סולנואיד

סוֹלֵנוֹאִיד (אנגלית: solenoid) בעברית: מפסק אלקטרומגנטי, הוא התקן אלקטרומכני המשמש כמפעיל במכונות ומערכות בקרה.

הסולנואיד הומצא על ידי אנדרה-מארי אמפר (André-Marie Ampère) בשנת 1820. אמפר, הפיזיקאי הצרפתי המפורסם, טבע גם את המונח "סולנואיד" מהמילים היווניות "solen" (צינור) ו-"eidos" (צורה). סולונואיד הוא רכיב בתחום ה-מכטרוניקה (אלקטרו מכניקה)

 מבנה ופעולה 
סולונואיד בנוי מ-סליל בעל ליבה פרומגנטית שמיקומה אינו במרכז הסליל. הולכת זרם חשמלי בסליל השראה המשרה בו שדה מגנטי, שדה זה מפעיל כוח על הליבה הפרומגנטית המושך אותה אל מרכז הסליל, באופן שמגדיל את המשיכה המגנטית של הסליל והליבה. הליבה יכולה להיות מחוברת להתקן אחר ולהעביר את הכוח אליו. הכוח המופעל פרופורציוני לזרם המוזרם בסליל. לרוב הסולנואיד כולל גם קפיץ המחזיר את הליבה למקומה המקורי כאשר הזרם מופסק.

הסולנואיד משמש כאלקטרומגנט, וככזה משמש בכל מקום בו נדרשת פתיחה או סגירה של מעגל חשמלי או שסתום. השימושים העיקריים של הסולנואיד הם כמתגים המופעלים בעזרת אות חשמלי קטן יחסית ומפעילים רכיבים אחרים, לעיתים גדולים יותר. לדוגמה, פתיחת ברז או שסתום במערכת פנאומטית, סגירת מפסק המעביר זרם חזק, או שחרור מעצור המאפשר למנגנון מכני להתחיל לנוע.

אחד המקומות המוכרים בהם משתמשים בסולנואיד הוא בהתנעת כלי רכב. הסולנואיד מופעל בזרם חלש יחסית העובר במתג ההתנעה הנשלט על ידי הנהג (סיבוב מפתח או לחיצה על כפתור), וממתג מפסק בו עובר זרם חזק המסובב את מנוע ההתנעה ("סטרטר").

 שימושים נפוצים 
ממוזער|מערכת שסתומים פנאומטים המופעלים על ידי סולונואידים, הפותחים וסוגרים מעבר של לחץ אוויר להפעלת מכונה אוטומטית.מפסקים חשמליים - הפעלה וכיבוי מרחוק של מעגלים חשמליים.

שסתומים - בקרה על זרימת נוזלים וגזים (במכונות כביסה, מערכות השקיה). במערכות פנאומטיות, הנפוצות במכונות בתעשייה האוטומטית

מנעולים חשמליים - נעילה ופתיחה של דלתות ושערים המופעלים כיום על-ידי כרטיסים אלקטרוניים, הפעלה מרחוק ואות דיגיטלי.

מנועי הנעה - במכוניות (מתנע), מדפסות, מערכות הידראוליות ומכונות תעשייתיות.

מערכות בקרה - במערכות אוטומציה תעשייתית, המשלבות בדרך כלל סולונואידים עם מערכות הידראוליות או פנאומטיות.

מפסקי אבטחה - במערכות חירום כמו כיבוי אש אוטומטי, פתיחה או סגירה של זרימת דלק, בקרת אוורור, שמירת תנאי קירור והקפאה, הדלקה וכיבוי תאורה וכדומה.

היתרון הגדול של הסולנואיד הוא אפשרות בקרה חשמלית על פעולות מכניות רבות בו-זמנית, שהופך אותו לחיוני במערכות אוטומטיות ובקרה מודרניות. מרכב מרכיבים פשוטים, נוחים לתחזוקה.

 מגבלות הפעלה על-ידי סלונואיד 
 מגבלות עיקריות 
צריכת חשמל גבוהה: (במיוחד לפעולה מתמשכת): במפסקים המפעילים מערכות לאורך זמן, צריכת זרם (אמפר) גבוהה גם אם המתח (וולט) נמוך והמפסק נוטה להתחמם בעיקר כאשר כוחות נגדיים פועלים.

מהלך מוגבל: (בדרך כלל עד כמה סנטימטרים). לכן הוא בדרך כלל מהווה שלב ביניים, בין מערכת ההפעלה לגוף המופעל ואחריו תהייה מערכת שאיננה אלקטרומגנטית. המערכת המכנית תמיד פגיעה לתקלות כמו כניסת אבק, התפשטות והתכווצות שחיקה של תירים וכדומה.

"רעש" מכני ומגנטי: סגירת מעגלים חשמליים על-ידי סולונאיד מייצרת ניצוץ חשמלי (זרם חזק העובר בתווך הזעיר שבין המגעים החשמליים בזמן הסגירה והפתיחה של המגעים) הנוצר בחלקיק השנייה של סגירה או פתיחה של המעגל. הניצוץ יוצר הפרעה בשדה החשמלי בסביבתו, בקליטה של שידורי רדיו ובמערכות אלקטרוניות ומחשבים סמוכים. השדה המגנטי החזק של הסליל עשוי להשפיע על מערכות חשמליות ומכניות בסביבתו הקרובה. ניצוץ יכול לגרום לבעירה.

בלאי מכני: בעקבות המשיכות החוזרות. החיכוך של הליבה בסליל, התחממות הסליל והתיישנות הקפיץ המחזיר גורמים לתקלות ולתפוגה מהירה של הסליל. החלשות הסליל גורמת לירידה בכוח הסלונואיד שעשויה לגרום לדליפות, למשל במערכות ההשקיה. לכן מחייבת תחזוקה והחלפה לעיתים קרובות.

חום שנוצר עקב זרמים גבוהים: חלק גדול מהאנרגיה החשמלית של הסליל מומר לחום, ולכן פעולה מתמשכת של המפסק יוצרת חום גבוה שעלול לשרוף את הסליל ואף לגרום לשריפה בסביבה של דלק או שמן.

זמני תגובה איטיים יחסית לנדרש ביישומים מסוימים: במערכות אלקטרוניות מודרניות נדרש זמן הפעולה (פתיחה וסגירה) של מעגלים חשמליים מהיר בהרבה (מילישניות) מתגובה אלקטרומכנית  של סלונואיד.

כל אלה יוצרים לעיתים בעיות של יעילות נמוכה.

 שסתומים חשמליים מתקדמים 
סולונואידים הם שסתומים חשמליים המציעים חלופה אטרקטיבית לשסתומים פנאומטיים ומערכות בקרת תנועה (סרבו), בשל יעילות הביצועים והעלות הנמוכה שלהם, הפחתת הסיכון לזיהום והיכולת ליישום במגוון רחב של מערכות (A solenoid valve alternative.) מאידך, הם פועלים לזמנים קצרים, כדי למנוע התחממות ולכן פותחו מפסקים מתקדמים:

 סולנואידים חכמים 
הדור החדש כולל סולנואידים חכמים עם חיישנים מובנים שיכולים לתקשר עם מכשירים מחוברים אחרים וליצור זרימת עבודה מסונכרנת ומאפשרים הפעלה מרחוק על ידי שידור אות בתדר מוגדר. למשל הפעלה של מערכות השקיה, הפעלת ממשקים חשמליים בתחנות כוח, הפעלת משאבות מרחוק הפעלת מערכות כיבוי אוטומטיות, מערכות הזעקה, והפעלת מכשור רפואי מדויק
ממוזער|שסתומים ממונעים: סולונואידים המופעלים על-ידי מנוע או שעון, למשל בתוכנית של מכונת כביסה, או תנור.

 שסתומים ממונעים (Motorized Valves) 
משתמשים במנוע חשמלי לפתיחה וסגירה, מתאימים במיוחד לשסתומים גדולים ויישומי בקרה מרחוק QuoraWorld Pumps. השסתומים הממונעים החדשים מציעים חלופה אידיאלית לשסתומי סולנואיד ביישומים פחות דינמיים. במערכות העומדות בלחץ גבוה כמו משאבות מים גדולות, או חיבור קווי מתח גבוה ועליון וכדומה, השסתום או המפסק מופעל על-ידי מנוע, והמנוע מופעל על-ידי סולונואיד.

 תחליפים אלקטרוניים לסולונואיד 

 1. טרנזיסטורים 
ממוזער|סכמה של בקר מסוג MOSFET/ טרנזיסטור מסוג NPN, שלו כניסה, יציאה ושער הפעלה (Gate) מתאים למתח נמוך.
טרנזיסטור MOSFET  :(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) הנפוץ ביותר. הוא סוג של טרנזיסטור בו שדה חשמלי משפיע על התכונות של מוליך למחצה (לרוב סיליקון) ובכך מאפשר שליטה על הזרם החשמלי הזורם דרכו. זהו הטרנזיסטור הנפוץ ביותר כיום, והוא משמש בעיקר במעגלים לוגיים ספרתיים.

טרנזיסטור ביפולרי: BJT (Bipolar Junction Transistor) בשימוש סטנדרטי. הטרנזיסטור הביפולרי מורכב משני צומתי PN: בטרנזיסטור NPN, מוליך למחצה מסוג N בא במגע עם מוליך למחצה מסוג P, שבא במגע עם מוליך למחצה נוסף מסוג N. בטרנזיסטור PNP סוגי האילוח הפוכים. ניתן להתייחס למבנה זה כשתי דיודות המחוברות גב אל גב כך שיש להן אנודה משותפת.

מפסקים דיגיטליים: ON/OFF הוא קוד המאפשר סגירה או פתיחה של מעגל חשמלי. רכיבים אלקטרוניים מודרניים מכילים אלפי יחידות ממוזערות של טרנזיסטורים ורכיבים אלקטרונים בנפח זעיר. רכיבים אלה צורכים מעט חשמל ואינם מתחממים. מפסיקים דיגיטליים הם מרכיב מרכזי בכל מחשב.

התוצאה: זמני מעבר מהירים ביותר (ננו-שניות), יעילות גבוהה, מחיר נמוך והשפעה מזערית על הסביבה.
ממוזער|SSR המשמש בעיקר לתקשורת (למשל בתקע של טלפון או מחשב): משמאל לימין: דיודה הנדלקת בהתאם לפקודה, טרנזיסטור המגיב לאור, מעביר זרם בתדר מסוים, מפסק הסוגר מעגל.

 2. ממסרים של מצב מוצק (Solid State Relays - SSR) 
SSR הוא ממסר המופעל על-ידי מערכת אופטית. כאשר דיודה מקרינה אור על משטח הוא מעביר זרם. מערכות כאלה נפוצות בקווי תקשורת המבוססים על סיבים אופטיים.
 צריכת אנרגיה נמוכה מאד.
 משלבים בקרה אופטית עם מפסקים אלקטרוניים. מרכיבים פשוטים במארזים קטנים וזולים.
 אין חלקים נעים, אין בלאי מכני, אין ניצוצות.
 שקטים לחלוטין.
 מהירות תגובה מקסימלית (פחות מננו שניות).

מתאים למערכות אלקטרוניות במתח נמוך, לציוד רפואי, תקשורת קווית, ולציוד בקרה. לא מתאים לעבודה במתח גבוה וציוד כבד.
ממוזער|מפסק SCR למתח גבוה, המופעל על-ידי גשש אינפראדום, או WiFi, כמו הפעלת מזגן, מקלט טלוויזיה, תאורה וכדומה. הגשש הוא האלמנט האדום על הכבל העליון.

 3. מפסקי תיריסטור (Thyristor/SCR) 
הוא רכיב אלקטרוני חצי-מוליך המשמש כמתג כוח מבוקר.

מצב רגיל (ללא אות בשער): הזרם לא יכול לעבור מהאנודה לקתודה. התיריסטור נמצא במצב חסימה דומה למתג פתוח.

הפעלה (עם אות בשער): זרם קטן מוזרק לשער (Gate) זה יוצר "אפקט מפל" - הזרם מתחיל לזרום והתיריסטור עובר למצב הולכה. הוא יישאר במצב הפעלה עד שיקבל אות להפסקה. לעיתים משתמשים בשילוב עם ממסר SSR, המופעל על-ידי מערכת אופטית או שידור אות מרחוק.

 יתרונות 
 כוח חזק - יכול לטפל בזרמים של מאות אמפר.
 יעילות גבוהה - מעט הפסדי כוח.
 מחיר נמוך - זול ביחס ליכולת.
 חסון - עמיד לעומסי יתר זמניים.

 חסרונות 
 בקרה מוגבלת - קשה לכבות (ב-SCR רגיל)
 הרמוניות - יוצר עיוותים במתח (בזרם חילופין המקובל במערכות כיום, תיתכן הפרעה לאפקט המפל)
 מהירות - איטי יחסית למעברים מהירים. השימוש בעיקר בהפעלת תאורה או מנועים שאינם מחייבים דיוק ומהירות גבוהים.
 רגישות לרעש אלקטרוני - עלול להידלק בטעות (איננו מפסיק אוטומטית, אלא נדרשת פעולה אקטיבית). מגבלה זו חשובה כיוון שעשויה לגרום להפעלה בלתי מכוונת של מכשירים, למשל בסערת ברקים.

 שימוש נפוץ 
מתאים לבקרת כוח גבוה, משמש במערכות ספקי חשמל גם במתחים גבוהים. למשל בניתוק הזרם במקרה של מפל מתח (קצר חשמלי).

התיריסטור הוא "הענק השקט" של עולם האלקטרוניקה - הוא מטפל ברוב אספקת הכוח בתעשייה ובבית, עמיד למתח גבוה ויעיל גם למתחים נמוכים.

 4. מפסקי IGBT 
ממוזער|סכמה של שבב - מפסק IGBT רב קווי מסוג טרנזיסטור בי-פולרי. N הוא קוטב שלילי, P הוא קוטב חיובי. סגירת המעגלים (בין S ל-BCEC) נעשית באמצעות תוכנה של כניסת זרם הפעלה לכל מתג.
(Insulated Gate Bipolar Transistor) מפסקים המשלבים יתרונות של MOSFET ו-BJT ומתאימים לכוח גבוה ותדרים בינוניים. ניתנים לייצור על שבב זעיר.

 יתרונות על פני סולנואידים 
מהירות - מעברים בננו-שניות.

עמידות - ללא כל מערכת מכנית ולכן ללא בלאי מכני.

צריכת חשמל - גם במתח וגם בזרם מינימלית.

דיוק - בקרה מדויקת על הזרם והמתח.

גודל - קומפקטיים ביותר.

שקט - ללא רעש מכני.

אמינות - פחות כשלים.

 שימושים במחשבים 
ספקי כוח : וויסות מתח וזרם למכשירים ומחשבים שהוא קריטי להפעלתם הסדירה.

מעבדים : המעבד הוא המרכיב העיקרי במחשבים והוא מכיל לעיתים מיליוני מפסקים טרנזיסטורים זעירים המהווים את רשת הקשרים בין מעבדים, זיכרון וחישוב.

זיכרון : שמירה וקריאה של נתונים על-ידי פתיחה וסגירה של מיליוני רכיבי זיכרון זעירים המרכיבים את כרטיסי הזיכרון במחשבים.

בקרי מנועים: למאווררים וכוננים. כלל רכיבי מכוניות מבוקרים על-ידי מחשבים המווסתים את פעולות המנוע, צריכת הדלק, הפעלת מערכות, ויסות הטמפרטורה. כל מחשב כולל אלפי מפסקי IGBT

מעגלי הגנה : מפני עומסי יתר, טמפרטורות גבוהות כתוצאה מפעולת המחשב, תקלות וגם פריצות למחשב מגורם חיצוני. כל אלה דורשים תגובה מהירה ועמידות גבוהה.

 סיכום 
מערכות הפעלה המבוססות על סולונואיד האלקטרו מכני מהווים עדיין את עיקר מערכות השליטה והבקרה במערכות פשוטות יחסית של פתיחה וסגירה של מערכות השקיה, מערכות פנאומטיות והידראוליות, הפעלת מנועים וסגירת מעגלי חשמל במתח גבוהה. העיקרון לא השתנה במהלך מאה שנה מאז המצאת האלקטרומגנט. עם הזמן, בעיקר עם הפעלת מערכות בקרה אלקטרוניות ותקשורת מבוססת סיבים אופטיים, עלתה דרישה למהירות תגובה ואמינות גבוהה וללא הכשלים של מערכת אלקטרומכנית. המצאת הטרנזיסטור גרמה למהפכה בשיטת המיתוג ופיתוח המפסקים האלקטרוניים והם כיום הבסיס לכל הטכנולוגיה הדיגיטלית המודרנית. מזעור הרכיבים מאפשר ייצור משולב של המערכות המופעלות ומערכות הבקרה בשבב אחד וחסכון מקסימלי באנרגיה.

פיתוח זה מאפשר יצור מחשבים, "סמארטפונים" או כל מכשיר אלקטרוני מתקדם, מערכות מדיה, תעבורה אווירית, מכוניות מודרניות, שליטה במערכות החשמל והמים ואפילו הפעלה של לוויינים.

 קישורים חיצוניים 

הערות שוליים

קטגוריה:מכניקה
קטגוריה:אלקטרוניקה
קטגוריה:מגנטיות
קטגוריה:טכנולוגיה לפי שימוש
קטגוריה:מעגלים חשמליים