זול וטוב יותר: מדענים יפנים חושפים ממיר חשמלי יעיל במיוחד

עיצוב חדש של ממיר חשמל שפותח על ידי אוניברסיטת קובי מציע יעילות משופרת משמעותית בעלות מופחתת ותחזוקה נמוכה יותר. ממיר מתח הזרם הישר הזה אמור להשפיע באופן מהותי על פיתוח רכיבים חשמליים ואלקטרוניים במגזרים שונים, כולל ייצור חשמל, שירותי בריאות, ניידות וטכנולוגיית מידע.

למכשירים הקוצרים אנרגיה מאור שמש או רעידות, או מפעילים מכשירים רפואיים או מכוניות מונעות במימן יש מרכיב מרכזי אחד משותף. מה שנקרא "ממיר חיזוק" זה ממיר קלט זרם ישר במתח נמוך לפלט זרם ישר במתח גבוה. מכיוון שמדובר ברכיב כל כך קיים ומפתח, רצוי שהוא ישתמש בכמה שפחות חלקים להפחתת תחזוקה ועלות ובמקביל שיפעל ביעילות הגבוהה ביותר האפשרית מבלי ליצור רעש או חום אלקטרומגנטיים. עקרון העבודה העיקרי של ממירי בוסט הוא לעבור במהירות בין שני מצבים במעגל, אחד שאוגר אנרגיה ואחר שמשחרר אותה. ככל שהמעבר מהיר יותר, הרכיבים יכולים להיות קטנים יותר ולכן ניתן להקטין את המכשיר כולו. עם זאת, זה גם מגביר את הרעש האלקטרומגנטי וייצור החום, אשר פוגעים בביצועים של ממיר הכוח.

הצוות של חוקרת האלקטרוניקה החשמלית של אוניברסיטת קובה, Mishima Tomokazu, עשה התקדמות משמעותית בפיתוח מעגל חדש להמרת כוח זרם ישר. הם הצליחו לשלב בין מיתוג בתדר גבוה (כפי 10 מבעבר) עם טכניקה שמפחיתה רעש אלקטרומגנטי ואיבודי הספק עקב פיזור חום, הנקראת "מיתוג רך", תוך הפחתת מספר הרכיבים, ולכן, שמירה על העלות והמורכבות נמוכה.

"כאשר המעגל משתנה בין שני מצבים, ישנה תקופה קצרה שבה המתג אינו סגור לחלוטין, ובנקודה זו יש גם מתח וגם זרם על פני המתג. המשמעות היא שבזמן זה המתג פועל כמו נגד ובכך מפזר חום. ככל שמצב מתג משתנה לעתים קרובות יותר, כך הפיזור הזה מתרחש יותר. מיתוג רך היא טכניקה שמבטיחה שמעברי המתג מתרחשים במתח אפס, ובכך מצמצמת את איבוד החום", מסביר ד"ר מישימה. באופן מסורתי, זה הושג על ידי "סנוברים", רכיבים המציעים כיורי אנרגיה חלופיים במהלך תקופת המעבר, מה שמוביל לאחר מכן לאובדן אנרגיה.

פרסום ופיתוח אב טיפוס

צוות אוניברסיטת קובה הציג את עיצוב המעגל החדש שלהם והערכתו בכתב העת עסקאות IEEE על Power Electronics. המפתח להישגים שלהם הוא השימוש במעגלי "טנק תהודה" שיכולים לאגור אנרגיה במהלך תקופת המיתוג ולכן יש להם הפסדים נמוכים בהרבה. בנוסף, הם משתמשים בעיצוב חוסך רכיבים עם רכיבים שטוחים המודפסים על גבי לוח מעגלים, הנקרא "שנאי מישורי", שהוא קומפקטי מאוד ובעל יעילות טובה וביצועים תרמיים.

מישימה ועמיתיו גם בנו אב טיפוס של המעגל ומדדו את ביצועיו. "אישרנו שהעיצוב חסר הרחפנים שלנו מופחת בהרבה רעש אלקטרומגנטי ויעילות אנרגטית גבוהה של עד 91.3 אחוזים, וזה חסר תקדים עבור כונן MHz עם יחס המרת מתח גבוה. היחס הזה גם גבוה יותר מפי 1.5 מהעיצובים הקיימים". עם זאת, הם רוצים להגדיל עוד יותר את היעילות על ידי הפחתת פיזור הכוח של הרכיבים המגנטיים שבהם נעשה שימוש.

בהתחשב עד כמה מכשירים חשמליים נמצאים בכל מקום בחברה שלנו, היעילות הגבוהה ורמת הרעש הנמוכה של ספקי כוח זרם ישר עם יחס מכפיל מתח גבוה חשובה ביותר. פיתוח זה של אוניברסיטת קובה יהיה בעל רלוונטיות רבה ליישומים בחשמל, אנרגיה מתחדשת, תחבורה, מידע ותקשורת וטיפול רפואי. מישימה מסבירה את תוכניותיהם לעתיד ואומר: "הפיתוח הנוכחי הוא אב טיפוס בעל קיבולת קטנה של 100W, אך אנו שואפים להרחיב את קיבולת ההספק לקיבולת גדולה יותר בדרגת קילוואט בעתיד על ידי שיפור המעגל האלקטרוני ורכיבים אחרים. ”

מחקר זה נערך בשיתוף פעולה עם חוקרים מאוניברסיטת צ'ונג הסינג הלאומית.