בקר סרוו זעיר לזרמי מוצא גבוהים של עד 50 אמפר
משפחת מגברי סרוו הזעירים של חברת 'אלמו' מיועדים לישומי "BURST" צבאיים ואזרחיים.
הגנה לישראל
| 19/05/2011
מגבר SOLO Hornet B של חברת 'אלמו'
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 גבוה למנועים חשמליים המוזנים ממגברי סרוו בנפח מינימלי הולך ומתגבר בכל סיגמנטי תעשיית המכונות והישומים הצבאיים כגון: רובוטיקה, מכונות השמה (Pick&Place), Wire Bonding (בתעשיית יצור הLED 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 מישומי ה-BURST "סובלים" ממגבלות מקום, מגבלת נפח, מגבלת משקל, מגבלת יכולת לפזר הספק. חברת אלמו איתגרה בהצלחה מספר ישומי BURSTS צבאיים מאוד קיצוניים בדרישותיהם והתוצאה היא משפחת מגברי סרוו זעירים המיועדים לישומי "BURST". הבסיס למגברי ה"פרצים" הוא משפחת הHORNET, מגברי סרוו זעירים הנמצאים בשימוש בעשרות ישומים צבאיים ברחבי העולם כבר למעלה מ-7 שנים.
.jpg)
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.
הדרישות ממגבר סרוו המיועד לישומי BURST :
אופין זרם "טיפוסי" לישום BURST מקבץ של עשרות פולסים קצרים ( כ20 מילי שניות כול אחד) בעוצמה של 40 אמפר כאשר הזרם הממוצע במשך 220 שניות הוא כ-5 אמפר.
"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.
ה HOR-B50/50
הדרישות של ישום ספציפי זה הם: פרצי הספק של מעל 2500 וואט, פרצי זרם של 50 אמפר, פולס טיפוסי של 2500 וואט/ 50 אמפר נמשך כמה עשרות מילי- שניות, זרם ממוצע באינטרוול פעולה קיצוני של כמה מאות שניות הוא פחות מ10 אמפר, מתחי הזנה של עד 48 וולט מתח ישר, אין יכולת לפזר הספק, מגבר הסרוו עלול להיות חשוף לטמפרטורת סביבה הגדולה מ100 מעלות צלסיוס, וכל האמור לעיל במארז מיניאטורי של כ- 5ס"מ X 1.5 ס"מ X 4.6 ס"מ (קטן מקופסת גפרורים).
HOR-B40/120
ישום דומה בדרישותין אבל עם דרישות ל"פרצי הספק" כמעט כפולים. הדרישות של ישום ספציפי זה הם: 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 כ300 שניות הוא כ21 וואט, אין יכולת מעשית לפזר הספק, מגבר הסרוו עלול להיות חשוף לטמפרטורת סביבה הגדולה מ90 מעלות צלסיוס, וכל האמור לעיל במארז מיניאטורי של כ 5ס"מ X 1.5 ס"מ X 4.6 ס"מ.
.jpg)
[מגבר Hornet B]
משך הזמן של הספק הPEAK
ההבדל המהותי הוא במשך הזמן של דחיפת זרם השיא. במגברי הסרוו הסטנדרטיים של אלמו זרמי השיא מוגבלים אלמו ל-3 שניות (רוב המתחרים נאלצים להגביל את זרם השיא לכ1 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 ה-RMS של זרמי המוצא ומגביל את הזרם הרציף לפחות מחצי מזרם השיא. אופין הגבלת הזרם במגבר סרוו סטנדרטי לאחר כ-3 שניות של זרם שיא של 40 אמפר, זרם המוצא נופל ל20 אמפר. זרם שיא נוסף יתאפשר רק אם צריכת הזרם תרד אל מתחת ל20 אמפר ל"הרבה" שניות. במגברי סרוו מסדרה B מנגנון הגבלת זרם מאפשר זרמי שיא לפרקי זמן ארוכים מאוד:
גודל פיזי
המובילות של מגברי הB היא כמובן בגודל הפיזי. 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.
בתכנון מגברי הסרוו של אלמו ניתן בן היתר דגש רב על שני נושאים מהותיים: בקרת הספק מתקדמת ו-"ניהול טרמי" יעיל. במגברי הHORNET מתבצע תהליך בקרת ההספק על ידי בswitching PWM ( Pulse Width Modulation) של טרניזיסטורי הספק מסוג MOSFET . תהליך המיתוג המהיר גורם ליצירת חום ברכיבי הMOSFET וגם להפרעות אלקטרומגנטיות ( EMI ) . בקרת ההספק במגברי הסרוו של אלמו הינה יחודית ומשלבת נצילות מאוד גבוהה תוך יצירת 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.
.jpg)
[בקרת ההספק בכניסה להולכה ( Turn On)]
מהתרשים לעיל מתאר מיתוג הספק של 50 אמפר ב50 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 הMOSFET נכנס לרוויה "עמוקה".
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 בHOR-B40/120 בעת דחיפת 4400 וואט למנוע הייה כ28 וואט בלבד.
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, להשבית את כל ההגנות. במצב זה, הם יעדיפו לבטל 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 מעונינים להסתכן באפשרות של תקלת הינע. הלקוחות המשתמשים במצבים מהסוג השני, יבקשו להרחיב את גבולות ההגנה עד למקסימום.
.jpg)
[מגברSOLO Hornet B]
לסיכום, מגברי הסרוו של אלמו מסידרה B עונים על צרכים קריטיים של יישומים הדורשים "פרצים" גבוהים של הספק/זרם/ מומנט/ כוח למנוע החשמלי תוך שמירה והקפדה על איכויות ואמינות, במארז מיניאטורי, העומד בתנאי סביבה קשיחים וקיצוניים. אין ספק כי עולם הסרוו נמצא בתהליך מתמיד של "יותר מהר, יותר מדויק, יותר הספק, יותר קטן, יותר אמין".
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 גבוה למנועים חשמליים המוזנים ממגברי סרוו בנפח מינימלי הולך ומתגבר בכל סיגמנטי תעשיית המכונות והישומים הצבאיים כגון: רובוטיקה, מכונות השמה (Pick&Place), Wire Bonding (בתעשיית יצור הLED 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 מישומי ה-BURST "סובלים" ממגבלות מקום, מגבלת נפח, מגבלת משקל, מגבלת יכולת לפזר הספק. חברת אלמו איתגרה בהצלחה מספר ישומי BURSTS צבאיים מאוד קיצוניים בדרישותיהם והתוצאה היא משפחת מגברי סרוו זעירים המיועדים לישומי "BURST". הבסיס למגברי ה"פרצים" הוא משפחת הHORNET, 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.
הדרישות ממגבר סרוו המיועד לישומי BURST :
אופין זרם "טיפוסי" לישום BURST מקבץ של עשרות פולסים קצרים ( כ20 מילי שניות כול אחד) בעוצמה של 40 אמפר כאשר הזרם הממוצע במשך 220 שניות הוא כ-5 אמפר.
"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.
ה HOR-B50/50
הדרישות של ישום ספציפי זה הם: פרצי הספק של מעל 2500 וואט, פרצי זרם של 50 אמפר, פולס טיפוסי של 2500 וואט/ 50 אמפר נמשך כמה עשרות מילי- שניות, זרם ממוצע באינטרוול פעולה קיצוני של כמה מאות שניות הוא פחות מ10 אמפר, מתחי הזנה של עד 48 וולט מתח ישר, אין יכולת לפזר הספק, מגבר הסרוו עלול להיות חשוף לטמפרטורת סביבה הגדולה מ100 מעלות צלסיוס, וכל האמור לעיל במארז מיניאטורי של כ- 5ס"מ X 1.5 ס"מ X 4.6 ס"מ (קטן מקופסת גפרורים).
HOR-B40/120
ישום דומה בדרישותין אבל עם דרישות ל"פרצי הספק" כמעט כפולים. הדרישות של ישום ספציפי זה הם: 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 כ300 שניות הוא כ21 וואט, אין יכולת מעשית לפזר הספק, מגבר הסרוו עלול להיות חשוף לטמפרטורת סביבה הגדולה מ90 מעלות צלסיוס, וכל האמור לעיל במארז מיניאטורי של כ 5ס"מ X 1.5 ס"מ X 4.6 ס"מ.
[מגבר Hornet B]
משך הזמן של הספק הPEAK
ההבדל המהותי הוא במשך הזמן של דחיפת זרם השיא. במגברי הסרוו הסטנדרטיים של אלמו זרמי השיא מוגבלים אלמו ל-3 שניות (רוב המתחרים נאלצים להגביל את זרם השיא לכ1 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 ה-RMS של זרמי המוצא ומגביל את הזרם הרציף לפחות מחצי מזרם השיא. אופין הגבלת הזרם במגבר סרוו סטנדרטי לאחר כ-3 שניות של זרם שיא של 40 אמפר, זרם המוצא נופל ל20 אמפר. זרם שיא נוסף יתאפשר רק אם צריכת הזרם תרד אל מתחת ל20 אמפר ל"הרבה" שניות. במגברי סרוו מסדרה B מנגנון הגבלת זרם מאפשר זרמי שיא לפרקי זמן ארוכים מאוד:
גודל פיזי
המובילות של מגברי הB היא כמובן בגודל הפיזי. 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.
בתכנון מגברי הסרוו של אלמו ניתן בן היתר דגש רב על שני נושאים מהותיים: בקרת הספק מתקדמת ו-"ניהול טרמי" יעיל. במגברי הHORNET מתבצע תהליך בקרת ההספק על ידי בswitching PWM ( Pulse Width Modulation) של טרניזיסטורי הספק מסוג MOSFET . תהליך המיתוג המהיר גורם ליצירת חום ברכיבי הMOSFET וגם להפרעות אלקטרומגנטיות ( EMI ) . בקרת ההספק במגברי הסרוו של אלמו הינה יחודית ומשלבת נצילות מאוד גבוהה תוך יצירת 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.
[בקרת ההספק בכניסה להולכה ( Turn On)]
מהתרשים לעיל מתאר מיתוג הספק של 50 אמפר ב50 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 הMOSFET נכנס לרוויה "עמוקה".
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 בHOR-B40/120 בעת דחיפת 4400 וואט למנוע הייה כ28 וואט בלבד.
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, להשבית את כל ההגנות. במצב זה, הם יעדיפו לבטל 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 מעונינים להסתכן באפשרות של תקלת הינע. הלקוחות המשתמשים במצבים מהסוג השני, יבקשו להרחיב את גבולות ההגנה עד למקסימום.
[מגברSOLO Hornet B]
לסיכום, מגברי הסרוו של אלמו מסידרה B עונים על צרכים קריטיים של יישומים הדורשים "פרצים" גבוהים של הספק/זרם/ מומנט/ כוח למנוע החשמלי תוך שמירה והקפדה על איכויות ואמינות, במארז מיניאטורי, העומד בתנאי סביבה קשיחים וקיצוניים. אין ספק כי עולם הסרוו נמצא בתהליך מתמיד של "יותר מהר, יותר מדויק, יותר הספק, יותר קטן, יותר אמין".
