הבסיס למגברי ה”פרצים” הוא משפחת
ה-HORNET, מגברי סרוו זעירים הנמצאים בשימוש בעשרות ישומים צבאיים ברחבי העולם כבר למעלה מ-7 שנים.
במשפחה BURST החדשה שני מוצרים עיקריים:
HOR-B50/50, אמפר במוצא המגבר ובמתחי הזנה של עד 50 וולט מתח ישר
HOR-B40/120, אמפר במוצא המגבר ומתחי הזנה של עד 120 וולט מתח ישר.
מהו מגבר סרוו לישומי BURST?
אופיין זרם “טיפוסי” לישום BURST מקבץ של עשרות פולסים קצרים (כ-20 מילי שניות כול אחד) בעוצמה של 40 אמפר כאשר הזרם הממוצע במשך 220 שניות הוא כ-5 אמפר. (ראה איור 1)
הדרישות ממגבר סרוו המיועד לישומי BURST:
“פרצים” (Bursts) גבוהים של הספק/זרם/מומנט/כוח למנוע החשמלי
ממוצע נמוך יחסית של הספק/זרם/ מומנט/כוח.
מארז סופר מיניאטורי. בישום קיימות מגבלות קריטיות של נפח ומשקל.
נצילות מירבית. יכולת פיזור ההספק של הישום מוגבלת מאוד ולפעמים כלל אינה קיימת.
עמידה בתנאי סביבה קשיחים וקיצוניים. הדרישה הזו קיימת לישומיים תעשיתיים וצבאיים כאחד.
ביצועים גבוהים, יציבים ו”קשיחים” של חוגי הבקרה.
איכות ואמינות של מוצרים צבאיים החשופים לתנאי סביבה קיצוניים.
HOR-B50/50
הדרישות של ישום ספציפי זה:
פרצי הספק של מעל 2500 וואט.
פרצי זרם של 50 אמפר
פולס טיפוסי של 2500 וואט/50 אמפר נמשך כמה עשרות מילי – שניות. (ראה איור 2)
זרם ממוצע באינטרוול פעולה קיצוני של כמה מאות שניות הוא פחות מ-10 אמפר.
מתחי הזנה של עד 48 וולט מתח ישר.
אין יכולת לפזר הספק
מגבר הסרוו עלול להיות חשוף לטמפרטורת סביבה הגדולה מ-100 מעלות צלסיוס.
וכול האמור לעיל במארז מיניאטורי של כ-5 ס”מ 1.5 ס”מ 4.6 ס”מ (קטן מקופסת גפרורים).
HOR-B40/120
ישום דומה בדרישותיו אבל עם דרישות ל”פרצי הספק” כמעט כפולים. (ראה איור 3)
הדרישות של ישום ספציפי זה:
פרצי הספק למנוע של מעל 4,400 וואט.
פרצי זרם למנוע של 40 אמפר.
מתחי ההזנה 70 וולט – 120 וולט מתח ישר.
זרם השיא במוצא המגבר מטפס למעל 52 אמפר וזאת בגלל ההשראות המאוד נמוכה של המנוע (<100 מיקרו-הנרי, מעשית המנועים השראות המנועים בתחום 35uH-70uH, השראות אפסית למיתוג הספק).
הספק ממוצע באינטרוול פעולה של כ-300 שניות הוא כ-21 וואט.
אין יכולת מעשית לפזר הספק.
מגבר הסרוו עלול להיות חשוף לטמפרטורת סביבה הגדולה מ-90 מעלות צלסיוס.
וכל האמור לעיל במארז מיניאטורי של כ-5 ס”מ 1.5 ס”מ 4.6 ס”מ.
מה מייחד את מגבר הסרוו של אלמו מסדרה B?
הרי כל מגבר “סטנדרטי” מסוגל לדחוף זרמי שיא של פי 2-3 מהזרם הרציף?
לדוגמה, למגבר סטנדרטי של אלמו דגם HOR-20/120 (אמפר זרם רציף) יש גם את היכולת לדחוף זרם שיא של 40 אמפר
משך הזמן של הספק ה-PEAK
ההבדל המהותי הוא במשך הזמן של דחיפת זרם השיא. במגברי הסרוו הסטנדרטיים של אלמו זרמי השיא מוגבלים ל-3 שניות (רוב המתחרים נאלצים להגביל את זרם השיא לכ-1 שנייה).
בישומים הדורשים “פרצי הספק” יש צורך בזרמי השיא לפרקי זמן הארוכים פי 20 עד פי 40 מאשר במגבר סטנדרטי.
המגבלה למשך זמן השיא נובעת בעיקרה ממגבלות טרמיות של מגבר הסרוו. בזרם של 40 אמפר פיזור ההספק ברכיבי המיתוג גדול פי 3-4 מאשר בזרם של 20 אמפר. זה יגרום מידית לחימום יתר של רכיבי המיתוג ועלול לגרום לכשל מידי של הרכיב.
במגבר סרוו סטנדרטי “מתקדם” קיים מנגנון הגבלת זרם המבוסס על עיקרון ה-I2t. זהו מנגנון שמחשב בזמן אמת את ערכי הRMS של זרמי המוצא ומגביל את הזרם הרציף לפחות מחצי מזרם השיא, (ראה איור 4).
לאחר כ-3 שניות של זרם שיא של 40 אמפר, זרם המוצא נופל ל-20 אמפר. זרם שיא נוסף יתאפשר רק אם צריכת הזרם תרד אל מתחת ל-20 אמפר ל”הרבה” שניות.
במגברי סרוו מסדרה B מנגנון הגבלת זרם מאפשר זרמי שיא לפרקי זמן ארוכים מאוד. (ראה איור 5).
מה הייחודיות של מגברי הסרוו מסדרה B? הרי יש לא מעט מגברי סרוו המסוגלים לדחוף 40 ו-50 אמפר?
גודל פיזי
המובילות של מגברי ה-B היא כמובן בגודל הפיזי והנצילות. הנפח של רוב מגברי הסרוו הסטנדרטיים של אלמו שמסוגלים לדחוף 40-50 אמפר גדול פי 3 עד 4 מהנפח של מגבר HOR-B. בחברות אחרות גודלם של מגברי סרוו ל-40-50 אמפר יכול להגיע לנפח שהוא פי 6 עד 8.
החדשנות המיוחדת של סדרה B טמונה ביכולתה לספק הספקים וזרמים גבוהים בפרצים (burst pulse), והכל מתוך יחידת סרוו קטנה ביותר, קלה ביותר וסופר נצילה.
סדרה B מציגה יחסים יוצאי דופן של:
איך מתאפשר לדחוף כול כך הרבה הספק ממגבר כל כך קטן?
בתכנון מגברי הסרוו של אלמו ניתן בן היתר דגש רב על שני נושאים מהותיים:
בקרת הספק מתקדמת.
“ניהול טרמי” יעיל.
במגברי ה-HORNET מתבצע תהליך בקרת ההספק על ידי ב-switching PWM () של טרניזיסטורי הספק מסוג MOSFET. תהליך המיתוג המהיר גורם ליצירת חום ברכיבי ה-MOSFET וגם להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). בקרת ההספק במגברי הסרוו של אלמו הינה יחודית ומשלבת נצילות מאוד גבוהה תוך יצירת הפרעות אלקרומגנטיות זניחות.
עקרונות ה”ניהול הטרמי” של מגבר סקרוו הם לשלוט ולבקר את טמפרטורת רכיבי ההספק שיבטיחו הספק מוצא מקסימלי ואבטחת האיכות של המוצר ולאורך זמן. הדבר יכול להתבצע בעזרת תכנון טרמי מתקדם וקפדני המשיג התנגדות טרמית מינימלית בין רכיבי ההספק לגוף הקרור, קיבול טרמי מקסימלי, קבוע זמן טרמי ארוך, מדידת טמפרטורה הדוקה ובזמן אמת.
במגברי B אלמו צעדה צעד גדול קדימה במימוש העקרונות לעיל ולכן הצליחה ל”דחוס” הרבה הספק במעט מאוד נפח.
דוגמה ל”בקרת הספק מתקדמת”
בתרשים לעיל (ראה איור 6) מתואר מיתוג הספק של 50 אמפר ב-50 וולט בעת כניסה להולכה של רכיב MOSFET.
תהליך הכניסה להולכה מהיר מאוד ומתרחש בפחות מ-200 ננו-שניות. למרות המעבר המהיר תהליך המיתוג “רך” מאוד, מתרחש ללא תנודות, וזרם ההתאוששות
(Recovery current) זניח ומבוקר.
קצב שינוי הזרם dI/dT וקצב שינוי המתח – dV/dT “חלקים” אך מהירים וללא תופעות פרזיטיות של OVERSHOOTS בזרם ואו במתח.
בסיום תהליך המיתוג רכיב ה-MOSFET נכנס לרוויה “עמוקה”. (ראה איור 6)
בתרשים מספר 7 מתואר מיתוג הספק של 50 אמפר ב-60 וולט בעת יציאה מהולכה של רכיב MOSFET.
תהליך היציאה מהולכה מהיר מאוד ומתרחש בפחות מ-150 ננו-שניות. גם ביציאה מהולכה המיתוג מאוד “רך”, ללא אוסילציות.
קצב שינוי הזרם dI/dT וקצב שינוי המתח – dV/dT “חלקים” אך מהירים וללא תופעות פרזיטיות של OVERSHOOTS בזרם ואו במתח.
התוצאה של טכנולוגית המיתוג המתוארת לעיל היא נציליות גבוהות, ומצד שני הפרעות אלקטרו מגנטיות זניחות.
כתוצאה מהמיתוג היעיל פיזור ההספק שנמדד ב-HOR-B40/120 בעת דחיפת 4400 וואט למנוע הייה כ28 וואט בלבד!
הניסוי הבא (ראה איור משמאל) מתאר את תוצאות ה”ניהול הטרמי” של מגברי B הניסוי בוצע בתנאים הבאים:
מתח הזנה 36 וולט מתח ישר
זרם מוצא למנוע 50 אמפר
טמפרטורת הסביבה 55 מעלות צלזיוס
אפשר לראות שהטמפרטורה הנמדדת, היא הטמפרטורה הממשית של מארז טרנזיסטורי MOSFET.
התוצאות המתקבלות: מגבר ה-HOR-B 50/50 דוחף 1800 ואט בערך, וטמפרטורת מארז טרנזיסטורי MOSFET בשליטה מלאה ועולה באיטיות רבה. היא מגיעה לערך המרבי שלה, רק לאחר 35 שניות. עליית הטמפרטורה של טרנזיסטורי MOSFET היא רק 30 מעלות צלזיוס בערך. בזכות הפסדי “המרת הספק” הנמוכים מאוד, טמפרטורת הצומת תהיה גבוהה יותר מטמפרטורת המארז, במעט פחות
מ-10 מעלות צלזיוס.
בתנאים המתוארים לעיל, אפשר להרחיב את משך זמן זרם השיא תוך כדי שמירה על אמינות גבוהה, ולהגדיל את טמפרטורת הסביבה ל-90 מעלות צלזיוס, לפחות.
יישומי פרצים
(BURSTS) צבאיים
ביישומי BURST הפרצים הצבאיים אנו מבחינים בשני מצבי פעולה אופייניים להגנה: המצב האחד הוא פעולה “חד פעמית” (one shot) – מצב שבו אין צורך בהפעלה נוספת, והמצב השני, הוא פעולה נמרצת שנמשכת על פני כמה דקות, אשר לאחריהן, המערכת, לרבות הינעי הסרוו, תימצא במצב מנוחה שבו יתאפשר לה להתקרר. בפעולה מהסוג הראשון לעיל, הלקוחות ידרשו בדרך כלל, לנטרל את כל ההגנות. במצב זה, הם יעדיפו לנטרל את שולי ההגנה, אפילו תוך כדי הסתכנות בתקלת הינע, אך בתמורה לשיפור הסיכויים שלהם להשלים את המשימה. גם בפעולה מהסוג השני, יגלו הלקוחות רגישות גבוהה מאוד לחשיבות של השלמת המשימה, אך כאן, הם לחלוטין לא יהיו מעוניינים להסתכן באפשרות של תקלת הינע. הלקוחות המשתמשים במצבים מהסוג השני, יבקשו להרחיב את גבולות ההגנה עד למקסימום.
חברת אלמו תומכת בפעולות במצבים משני הסוגים המתוארים לעיל, מבלי לפגוע באמינות. תמיכה רחבה כזו מושגת ע”י שיתוף פעולה הדוק ביותר עם הלקוחות והתאמת הפתרון ליישום הספציפי. כמו כן, מוקדשת תשומת לב מרבית למימוש החומני, למעטפת הפעולה בזרם ובמתח, למדיניות ההגנות ולשיטות ההרכבה של סדרת HOR-B, ולעוד היבטים רבים אחרים. (ראה איור 8)
לסיכום
מגברי הסרוו של אלמו מסידרה B עונים על צרכים קריטיים של יישומים הדורשים “פרצים” (Bursts) גבוהים של הספק/זרם/ מומנט/ כוח למנוע החשמלי תוך שמירה והקפדה על איכויות ואמינות, במארז סופר מיניאטורי, העומד בתנאי סביבה קשיחים וקיצוניים.
עולם הסרוו נמצא בתהליך מתמיד של “יותר מהר, יותר מדויק, יותר הספק, יותר קטן, יותר אמין”. אלמו, נמצאת בתהליך מתקדם של פיתוח הדור הבא של מגברי סרוו זעירים עוד יותר בהם המשקל הסגולי של ההספק (Power Density) יהיה משמעותית גבוה יותר.
מאת: חיים מונהייט, Elmo Motion Control, CEO
