ניתוח אפשרויות בקרה והגנה עבור מאווררי DC

כהתקן ניהול תרמי ידוע ומיושם באופן נרחב, ניתן להשתמש במאווררי DC יחידנים, בטור או במקביל כדי לספק קירור בקונבקציה עם אוויר מאולץ. הוורסאטיליות שלהם וההפעלה הפשוטה יחסית שלהם הפכו אותם לבחירה סולידית לשיפור הפרופיל התרמי של יישומי קצה מזה שנים רבות. עם שורשים בפיזיקה בסיסית, האוויר הנע שמייצרים המאווררים הוא יעיל בקירור רכיבים על ידי ספיגת חום ואז העברת חום זה להתקן שיפזר אותו. עם זאת, האפקטיביות שלהם מושפעת מכמה גורמים והמהנדסים יכולים ליהנות מהבנה טובה יותר של התכונות והאפשרויות הקיימות עבור מאווררי DC כדי לשפר את האמינות והיעילות שלהם.

איור 1‏: קירור בקונבקציה טבעית לעומת קירור בקונבקציה עם אוויר מאולץ (מקור התמונה: Same Sky)

כדי להתחיל בתהליך בחירת מאוורר DC, המהנדס יצטרך לבצע ניתוח תרמי בסיסי על מנת לחשב את דרישות זרימת האוויר המינימלית. ניתוח תרמי טיפוסי עשוי לכלול מודלים של מקורות חום, תנאי סביבה ועליית טמפרטורה. גורמים אחרים כמו גודל המאוורר, כיוונו ומסלול זרימת האוויר בתוך היישום יש גם כן להביא בחשבון בכדי להבטיח יישום של פתרון מתאים. הבלוג של Same Sky, "הבנת יסודות זרימת האוויר לבחירה נכונה של מאוורר DC" מספק פרטים נוספים על הניתוח התרמי ועל תהליך הבחירה.

עם השלמת הניתוח התרמי ובחירת המאוורר המתאים והגודל המתאים, כל שנותר הוא להזין את המאוורר ולתת לו לעבוד, נכון? בעוד שהפעלת מאוורר "במשרה מלאה" יכולה לשרת את מטרתו בתרחישים מסוימים, קירור אוויר מאולץ מתמשך בדרך כלל אינו מספק פתרון חסכוני באנרגיה או לטווח הארוך. מאווררי ה- DC של היום מציעים למתכננים חבילת של אפשרויות בקרה, ניטור והגנה על מנת לשפר את יכולות הניהול התרמי שלהם. יתר מאמר זה יכוון לכיסוי מאפיינים אלו, כך שהמתכננים יוכלו ליהנות מטכניקות בקרת מאווררים מתקדמות יותר.

מחזורי הפעלה/הפסקה

כפי שצוין לעיל, הפעלת מאוורר "במשרה מלאה" תשמור בהחלט על רכיבים רגישים לטמפרטורה, אך היא מתעלמת הן מההספק שהוא צורך והן מהעובדה שבמאווררים יש חלקים נעים עם אורך חיים סופי. כאשר המאווררים פועלים, הם גם יוצרים רעש נשמע שעשוי להיות לא רצוי במגוון של יישומים וסביבות.

מחזורי הפעלה/הפסקה של מאוורר סביב נקודת הטמפרטורה המוגדרת מהווה גישה חלופית היכול למתן כמה מהחסרונות של פעולת מאוורר רצופה. בקרת הפעלה/הפסקה של המאוורר יכולה לחסוך הספק על ידי הגבלת זמן הפעולה, עם פחות מאמצים על הרכיבים הנעים של המאוורר והפחתת הרעש הנשמע כאשר המאוורר אינו בפעולה כשהטמפרטורה יורדת מתחת לנקודה שהוגדרה.

עם זאת, בקרת הפעלה/הפסקה של מאוורר היא גם פשטנית מדי עבור גישת קירור אוויר מאולץ במובנים רבים ויש לה מערך חסרונות משלה. ראשית כל, טכניקת ההפעלה/הפסקה גורמת למחזורי חום וקור ברכיבים הרגישים לטמפרטורה. מחזוריות תרמית עשויה להיות מזיקה לרכיבים קריטיים אף יותר מאשר פעולה בטמפרטורות גבוהות באופן קבוע. הסיבה לכך היא שמחזוריות תרמית יוצרת הבדלים במקדמי הטמפרטורה הגורמים למאמץ נוסף על חומרים ונקודות הלחמה ומובילים לתקלות מוקדם מדי.

החיסרון הבא הוא גורם ה- Overshoot‏ התרמי הבלתי-נמנע. זהו שיהוי הזמן בין הפעלת המאוורר והרגע שבו האוויר המאולץ שהוא מייצר מתחיל להתקרר. במהלך שיהוי זמן זה, התחממות-יתר של הרכיבים יכולה להתרחש אלא אם כן מורידים את נקודת ההגדרה של "הפעלת מאוורר". כמו כן, על ידי הורדת נקודת ההפעלה, זמן ההפעלה של המאוורר ויצירת הרעש הנשמע מתארך. לבסוף, כדי להימנע ממיתוג מהיר של הפעלה והפסקה סביב נקודת ההגדרה, המכונה לעתים 'Chattering‏', יהיה צורך לממש היסטרזיס.

הגרף להלן עוזר להמחיש את דילמת ה- Overshoot‏ התרמי הנגרם על ידי פיגור תרמי ביישומי בקרת מאווררים עם הפעלה/הפסקה. גרף זה משרטט את טמפרטורת ההפעלה הרצויה עם שינוי מדרגה (תכלת), לצד הפעלה/הפסקה של המאוורר (ירוק) והטמפרטורה בפועל (כחול כהה).

איור 2‏: מחזוריות מאוורר של הפעלה/הפסקה יכולה לגרום ל- Overshoot‏ ולפיגור תרמי (מקור התמונה: Same Sky)

אפשרויות בקרת מאוורר של היום

מאווררי DC של היום מציעים למתכננים מערך של יכולות בקרה והגנה המאפשרות מערכות ניהול תרמי עם כיוונון עדין יותר. תכנים מתקדמים אלה מביאים את ההפעלה/הפסקה הבסיסיות של המאוורר לרמה חדשה של ביצועים, יעילות ואמינות. קיימות גם אפשרויות הגנה המגלות בעיות לפני שהן גורמות לנזק למאוורר ולרכיבים שהמאוורר מקרר. כמה מהאפשרויות הנפוצות ביותר לבקרה והגנה על המאוורר מכוסות להלן:

אפנון רוחב-פולס

אפנון רוחב פולס (PWM) היא שיטה נפוצה המשמשת לבקרה ושינוי של מהירות המאוורר על בסיס תנאים תרמיים משתנים. בקרת מהירות-משתנה מבוססת-PWM מניבה נצילות פעולה טובה יותר כאשר היא משולבת עם אלגוריתמי בקרה מתקדמים היכולים לאמץ דינמיקת פעולה המתאימה את מהירות המאוורר לעומס התרמי.

את בקרת מאוורר הפעלה/הפסקה ניתן גם לשדרג באמצעות שיטה זו על ידי אימוץ אסטרטגיות בקרה בחוג-סגור של אינטגרל-פרופורציונלי (PI‏) ונגזרת-אינטגרל-פרופורציונלי (PID‏). אסטרטגיות אלה עוזרות להימנע מ- Overshoot‏ או Undershoot‏ תרמי למרות שינויים בעומס על ידי הבטחת זרימת-אוויר השומרת על התנאים בטמפרטורת נקודת ההגדרה הרצויה.

אותות טכומטר משובץ

משמש עבור משוב בחוג-סגור ובקרת מאווררים מתקדמת יותר, הטכומטר המשובץ חש ומדווח על מהירות הסיבוב של המאוורר על ידי מדידת התדר של אותות היציאה שבפולסים. הוא משמש גם כחיישן נעילה המתריע למשתמשים אם המאוורר הפסיק את פעולתו עקב נפילת הספקת-הכוח, חסימה וכו'. היכולת לזהות בעיות אלו בהקדם האפשרי מהווה יתרון גדול להפעלת המערכת ומאפשרת כיבוי בזמן להגנה על רכיבים רגישים לטמפרטורה.

הגנת אתחול-עצמי

הגנת אתחול-עצמי מגלה מצב שבו מנוע המאוורר אינו יכול להסתובב ומנתק אוטומטית את זרם הדחיפה. זה מגן על מעגלי דוחף המאוורר ומודיע לבקר המאוורר על בעיות מיידיות עקב כיבוי זרם הדוחף.

חיישן גילוי/נעילת סיבוב

משמש לגילוי אם מנוע מאוורר פועל או נעצר, חיישן גילוי/נעילת סיבוב הוא אמצעי הגנה מפני בעיות בהתנעה או במהלך הפעולה.

סיכום

כאשר יישום מייצר עודף חום, מאווררי DC הם בחירה נפוצה לשמירה על רכיבים בגבולות הפעולה שלהם ולשיפור פיזור החום. בעוד שבחירה והפעלת מאוורר ברציפות לאחר ניתוח תרמי בסיסי היא בהחלט אפשרות, בקרות והגנות מאווררים מתקדמים יותר יכולים להציע למתכננים אורך חיים ויעילות תפעולית טובים יותר. לחברת Same Sky יש סל מוצרים מקיף של מאווררי ומפוחי DC‏ עם מגוון של גדלים, זרימות אוויר, מהירויות ובקרות כדי להפוך תהליך זה לפשוט.