ממסרי הספקת-כוח - הבנת היסודות

ממסרים מתפקדים למעשה כמתגים השולטים בפעולת מתגים אחרים בתוך מעגלים חשמליים. באמצעות אות כניסה בהספק נמוך, הם מפעילים פקודה על מעגלים בהספק גבוה יותר. האות בהספק נמוך של הממסר משפעל אלקטרומגנט, המתניע את התנועה של הארמטורה. תנועה זו, בתורה, גורמת לסגירת המגעים החשמליים, ובכך מקלה על העברת ההספק למעגל המבוקר.

אחד היתרונות החשובים של תכן זה טמון ביכולתו לבודד את אות הבקרה בהספק נמוך מהמעגל בהספק גבוה. בידוד זה לא רק מגן על המפעילים מפני סכנות פוטנציאליות אלא גם מגן על הציוד מפני נזק אפשרי. בנוסף, הסדר זה מקל על בקרה מרחוק על התקנים או מערכות, ומאפשר הפעלה מרחוק.

הולדתם של ממסרים אלקטרומכניים הייתה בשנת 1835, ולמרות התקדמות משמעותית ברכיביהם ובמגוון שלהם לאורך השנים, תפקידם הבסיסי נותר כשהיה. אחד הממסרים המוכרים ביותר לאורך ההיסטוריה הוא ממסר הספקת-הכוח. בעוד שכל הממסרים החשמליים מבקרים מטבעם הספקת-כוח, אין זה מדויק לקרוא לכולם "ממסרי הספקת-כוח". מאמר זה יסקור מקרוב את ממסרי הספקת-הכוח, כולל היתרונות שלהם, התצורות וקריטריוני הבחירה העיקריים שלהם.

יסודות ממסרי הספקת-כוח

ממסרי הספקת-כוח ידועים ביכולתם המיוחדת לנהל מיתוג זרם ברמה גבוהה, החל ממספר אמפרים ועד לזרמים גבוהים יותר משמעותית. המבנה החזק יותר שלהם והממדים המוגדלים מאפשרים למגעי ממסר הספקת-הכוח לעמוד בזרמים גדולים, והופך אותם למועמדים אידיאליים עבור יישומים הדורשים זרמים העולים בדרך כלל על 10 אמפר.

הם משמשים יותר ויותר בתעשיות מגוונות, הכוללות מערכות רכב, פקדי מעליות, מפעילי שסתומים והתקנים שונים המאופיינים בנחשולי זרם ראשוניים גבוהים, כגון מנועים, סולנואידים, ספקי כוח ומשנקים אלקטרוניים.

בדומה לרכיבים חשמליים אחרים, ממסרים מגיעים עם מגבלות אינהרנטיות לגבי ההספק שהם יכולים לנהל בבטחה. לכל דגם מוקצה דירוג הספק מקסימלי, המבטיח התאמה יעילה למגוון רחב של עומסים, מגופים בהספק נמוך כמו נורות ועד למכונות חזקות כגון מנועים גדולים. עם זאת, חריגה מדירוג ההספק שצוין עלולה לגרום לנזק קבוע לממסר.

בנוסף, סטיות-יישור של מגעים יכולות לגרום לקשת חשמלית בין המגעים, המאופיינת בזרימת זרם דרך מרווח האוויר בין מגעי הממסר כאשר הם פתוחים אך קרובים זה לזה. תופעה זו מהווה סיכון מעבר לניצוצות ויצירת חום, כולל שחיקה של מגעים וגרימת הפרעות חשמליות לא-רצויות, העלולות להזיק לציוד קרוב.

איור 1‏: קשת חשמלית בין מגעים בממסר אלקטרומכני. (מקור התמונה: Same Sky)

כאן נכנסים ממסרי הספקת-כוח, שתוכננו במיוחד כדי להתמודד עם עומסים חשמליים של התקנים בעלי זרם גבוה כגון תנורי חימום, מנועים, מערכי תאורה וציוד תעשייתי. דירוגי הזרם והמתח המוגברים של ממסרי הספקת-כוח נובעים בעיקר משימוש בחומרים של מגעי מתגים שהם שונים מאלה שבממסרים רגילים. חומרים אלה נבחרים בשל יכולתם לעמוד בדרישות של יישומים בעלי הספק גבוה, ולהבטיח פעולה אמינה ואריכות ימים במסגרות תעשייתיות תובעניות.

חומרי המגעים של ממסרי הספקת-כוח

כאשר זרם זורם דרך מגעי ממסר, הוא נתקל בהתנגדות, גורם התלוי בגודל ובהרכב החומרים של המגעים. התנגדות מוגברת לא רק מגבירה את ההספק המתפזר בתוך הממסר, אלא גם מגבירה את ייצור החום. גישה אחת להפחתת התנגדות המגעים היא בחירה קפדנית של חומרי המגעים.

ממסרים קונבנציונליים כוללים בדרך כלל מגעים העשויים מכסף ניקל, מתכת הידועה בשכיחותה ההיסטורית בבניית ממסרים. מגעי ניקל כסף מצטיינים במיתוג עומסים התנגדותיים, כאשר הזרם והמתח נמצאים בפאזה זה עם זה.

בניגוד לכך, בממסרים המיועדים עבור עומסים גבוהים יותר, כמו ממסרי הספקת-כוח, בוחרים במגעים העשויים מחומרים כגון תחמוצת קדמיום כסף, תחמוצת בדיל כסף או סגסוגת זהב. חומרים אלה הם אידיאליים עבור טיפול בעומסים אינדוקטיביים, המאופיינים בזרם ובמתח אסינכרוניים העשויים להניב שיאי זרם או מתח משמעותיים. גם מגעי תחמוצת קדמיום כסף וגם מגעי תחמוצת בדיל כסף מציעים התנגדות חשמלית מופחתת ומפחיתים את הסיכון של ריתוך מגעים הנובע מזרמי התנעה גבוהים. ראוי לציין שהאימוץ של תחמוצת בדיל כסף עוקף חששות סביבתיים הקשורים לסגסוגות מבוססות-קדמיום, ובכך מתיישר עם הסטנדרטים הרגולטוריים הנאכפים על ידי מדינות מסוימות.

ממסרי הספקת-כוח בהשוואה לממסרי אותות

ממסרי הספקת-כוח וממסרי אותות מייצגים שתי גרסות פופולריות בתחום הממסרים. בעוד שממסרי הספקת-כוח נותנים עדיפות לטיפול במתחים וזרמים גבוהים יותר, הם בדרך כלל סובלים פחות מחזורי חיים. ולהפך, ממסרי האותות מתוכננים עבור מספר מחזורי חיים גבוה יותר אך פועלים עם מתחים נמוכים יותר וזרם מינימלי.

חומרי המגעים המשמשים בממסרי הספקת-כוח, למרות שהם מיומנים בניהול תרחישי הספק גבוה, אינם מתאימים באופן אידיאלי עבור מיתוג בהספק נמוך. זה נובע מהעובדה שבמתחים נמוכים יותר, החיבור הפיזי בין המגעים מקבל חשיבות עליונה, המוכתב על ידי גורמים כמו לחץ וניקיון המגעים, ולא מחומרי המגעים.

יתר על כן, שימוש בממסר אותות ביישומי הספקת-כוח טומן בחובו סיכונים אינהרנטיים, העלולים להגיע עד כדי כשל קטסטרופלי עקב מתח-יתר או זרם-יתר. גם אם ממסר כזה ישרוד, יהיו חסרים לו מאפיינים חיוניים כמו מניעת קשת חשמלית וניקוי-עצמי של המגעים, תוך פגיעה באמינות לטווח-ארוך.

בתהליך קבלת ההחלטות בין ממסרי הספקת-כוח ואותות, יש חשיבות מכרעת להקפדה על הנחיה בסיסית: התאימו תמיד את רמת ההספק הממותג לדירוג ההספק של הממסר. זה מבטיח ביצועים אופטימליים, מפחית סיכונים לתקלות ושומר על שלמות הממסר והמערכות הנלוות. ניתן לקרוא עוד על ממסרי אותות במאמר אחר של Same Sky שכותרתו, ממסרי אותות - הבנת היסודות.

סוגי ממסרי הספקת-כוח

ממסרי הספקת-כוח, כמו ממסרים רגילים, זמינים בשני סוגים עיקריים: אלקטרומכני ומצב-מוצק.

ממסרי הספקת-כוח אלקטרומכניים מסתמכים על שילוב של סלילים חשמליים, שדות מגנטיים, קפיצים, ארמטורות נעות ומגעים כדי לייצב את הספקת-הכוח להתקן.

מצד שני, ממסרי מצב-מוצק אינם משתמשים בחלקים נעים. במקום זאת, הם ממנפים התקני מוליכים-למחצה כגון מיישרים מבוקרי-סיליקון (SCRs‏), TRIACs‏ (טריודה לזרם חילופין), או טרנזיסטורי מיתוג כדי למתג זרמי AC ו-DC. ממסרי מצב-מוצק מציעים יתרונות כגון מהירויות מיתוג גבוהות יותר ואמינות משופרת בהשוואה לממסרים אלקטרומכניים. עם זאת, יחס עלות-תועלת שלהם פוחת ככל שדרישות ההספק עולות, עקב העלויות הגבוהות יותר הקשורות למוליכים-למחצה להספק גבוה והכללת רכיבי ניהול תרמי נוספים.

איור 2‏: דוגמה של ממסר מצב-מוצק בשילוב עם צלעות-קירור. (מקור התמונה: Same Sky)

תצורות ודירוגים נפוצים

ממסרי הספקת-כוח, בדומה לעמיתיהם שאינם להספק, מסווגים על סמך תצורת המגעים שלהם, תוך ציון מספר ההתקנים שהם יכולים לבקר בו-זמנית. הסיווגים הנפוצים כוללים:

• SPST‏ (קוטב יחיד, דרך יחידה)
• DPDT‏ (שני קטבים, שתי דרכים)
• 3PDT‏ (שלושה קטבים, שתי דרכים)
• SP3T‏ (קוטב יחיד, שלוש דרכים)

מגעי ממסרים מוגדרים כפתוחים באופן רגיל (NO‏) או סגורים באופן רגיל (NC‏) בהתאם למצבם כאשר אין הספקת-כוח לממסר.

דירוגי ממסר מציינים את ההספק המקסימלי שניתן להעביר בבטחה וביעילות על ידי הממסר. דירוגים אלה מתבטאים בדרך כלל במונחים של אמפר עבור זרמי AC ו-DC כאחד. חיוני שדירוג הממסר יעלה על הדירוג של ההתקן הממותג, כולל מרווח בטיחות.

בדומה לממסרים שאינם להספק, ניתן לתאר גם ממסרי הספקת-כוח באמצעות המונח "צורות" (Forms‏). ביטוים כמו "Form A‏ 1‏" או "Form C‏ 2‏" מעניקים תובנות על מאפייני הממסר. המספר שלפני "Form" מציין את מספר המגעים המתוארים הזמינים בממסר. "Form A‏" מציין ממסר פתוח באופן רגיל (NO‏), בעוד ש"Form B‏" מציין ממסר סגור באופן רגיל (NC‏). "Form C‏" ו-"Form D‏" מתייחסים לממסרי SPDT‏, ומציינים איזה מיקום נחשב סגור באופן רגיל והאם הממסר הוא מסוג ניתוק-לפני-חיבור או חיבור-לפני-ניתוק, בהתאמה. בעוד שישנן צורות רבות אחרות, ארבע אלו הן הנפוצות ביותר בשימוש.

• Form A‏ – פתוח באופן רגיל (NO‏)
• Form B‏ – סגור באופן רגיל (NC‏)
• Form C‏ - מתגי SPDT‏ ניתוק-לפני-חיבור
• Form D‏ - מתגי SPDT‏ חיבור-לפני-ניתוק

שיקולים נוספים

כמה שיקולים נוספים שיש לקחת בחשבון במהלך בחירת ההתקן כוללים:

• נחשולי הספק בכניסה: התקנים מסוימים עשויים לייצר נחשולי מתח משמעותיים במהלך האתחול. חשוב לזהות את הנחשולים הללו לפני אפיון הממסר כדי למנוע נזק להתקן.
• שיכוך סליל: מחזוריות בפעולת הממסר יכולה ליצור טרנזיינטי מתח גבוה. שיכוך סליל כרוך בשימוש ברכיבים נוספים במעגל כדי להגן על ציוד מפני טרנזיינטים אלה. עם זאת, הדבר עשוי לקצר את אורך החיים של הממסר. יש לקבוע אם אסטרטגיית שיכוך סליל ספציפית נחוצה עבור כל יישום שבמפרט.
• נעילה: ממסר ננעל שומר על מיקום המגעים האחרון שלו גם לאחר הספקת-הכוח של ההפעלה. מאפיין זה עשוי להידרש עבור יישומים מסוימים.
• רעש: ממסרים יכולים לייצר הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) או רעשי הפרעות בתדר רדיו (RFI), שיכולים להיות בולטים יותר בהתקנים בהספק גבוה. יש לקבוע מראש את הרגישות של התקן או מערכת לרעש זה.
• ניתור מגעים: כאשר ממסר פועל באופן מחזורי, המגעים שלו עשויים לחוות מחזורי פתיחה/סגירה קצרים, הידועים כניתורי מגעים ומייצרים פולסים חשמליים. בהתאם לרגישות היישום, ניתורים אלה עלולים לגרום להשפעות לא-רצויות, ולכן חשוב לקבוע אם ניתור מגעים ישפיע על היישום לפני אפיון ממסר.

איור 3‏: דוגמה של ניתור מגעים והמתחים המשתנים במהירות. (מקור התמונה: Same Sky)

סיכום

ממסרים הם התקנים מהימנים, יעילים ואמינים המעניקים בקרה חשמלית מאובטחת של מערכות והתקנים, כל זאת תוך שמירה על המפעיל מבודד ובטוח מפני זרם הפעולה. ממסרי הספקת-כוח, בין אם הם אלקטרומכניים או מצב-מוצק, תוכננו במיוחד עם מאפיינים משופרים עבור ניהול מתחים וזרמים גבוהים יותר.

כאשר המתכננים מעריכים את צורכי מיתוג ההספק של מוצריהם, Same Sky‏ היא כאן עם מערך מגוון של ממסרי הספקת-כוח וממסרי אותות. בין אם יש לטפל במיתוג זרם ברמה נמוכה או ברמה גבוהה, ל-Same Sky יש את פתרונות הממסרים כדי לענות על מגוון הצרכים ביעילות ובנצילות.