כיצד לבחור וליישם ממסרים אלקטרומכניים עבור מיתוג אותות ורסטילי ואמין

יישומים כגון טלקום והתקני רשת, ציוד בדיקה אוטומטי (ATE) והתקני אבטחה צריכים יותר ויותר למתג ולנתב באופן אמין אות יחיד או אותות רבים ברמה נמוכה עד בינונית DC, ‏AC (אנלוגי) ותדר-רדיו (RF). ממסרים אלקטרומכניים (EMRs) מתאימים היטב לטפל במשימה זו.

ממסרי EMR‏ מציעים ביצועי מצב-מופעל ומצב-מושבת יוצאים מן הכלל ביחד עם בידוד כניסה/יציאה, וזמינים בתצורות קטבים מרובים כדי לספק למתכננים גמישות וורסטיליות. יתר על כן, ממסר יחיד יכול לתמוך בסוגי אותות שונים (AC, ‏DC, תדר נמוך, RF) באותו התקן, דבר המוסיף לערך שלהם.

למרות שיש להם חלקים נעים ומגעים פיזיים, הם מאופיינים במלואם בשל היסטוריית היישומים הארוכה שלהם. ככאלה, הם "פותרי בעיות" אמינים היכולים לספק שנים רבות של שירות עקבי. בעוד ממסרי EMR‏ הם גם התקנים מוקשחים אינהרנטית, מתכננים חייבים לבחור ממסר מתאים‏ (מבחינת דירוגי סליל ומגעים) ולהשתמש בו בצורה נכונה כדי להבטיח אריכות חיים מקסימלית.

מאמר זה דן בקיצור בסוגי ממסרי אותות ויישומים. אחר כך הוא מתאר כיצד לבחור וליישם ממסרי EMR‏ תוך שימוש בדוגמאות מבית Omron Electronic Components.

סוגי ממסרים ובידול

EMR‏ מתייחס לרכיב עם תת-סוגים רבים ספציפיים ליישום. לדוגמה, לממסרי הספק יש מגעים מדורגים ‎2 A‏ או יותר, בעוד ממסרי אותות מתוכננים עבור זרמי מגעים מתחת לערך זה.

ממסרי אותות ניתנים לחלוקה לשתי קבוצות: לא אותות RF‏ ואותות RF‏. בעוד כל הממסרים מאופיינים על ידי פרמטרי רציפות בסיסיים ומתח וזרם מקסימליים בהם יכולים לטפל, קיימים מדדי ביצועים נוספים עבור ממסרי RF. מדדים אלה כוללים:

• בידוד גלווני: אותות תדר גבוה זולגים דרך הקיבול התועה בין המגעים, אפילו אם המגעים נפרדים. בידוד גלווני‏ נמדד בדציבלים (dB‏).
• הפסדי שילוב (insertion loss): בתדרים גבוהים, הפרעות של אותות מתעוררות בגלל השראה עצמית, התנגדות והפסדים דיאלקטריים, כמו גם מהחזרות עקב אי תאום עכבות. הפסדי שילוב נמדדים גם כן‏ ב-dB‏.
• יחס גלים עומדים מתח (VSWR): זה קורה בשל הפרעות ‏בונות/הרסניות בין גל אות‏ כניסה וכל אות מוחזר. מדד זה הוא מספר ללא יחידות המציין את היחס בין הערך המקסימלי של צורת גל לבין ערכה המינימלי.

פישוט מפרט החומרים (BOM)

תצורות ממסר מוגדרות על ידי מספר‏ המגעים או הקטבים (P) שלהם ומצבי מגעים פתוחים/סגורים במצב נורמלי (כלומר ללא מתח על הסליל) של הממסר (איור 1‏). המגעים יכולים להיות פתוחים-במצב-נורמלי (NO) או סגורים-במצב-נורמלי (NC). תצורות קוטב יחיד (SP‏) וקוטב-כפול (DP‏) הכי נפוצות, למרות שקיימות יחידות עם יותר קטבי מגע. ההשלכה (T)‏ היא המיקום הקיצוני של המפעיל (Actuator).

איור 1: מוצגים סידורי מגעים וכינויים סטנדרטיים בתעשייה עבור מספר סוגים של ממסרי EMR; הקווים המקווקווים בממסר Form 2C מציינים שלשתי הארמטורות יש קישור לא מוליך המזיז את שני המגעים בו-זמנית כשסליל הממסר מקבל זרם. (מקור תמונה: .Sealevel Systems, Inc‏)

היכולת של ממסרי‏ EMR‏ לתמוך בקטבים מרובים והשלכות NO/NC מדגישה כיצד הם יכולים לפשט מעגלים, לחסוך מקום בלוח, לצמצם מפרט חומרים (BOM) ולהקטין עלויות. הסיבה היא שממסר יחיד יכול למתג נתיבי מעגל מרובים, כולם-במצב-מופעל, כולם-במצב-מושבת או ‏צירוף‏ של שני המצבים, בהתאם לתצורת הקטבים וההשלכות. אותו הממסר יכול גם למתג אותות AC‏ כמו גם DC‏, לספק פעולה בו-זמנית על פני נתיבי מעגלים מרובים.

במקרים מסוימים, ממסרי EMR‏ עם זוג קטבים נוסף‏ משמשים להזנת מעגל עזר, כמו‏ מעגל LED‏, כדי לציין למשתמשים שהממסר הופעל ויצר את מצב המגעים הרצוי. יתר על כן, כמה מתכננים מנוסים משתמשים בממסר קוטב כפול, השלכה כפולה (DPDT) כשכל מה שהם צריכים הוא יחידת קוטב יחיד, השלכה כפולה (SPDT) (במקרים רבים לממסרי SPDT ו-DPDT יש אותה חתימת שטח), דבר הנותן להם זוג מגעים "למקרה הצורך" כדי לתקן בעיה או מחדל שמתגלה מאוחר יותר במחזור התכנון.

ה-G6J-2P-Y DC12‏ (איור 2‏) מבית Omron‏‏ הוא ממסר DPDT אולטרה-דק (Form 2C) עם סליל של 977 אוהם‏ (Ω‏) ומתוכנן להיות מופעל על ידי ‎12 V ב-‎12.3 mA‏‏. שים לב שחברים אחרים במשפחה זו מציעים זוגות מתח/זרם סליל שונים עד 24‎ V_DC עבור תאימות עם כמעט כל מעגל הפעלה או מצב.

איור 2‏: ה-G6J-2P-Y DC12‏ הוא ממסר DPDT‏ אולטרה-דק עם סליל של ‎12 V,‏ ‏12.3‎ mA;‏ הוא חלק‏ ממשפחה של‏ ממסרים בגודל ודירוגי מגעים זהים אך צירופי מתח/זרם סליל שונים. (מקור תמונה: Omron)

ממסר זעיר זה מתאים ללוחות מעגל מודפס (PC) בצפיפות גבוהה, ומידותיו הם 5.7 × 10.6 × 9 מילימטר (mm) בלבד. ה-G6J-2P-Y DC12‏ מגיע עם הדקים לחור-עובר, אך גרסאות זהות מציעות הדקי הרכבה-משטחית קצרים וארוכים עבור גמישות מקסימלית. המגעים של‏ ממסר זה וכל האחרים במשפחה זו מדורגים לטפל בעד ‎0.3 A ב-‎125 V_AC ו-‎1 A ב-‎30 V_DC.

ממסרים ו-RF

שימושי ממסרים אינם מוגבלים לאספקת סגירות מגעים "יבשות" פשוטות או טיפול במתחי/זרמי DC ואותות AC בתדר נמוך יותר. דגמים מסוימים מתוכננים במיוחד עבור יישומי תדר-אולטרה-גבוה, כמו ATE.

ה-Omron G6K-2F-RF-V DC4.5 הוא ממסר זעיר DPDT להרכבה-משטחית התומך במיתוג ‏אות בשידור-דיפרנציאלי. הפסדי שילוב (insertion loss) של ממסר 11.7 ×‏ 7.9 ×‏ 7.1 מ"מ זה הוא ‎3 dB‏ או פחות ב-8 גיגה-הרץ (GHz‏‏). ניתן להשתמש בו גם בתדרים גבוהים יותר, כפי שמראה דיאגרמת העין עבור אות דיפרנציאלי של ‎200 mV עם זמן עליה של 25 פיקו-שנייה (ps) (איור 3‏).

איור 3‏: ממסר ה-DPDT הזעיר להרכבה-משטחית G6K-2F-RF-V DC‏ משתמש במיתוג אות בשידור-דיפרנציאלי‏ ומוגדר עבור GHz‏ 8‏ ומעלה, כפי שנראה בדיאגרמות עין אלו, עם אותות של 8.1, ‏10 ו-‏12.5 גיגה-ביט‏ לשנייה (Gbit/s‏). (מקור תמונה: Omron)

ביצועי תחום-GHz אלה נובעים בחלקם מתכנון חשמלי ומכני התומך אינהרנטית באותות דיפרנציאליים. זה מסייע להבטיח ביצועים רצויים כמוגדר על ידי בידוד RF (ללא קשר לבידוד גלווני), הפסדי שילוב (insertion loss), ו-VSWR (איור 4‏).

איור 4‏: ממסר הגיגה-הרץ G6K-2F-RF-V משתמש‏ בתכן דיפרנציאלי אינהרנטי המקל על בעיות פריסה פיזית של לוח מעגל חשמלי וממזער את ההשפעה המזיקה של פריסה זו על ביצועי RF. (מקור תמונה: Omron)

הממסר משתמש במערך פנימי מתקדם המפשט את פריסת לוח המעגל המודפס ומונע את הצורך בניתוב מסלול אות רב-שכבתי מורכב על הלוח, שפוגע בביצועי RF. השימוש שלו במארז שרף במקום מתכת מונע את הבעיה של קיצור פיני בחון (Probe) דרך מארז מתכת וגרימת נזק ללוח ולחלקים תוך כדי בדיקת ההרכבה של הממסר.‏

ממסרים וצריכת הספק

צריכת הספק היא‏ פרמטר קריטי כמעט בכל המעגלים והמערכות. היא מגדירה גודל אספקה, משפיעה על זמן פעולה עבור תכנים מוזני-סוללה, והחום הנלווה משפיע על ביצועים תרמיים. לזה יש השלכות על ממסרים קונבנציונליים לא-ננעלים, היכן שהסליל חייב להישאר מוזן כל זמן שהממסר צריך להיות מופעל.

ארכיטקטורות חלופיות לתכן המופעל/מושבת הבסיסי (פורמלית נקרא צד-יחיד יציב) מטפלות בחשש זה. הממסר הננעל (הנקרא גם ‏ממסר שומר)‏ מתוכנן כך שברגע שהוא מופעל,‏ הוא נשאר באותו מצב אפילו לאחר שמתח ההפעלה על הסליל הוסר.

ישנן מספר דרכים ליישם את פונקציית הנעילה. ה-G6JU-2P-Y DC3‏, ואחרים במשפחה זו, משתמשים בטכניקת נעילה ליפוף-בודד‏ בה פולס כניסת ההפעלה גורם לשמירת המצב המופעל באמצעות מגנט קבוע סמוך. פולס כניסת האיפוס (כניסה עם קוטביות הפוכה לכניסת ההפעלה) מעביר את הממסר למצב לא‏ נעול.

ממסרים ואמינות

לממסרים יש חלקים נעים ומגעים חשמליים פיזיים, כך שזה נורמלי להניח שהם יהפכו להיות לא אמינים לאחר מספר צנוע של מחזורי הפעלה/השבתה. עם זאת, זה לא המקרה.

ראשית, ההשפעות השונות של פתיחת וסגירת מגעים כשנושאים AC‏ לעומת DC‏ ברמות שונות הן מובנות היטב ומצוינות בפירוט בגיליון הנתונים של הממסר. בלאי מגעים קודם זמנו לא צריך להוות בעיה אם מכבדים את התנאים המוגדרים.

חשוב באותה מידה הוא שעשורים של‏ שימוש, ניסיון עם אינספור יחידות בשדה, מחקר ופיתוח מטלורגי, מידול וניתוח, בדיקות חיים מבוקרים, שיפורים בייצור וגורמים טכניים אחרים הפכו את התכנון והייצור של סלילים ומגעים לתהליך מובן-היטב, בוגר ומתוחכם, ולקבלת רכיבים בהתאם.

עמידות הממסר מחוברת לעמידות מגע וסליל. עמידות סליל מתחילה עם ערך‏ סטנדרטי של‏ 40,000 שעות, מכיוון שיש ירידה בתכונות הבידוד עקב חום שנוצר כשהמתח הנקוב מופעל ברציפות על הסליל. אם השימוש בממסר הוא לסירוגין, עמידות הסליל היא ארוכה הרבה יותר.

עמידות מוערכת גם על ידי שני גורמים המצוינים לעתים קרובות בגיליונות נתונים:

• עמידות מכנית היא מספר הפעמים ממסר יכול לפתוח ולסגור את המגעים ללא עומס, תוך התחשבות בתקלות מכניות ומאפיינים.
• עמידות חשמלית היא מספר הפעמים ממסר יכול לפתוח ולסגור את המגעים עם עומס נקוב (כגון ‎125 V_AC,‏ 0.3‎ A‏ / ‎30 V_DC,‏ 1‎ A).

מגעי ממסר באים בתצורות שונות עם רמות הולכות וגדלות של‏ אמינות ארוכת-טווח: מגע יחיד, מגעים תאומים ומגעים תאומים Cross-Bar‏ (איור 5‏). התכנון של מגעים תאומים‏ Cross-Bar‏ מספק התנגדות מגעים יציבה במיוחד ומקטין למינימום תקלות מגעים. לחברי משפחת ה-G6J-2P-Y יש Crossbar‏‏ מפוצל (דומה למגעים התאומים Cross-Bar‏) עם מגעי כסף מצופים בסגסוגת‏ זהב.

איור 5‏: מגעי ממסר השתפרו והתפתחו ממגע בסיסי יחיד למגעים תאומים Cross-Bar‏ בעלי תוחלת חיים ארוכה יותר המציעים ביצועים עקביים והתנגדות מגעים יציבה. (מקור תמונה: Omron)

האמינות הידועה של‏ ממסרים אלה עושה אותם לבחירה טובה לכל יישום בו זמן השבתה או הפרעות בשירות אינם מקובלים, או ביצועי ממסר הם שיקול קריטי למשימה.

סיכום

ממסרי EMR הם רכיבים פותרי-בעיות קריטיים ברבות מהמערכות של היום, מטפלים ופותרים הרבה בעיות של נתיבי אותות. הם מציעים תכונות ייחודיות וחסרות תחליף לטיפול באותות, ביצועים מוגדרים היטב ואמינות ארוכת-טווח. ממסרי אותות קיימים עבור DC‏, תדר-נמוך, ואפילו יישומי RF בתוך תחום ה-GHz,‏ ובכך מרחיבים את תחולתם.