מפעיל (בקרה)

מַפְעִיל (לפעמים: אַקְטוּאָטוֹר, מאנגלית: Actuator) הוא רכיב של מכונה או מערכת בקרה אשר שולט בהנעה של מנגנון או מערכת מכנית, למשל על ידי פתיחת שסתום או הפעלה של מעצור.

מפעיל דורש אות בקרה ומקור אנרגיה. אות הבקרה הוא באנרגיה נמוכה יחסית ויכול להיות מתח או זרם חשמלי, לחץ נוזלי פנאומטי או הידראולי, או אפילו כוח אנושי (למשל הזזה של הגה או ידית). מקור האנרגיה המזין את המפעיל עשוי להיות חשמלי, כגון סוללה או מתח רשת, או מכני, כגון לחץ הידראולי או פנאומטי. בהתאם לאות הבקרה שהמפעיל מקבל, הוא ממיר את האנרגיה של המקור לתנועה מכנית. מפעילים הם רכיבים הכרחיים במערכות אוטומציה או בקרה אוטומטית.

מפעיל הוא מנגנון שבאמצעותו מערכת בקרה פועלת לביצוע פעולה או משימה. מערכת הבקרה יכולה להיות פשוטה (מערכת מכנית או אלקטרונית קבועה), ממוחשבת (למשל מנהל מדפסת, מערכת בקרת רובוט), אנושית (למשל אדם המשיט סירה), או מסוגים אחרים.

סוגי מפעילים

מפעיל הידראולי

מפעיל הידראולי משתמש בכוח הידראולי כדי ליצור פעולה מכנית. התנועה המכנית נותנת תפוקה במונחים של תנועה ליניארית, סיבובית או תנודה. מכיוון שכמעט בלתי אפשרי לדחוס נוזלים, מפעיל הידראולי יכול להמיר כוח קטן הפועל על שטח גדול לכוח גדול הפועל על שטח קטן. החיסרון של מפעילים כאלה זו הוא התאוצה המוגבלת שלהם.

מפעיל הידראולי מורכב לרוב מצינור גלילי שלאורכו יכולה להחליק בוכנה. המונח פעולה בודדת משמש כאשר לחץ הנוזל מופעל רק על צד אחד של הבוכנה. המפעיל מניע את בוכנה בכיוון אחד בלבד, קפיץ משמש לעיתים קרובות כדי לדחוף את הבוכנה בכיוון ההפוך. המונח פעולה כפולה משמש כאשר מופעל לחץ על כל צד של הבוכנה; כל הבדל בכוח בין שני הצדדים של הבוכנה מזיז את הבוכנה לצד זה או אחר.

מפעיל גלגל ופס שיניים פנאומטי עבור בקרת שסתום של צינור מים

מפעיל פניאומטי

מפעילים פניאומטיים (המופעלים בלחץ אוויר) מאפשרים להפיק כוחות ניכרים משינויי לחץ קטנים יחסית. אנרגיה פניאומטית היא שימושית עבור בקרת מנועים כיוון שניתן להפעיל אותה במהירות בהתנעה ובעצירה, וכיוון שאין צורך לאחסן את מקור הכוח ברזרבה לפעולה. בנוסף, מפעילים פנאומטיים זולים יותר, ולעיתים חזקים יותר ממפעילים אחרים. לחץ אוויר משמש לעיתים קרובות יחד עם שסתומים להזזת דיאפרגמות כדי להשפיע על זרימת האוויר דרך השסתום.

היתרון של מפעילים פנאומטיים הוא ברמת הכוח הגבוהה הזמינה בנפח קטן יחסית. החיסרון העיקרי של הטכנולוגיה הוא הצורך במערכת אוויר דחוס המורכבת ממספר רכיבים כגון מדחסים, מאגרים, פילטרים, מייבשים, תתי מערכות לטיפול באוויר, שסתומים, צינורות ועוד, דבר שהופך את הטכנולוגיה לבלתי יעילה מבחינה אנרגטית. הפסדי האנרגיה במערכות פניאומטיות יכולים להגיע עד 95%.

מפעיל חשמלי השולט על שסתום מחט פניאומטי.

מפעיל חשמלי

ניתן לסווג מפעילים חשמליים לקבוצות הבאות:

מפעיל אלקטרומכני (EMA)

מפעיל אלקטרומכני ממיר כוח המופעל על ידי אלקטרומגנט (לדוגמה סיבוב של מנוע חשמלי) לתנועה. ניתן להמיר תנועה סיבובית לתנועה קווית באמצעות מנגנון כגון רצועה (ציר הנעה של חגורה עם מנוע צעד (Stepper motor) או סרוו) או בורג. תנועה קווית במסלול קצר ניתן ליצור על ידי סולנואיד.

היתרונות העיקריים של מפעילים אלקטרומכניים הם רמת הדיוק הטובה יחסית שלהם ביחס לפניאומטיקה, מחזור החיים הארוך האפשרי שלהם והתחזוקה המועטת הנדרשת. הם מאפשרים כוח גבוה יחסית, בסדר גודל של 100 קילו-ניוטון. המגבלה העיקרית של מפעילים אלו היא המהירות הניתנת להשגה, הממדים והמשקל שלהם.

היישומים העיקריים של מפעילים כאלה הם במיכשור רפואי ובאוטומציה של מפעלים.

מפעיל אלקטרו-הידראולי

במפעיל אלקטרו-הידראולי, המנוע החשמלי נשאר המניע העיקרי אך מספק מומנט להפעלת מאגר הידראולי המשמש לאחר מכן להעברת כוח הפעלה, בדומה לאופן שבו משתמשים במנוע דיזל במערכות הידראוליקה בציוד כבד.

אנרגיה חשמלית משמשת להפעלת ציוד כגון שסתומים מרובי-סיבובים, או ציוד בנייה וחפירה המופעל באמצעות חשמל.

מפעיל MEMS

התקני MEMS מאפשרים שליטה מדויקת בתנועה של רכיבים זעירים. משמשים לדוגמה במקרני וידאו מודרניים ובתצוגות לייזר.

מפעיל פיאזואלקטרי

מפעילים המבוססים על פיאזואלקטריות ומאפשרים תנועות קטנות ומדויקות, בדרך כלל במהירות נמוכה, כמו בראש ההדפסה של מדפסת הזרקת דיו.

מפעיל מכני

מפעיל מכני פועל על ידי המרת סוג אחד של תנועה לסוג אחר של תנועה, כגון המרת תנועה סיבובית לתנועה קווית, או המרת תנועה בציר אחד לתנועה בציר אחר. פעולתם של מפעילים מכניים מבוססת על שילובים של רכיבים מבניים, כגון גלגלי שיניים ומסילות, או גלגלות ושרשראות. מפעיל מכני מאפשר בקרה ישירה ללא מעבר דרך אותות חשמליים. דוגמה לכך היא מנגנון שעון מכני המופעל על ידי קפיץ, בו מתבצעות מספר המרות תנועה בעזרת מפעילים מכניים, לקבלת תנועת מחוג בקצב אחיד ללא תלות במתיחות הקפיץ או בכוחות המופעלים על השעון כולו.

מפעיל תרמי או מגנטי

מפעילים שניתן להפעיל על ידי הפעלת אנרגיה תרמית או מגנטית על חומר במצב מוצק שימשו ביישומים מסחריים. מפעילים תרמיים מופעלים על ידי טמפרטורה או חימום באמצעות אפקט ג'ול-תומסון והם קומפקטיים, קלים, חסכוניים ובעלי צפיפות הספק גבוהה. מפעילים אלה משתמשים בחומרי זיכרון צורה כגון סגסוגות זיכרון צורה (SMAs) או סגסוגות זיכרון צורה מגנטיות (MSMAs).

דוגמאות ויישומים

בהנדסה, מפעילים משמשים לעיתים קרובות כמנגנונים ליצירת תנועה, או להדק חפץ כדי למנוע תנועה. בהנדסת אלקטרוניקה, מתייחסים למפעילים כסוג של מתמרים - מכשירים אשר הופכים אות כניסה (בעיקר אות חשמלי) לצורה כלשהי של תנועה.

דוגמאות למפעילים

• התקן מיקרו-מראות דיגיטלי – משמש במקרני וידאו
• מנוע חשמלי
• פולימר אלקטרואקטיבי
• בוכנה הידראולית
• מנגנון סרוו
• סולנואיד
• מנוע צעדים
• סגסוגת זוכרות צורה

מדדי ביצועים

מדדי ביצועים עבור מפעילים כוללים מהירות, תאוצה וכוח (לחלופין, מהירות זוויתית, תאוצה זוויתית ומומנט), וכן יעילות אנרגטית ושיקולים כגון מסה, נפח, תנאי פעולה ועמידות.

כוח

כאשר שוקלים כוח במפעילים עבור יישומים, יש לקחת בחשבון שני מדדים עיקריים, עומסים סטטיים ועומסים דינמיים. עומס סטטי הוא הכוח שהמפעיל יכול להפעיל בזמן שאינו בתנועה. העומס הדינמי של המפעיל הוא יכולת הכוח תוך כדי תנועה.

מהירות

יש לשקול מהירות בעיקר ללא עומס, מכיוון שהמהירות תפחת תמיד ככל שהעומס יגדל. הקצב שבו המהירות תרד תלוי בכוח ובמהירות ההתחלתית.

תנאי הפעלה

מפעילים מדורגים בדרך כלל באמצעות לפי רמת אטימות IP. אלה שדורגו עבור סביבות מסוכנות יהיו בעלי דירוג IP גבוה יותר מאלה לשימוש אישי או תעשייתי נפוץ.

לקריאה נוספת

• ד"ר רפי יהל, זאב בהיר, מפעילים ושילובם במערכות בקרה (עמ' 185–233), בתוך "מערכות בקרה", ספר לימוד של המרכז לטכנולוגיה חינוכית, ‏2006

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מפעיל בוויקישיתוף