אסף קציר, אלימק
ממסרי מצב מוצק (Solid State Relays) מבוססי FET נמצאים איתנו כבר מספר שנים, ויעילותם אינה מוטלת בספק. אולם שלא כמו ממסרים אלקטרומכניים רגילים, היישום של ממסרים כאלו כחלק ממעגל או מערכת, אינו פשוט כלל ועיקר ודורש הן דרייברים והן הגנות שלא היו נדרשים בממסרים אלקרטומכניים.
עם זאת, התפתחו בשנים האחרונות מודולים מבוססי FET אשר מאפשרים מיתוג וניטור מעגלי כוח, ובכך גם מאפשרים להנות מכל היתרונות של מיתוג מבוסס FET אך ללא חלק ניכר מהבעיות הנגרמות משימוש
ב-FET ברמת הרכיב.
המוטיבציה להשתמש במודולים מבוססי מצב מוצק ברורה. אם עושים השוואה, רואים כי לכל קילוגרם של מודול, ניתן להעביר פי 3 יותר כוח מאשר במערכת אלקטרומכנית, עם אורך חיים של עשרות מיליוני הפעלות לעומת עשרות אלפי הפעלות בלבד, ועם נתוני אמינות טובים במספר סדרי גודל:
למודולים ממשפחת (Solid State Power Control) מבנה בן שלושה נדבכים –
נדבך ה-FETים. מעגל עליו נמצאים
ה-FETים עצמם, מצומדים אליו תרמית. בדרך כלל זהו הנדבך התחתון ביותר פיזית במודול – כדי שיהיה אפשר לצמדו תרמית כלפי חוץ. לכל FET באופן מובנה, פרט למגעי הפיקוד והמיתוג, גם יציאות ניטור של מתח, זרם, וטמפרטורה בזמן אמת.
נדבך הבקרה – מכלול זה מתווך חשמלית בין העולם החיצון לנדבך ה-FETים. לב המערכת הוא הבקר עצמו, המשמש גם כדרייבר להפעלה של ה-FETים, וגם לניטור מצבם. הבקר מחובר לעולם החיצון או על ידי תקשורת (טורית או CAN על פי רוב) בעזרתה מפעילים וגם מנטרים את המעגלים השונים או על ידי סט של כניסות הפעלה דיסקרטיות ויציאות ניטור אנלוגיות. בנוסף, יש בנדבך זה מעגלי אספקת ובקרת מתח שונים – הן להגנה על המודול והן להגנה על המערכת. בנוסף נכלל ברוב המקרים בנדבך זה גם ה-BIT של המודול.
זיווד – כדי שהמודול יוכל לעבוד כמוצר מוגמר בתנאי סביבה קשים, נדרש זיווד שיתאים לתנאי הסביבה הנדרשים. החל באיטום על ידי יציקה, מחברים מתאימים ליישום מחוץ למעבדה וכלה בהולכת חום מצויינת של הצד התחתון.
המבנה המתואר לעיל משותף למודולים בתצורות שונות, למשל:
מודול של ערוץ בודד, לזרמים של 50 עד 250 אמפר
מודול של שני ערוצים, מאות אמפרים לכל ערוץ. מודולים כאלו ישמשו בדרך כלל כממסר התנעה, או למיתוג מצברים.
מודול מרובה ערוצים – בין 10 ל-20 ערוצים על פי רוב, כל ערוץ מתאים לזרמים של בין אמפרים בודדים לבין 20 אמפר. למעשה זהו PDU שלם במודול בודד, עם אפשרויות קונפיגורציה רבות מאוד ברמת המשתמש. מודול כזה יכול לשמש גם כבקר MASTER ולשלוט במודולים חיצוניים נוספים.
מודול Soft-Start – להתנעת מנועים הדרגתית תוך מניעת נזק לציוד.
כיוון שכל ערוץ מנוהל לחוד, הגמישות בתכנון המערכת גדולה מאוד.
דוגמה טובה היא חיבור ערוצים במקביל. בעוד שממסרים אלקטרומכניים אסור לחבר במקביל על מנת למנוע עומס יתר רגעי על אחד מהממסרים, כאשר מחברים מודולים או ערוצים שונים בתוך אותו מודול במקביל כדי למתג הספק גדול יותר, הבקר מנטר את עליית הזרם בכל אחד מה FETים ומאפשר על ידי הדרייברים שלהם חלוקה שווה לחלוטין של ההספק בין הערוצים השונים.
דוגמה נוספת היא שימוש בנתון הזרם במעגל כדי ליצור מנתק מעגל לוגי. שלא כמו במנתק מעגל תרמי או מגנטי, כאן המידע הוא על הזרם בפועל, וגרף הניתוק שלו (זמן לעומת זרם – יתר) ניתן לקביעה מראש באופן שיתאים לציוד אותו מפעילים. כך ניתן לתכנת את מנתק המעגל הלוגי להתעלם מזרם יתר אופייני לתגובת מעבר של הציוד, אך לא להתעלם מזרם יתר הנמשך זמן ארוך יותר או עולה לגובה גדול יותר.
אותו נתון זרם יכול גם לשמש לניטור מצב הצרכן – למשל במקרה של הפעלת מפוח, אם קיימת הפרעה לפעולה, הזרם יהיה גבוה מהזרם הנומינלי ואם ציר המפוח שבור, המנוע יעבוד אך בזרם נמוך יותר. כשיש נתון כזה ויש תקשורת – ניתן ליצור התראה בזמן אמת על פעולה לא תקינה של הציוד.
בנוסף, כיוון שהמודולים השונים נשלטים על ידי ערוץ תקשורת טורית (או CANBUS), ניתן לשרשר אותם על גבי טבעת תקשורת משותפת, וכך למתג את כל הצרכנים ולנטר את מצבם בזמן אמת מנקודה אחת.
אך לא הכל פשוט וקל עם מודולי SSPC. במערכת שאינה מתוכננת מראש לסוג כזה של מודולים, אלא לממסרים ומנתקי מעגל אלקטרומכניים, עלולות להיווצר תופעות אשר ניתן למנוע בהתאמת המערכת לשימוש במודולי SSPC –
התראות שווא – רכיבים אלקטרומכניים סבילים, יחסית, לזליגות זרם קטנות ולחיבורים לא מושלמים. מודול SSPC יזהה את הזליגות האלו כתקלה ועלול לעבור למצב מוגן. לכן חשוב לבדוק כי המערכת נקייה ועם הדירות טובה של החיווט עצמו.
פריצה – FETים אינם מנותקים באמת אף פעם. כאשר FET של 60 וולט מקבל מתח של 90 וולט, הוא יעביר 30 וולט גם כאשר הוא במצב פתוח. לכן חייבים לכלול ברמת המערכת מדביר נחשולי מתח, ולסנן אם צריך צרכנים בעיתיים שעלולים ליצור נחשולים בערכים גבוהים.
בטיחות – בניגוד לממסרים ומנתקי מעגל, אין ברכיב האלקטרוני מגעים פיזיים שנפתחים ונסגרים. חשוב להבין כי יש מתח במעגל, ונדרש לנתקו במקרה בו נדרשת תחזוקה. לכן נדרש להוסיף מנתק ראשי אלקטרומכני – קונטקטור בעל הפעלה מקומית או מפסק, אשר ינתק את המתח מהמערכת לצורך שירות.
יש כיום בעולם מספר קטן של יצרנים המציעים מגוון של מודולי SSPC כמוצרים מוכללים, ועוד פחות המציעים מוצרים אלו עם עמידה מלאה בדרישות תנ”ס ואלמ”ג המותאמות לפלטפורמות צבאיות, לתחבורה, ולפלטפורמות מוטסות.
חברת Nexter Electronics, צרפת, מייצרת כבר מזה כ-20 שנה מודולי SSPC לפלטפורמות צבאיות לרכבות ולכלי טייס אזרחיים וצבאיים. בהיותה חברה ביטחונית אירופאית, מוצריה נבדקו ועומדים בדרישות המחמירות של התעשייה הביטחונית ושל תעשיית הרכבות. בנוסף, מובנות במודולים הגנות מפני מגוון גדול של תקלות, הן בצד המערכת והן בצד הצרכנים. הגנות אלו מבטיחות כי גם במקרה של פגיעה בחיווט או תקלה בציוד, המערכת לא תינזק והמודול לא יינזק.
המודולים קיימים באופן סטנדרטי במתחים של 44 ו-60 וולט DC, וחלק מהם גם בתצורת 270 וולט DC או AC. יחד עם זאת ניתן לבנות קונפיגורציות ייחודיות עבור פרוייקטים ספציפיים, תודות לשיתוף הפעולה שיש לנו עם היצרן.
