Zasilacze impulsowe dużej mocy to produkty, które muszą być doskonałe od strony technicznej i jednocześnie tanie

Po ponad trzech latach przerwy powracamy do rynku zasilaczy dużej mocy, analizując zmiany, które zaszły w tym okresie, przyglądając się aktualnym trendom i zjawiskom oraz zastanawiając się, jakie perspektywy kryją się przed tą grupą urządzeń. Zapraszamy do lektury.

Sprawność zasilaczy

Rys. 1. Wzrosty i spadki obrotów w latach 2007-2012 dla producentów i dystrybutorów zasilaczy impulsowych dużej mocy w podziale na cztery przedziały procentowe

Najważniejszym atutem, który doprowadził w ostatniej dekadzie do przemiany rynku zasilaczy z wersji liniowych, bazujących na transformatorach sieciowych i zwykłych stabilizatorach szeregowych, były dwa czynniki. Pierwszy wiązał się ze sprawnością zasilaczy, którą wersje impulsowe miały znacznie lepszą od dotychczasowych rozwiązań. Efekt był taki, że dla równoważnej mocy były one mniejsze i lżejsze oraz wymagały mniej intensywnego chłodzenia.

Drugi czynnik związany był z kosztami. Gwałtowny wzrost cen metali w ostatnich latach spowodował, że ceny radiatorów, transformatorów sieciowych przestały być pomijalnie niskie w całkowitych kosztach projektu, a nierzadko stały się dominujące. Do tego doszła drożejąca energia elektryczna oraz obniżki cen zasilaczy impulsowych wywołane efektem dużej skali ich produkcji wynikającej z szybkiego tempa rozwoju rynku na całym świecie. Efekt jest taki, że dzisiaj zasilacz impulsowy jest tańszy od równoważnego zasilacza liniowego, który stał się obecnie rozwiązaniem niszowym, zwłaszcza w zakresie dużych mocy wyjściowych.

Trzeba też zauważyć, że sprawność zasilaczy impulsowych stale rośnie. 10 lat temu 70% było wartością często spotykaną w tych produktach i uznawaną za przyzwoitą, niemniej postęp w zakresie półprzewodników mocy, w materiałach magnetycznych, sterownikach i topologii pracy konwerterów przesunął ten standard o około 15% w górę. Najlepsze jednostki mają sprawność przekraczającą 90%, dzięki czemu są w stanie dostarczyć dużą moc wyjściową bez chłodzenia wymuszonego, mają niewielkie wymiary i są lekkie.

Rola sprawności zasilaczy została dostrzeżona przez przemysł, który szuka w tym obszarze innowacji i ściga się o każdy procent, bo wie, że w ten sposób dokonuje się technologiczną ucieczka do przodu na pozycje niezagrożone przez licznych producentów dalekowschodnich. Znaczenie dużej sprawności dostrzeżono także na terenie UE, gdzie za pomocą dyrektyw takich jak EuP próbuje się ustawić minimalną poprzeczkę sprawności tych jednostek.

Odrębną kwestią jest to, czy klienci kupujący zasilacze impulsowe są zainteresowani dużą ich sprawnością i są w stanie za nią więcej płacić, zwłaszcza na rynku, na którym rządzi bezwzględnie kryterium ceny. Wydaje się, że nabywcy zasilaczy niekoniecznie patrzą do kart katalogowych na wartości procentowe sprawności, ale zwracają uwagę na wymiary, dostępną moc i masę.

Duża sprawność przetwarzania energii dla producentów to też szansa na obniżkę kosztów produkcji, bo im efektywniejsza jednostka, tym mniej trzeba do niej metali i tworzyw. Innymi słowy sprawność jest ważnym czynnikiem selekcji produktów, niemniej nie zawsze postrzeganym wprost jako procent, za to zawsze w powiązaniu z ceną produktu. To dlatego, że najnowsze rozwiązania, te istotnie lokujące się powyżej 90%, są relatywnie znacznie droższe od też dobrych jednostek, ale nie aż tak bardzo zaawansowanych.

Jakość zasilaczy

Rys. 2. Ocena wyników sprzedaży zasilaczy w pierwszej połowie 2013 roku

Duża sprawność to zjawisko, które korzystnie przenosi się także na kolejny bardzo ważny parametr i czynnik selekcji produktu, jakim jest dzisiaj niewątpliwie jakość. Wysoko sprawny zasilacz, który nie grzeje się nawet przy dużej mocy wyjściowej, jest też w stanie zapewnić dłużej bezawaryjną pracę. Producenci przykładają dużą wagę do tego, aby ich produkty były niezawodne w aspekcie długoterminowym i odporne na stany nieustalone, przeciążenia i błędy, bo w ten sposób budują znaczenie swojej marki, konkurują z tanimi dostawcami i przekonują klientów, że zasilacze impulsowe potrafią zapewnić wysoką funkcjonalność.

Od strony układowej zasilacze wyposaża się dzisiaj we wszechstronne układy zabezpieczające, rozbudowane filtry wejściowe, sterowniki zapewniające sygnalizację stanu zasilacza i podobne obwody ochronne na tyle skuteczne, że awaria na skutek przeciążenia, stanu nieustalonego lub zwykłego błędu podczas montażu instalacji staje się praktycznie niemożliwa.

Cyfryzacja zasilaczy - czy są w niej tylko zalety?

Rys. 3. Struktura obrotów dostawców zasilaczy impulsowych dużej mocy - 36% firm ma obroty ich sprzedaży poniżej 100 tys. zł w skali roku

Wiele nowych konstrukcji zasilaczy dużej mocy to konstrukcje cyfrowe, bazujące na szybkich mikrokontrolerach. Od tradycyjnych konstrukcji różnią się one tym, że zamiast analogowego sterownika PWM lub układu kontrolnego o podobnej funkcjonalności sterującego tranzystorami przełączającymi, wykorzystuje się podobne zasoby mikrokontrolera. To samo dotyczy wzmacniacza napięcia błędu i obwodów pomiarowych dokonujących kontroli prądów i napięć na wyjściu, np. w celu realizacji zabezpieczeń, które w wersji cyfrowej buduje się w oparciu o układy peryferyjne mikrokontrolera sterującego.

Cyfrowy zasilacz ma sporo zalet, bowiem pozwala zrealizować w prosty sposób wiele przydatnych układów, jak techniki sterowania oszczędnościowego stopniem mocy przy niskich obciążeniach (np. gubienie impulsów), zapewnia możliwość programowania parametrów, na przykład wartości ograniczenia prądowego, progów zadziałania zabezpieczenia termicznego, dokładnej regulacji napięcia wyjściowego, sygnalizacji, monitoringu stanu i podobnych. Cyfryzacja ułatwia zarządzanie podziałem mocy przy połączeniu równoległym oraz sprawdza się w specjalizowanych wersjach, na przykład takich, które współpracują z akumulatorem buforowym, pełniąc funkcję zasilania gwarantowanego.

Nic więc dziwnego, że cyfrowe układy sterowania zasilaczami pojawiają się coraz liczniej na rynku i wiele firm chwali ich parametry. Mało kto mówi jednak o wadach, które giną w potoku zalet i funkcjonalności, a niestety niekiedy mogą być istotne. Najważniejszą wadą sterowania cyfrowego jest powolność działania układów wewnętrznego sprzężenia zwrotnego.

Tabela 1. Przegląd ofert dostawców zasilaczy dużej mocy

Gdy na przykład prąd obciążenia zasilacza skokowo wzrośnie, napięcie na jego wyjściu chwilowo maleje. Po krótkiej chwili układ regulacji dokonuje korekty wysterowania stopnia mocy i napięcie podnosi się do wartości nominalnej. To, jak szybko dokona się taka korekta, jest bardzo ważnym parametrem zasilacza, bowiem im ten czas jest dłuższy, tym chwilowy spadek napięcia wywołany wzrostem obciążenia jest większy. Gdy reakcja zasilacza na skok prądu jest za wolna, może dojść nawet do zakłócenia działania zasilanych obwodów cyfrowych, które zareagują nieprawidłowo na skutek krótkotrwałego zaniku (szpilki) napięcia.

Za tę reakcję odpowiedzialny jest układ sprzężenia zwrotnego, który w rozwiązaniu analogowym działa bardzo szybko. W wersji cyfrowej, przetwornik A/C i oprogramowanie mikrokontrolera realizujące tę funkcję nie zapewniają, takiej szybkości reakcji, większa złożoność układu sprzężenia zwrotnego w wersji cyfrowej może powodować też oscylacje. Stąd dobry zasilacz cyfrowy wymaga szybkiego procesora, przemyślanych rozwiązań oprogramowania i konfiguracji, a to nie jest proste zagadnienie do opanowania przez producenta.

Specjalizacja zasilaczy coraz bardziej widoczna

Rys. 4. Udział procentowy sprzedaży dotyczącej zasilaczy impulsowych dużej mocy w całkowitych obrotach firmy - aż dla 63% dostawców produkty te są drobnym uzupełnieniem ofert

Zasilacz jest z natury produktem uniwersalnym i przydatnym w praktycznie każdej sytuacji, niemniej patrząc na ofertę rynku, widzimy, że producenci coraz liczniej tworzą wersje specjalizowane ukierunkowane na specyficzne zastosowania. Nie są to zmiany rewolucyjne ani też nie zmieniają podstawowej funkcjonalności tych produktów, ale raczej uwalniają projektantów od konieczności dodawania dodatkowych układów pomocniczych, płytek realizujących specyfikę aplikacyjną, które zostają zaszyte wewnątrz obudowy.

Takie specjalizowane wersje współpracują z akumulatorami buforowymi, ładując je i wykorzystując jako awaryjne źródło energii, zasilają diody LED stałym prądem, mają wzmocnioną izolację, co jest potrzebne w medycynie, a po stronie rozwiązań mechanicznych są to wersje na szynę TS35. Równolegle do rozwoju energooszczędnej elektroniki zmieniają się systemy zasilania gwarantowanego, niezbędnego do wielu produktów informatycznych, automatów sprzedaży, systemów informacyjnych i podobnych urządzeń.

Coraz rzadziej są one budowane za pomocą wydzielonych UPS-ów dostarczających zasilania równoważnego napięciu sieci energetycznej. Raczej wykorzystują niewielki akumulator dołączony do szyny pośredniej systemu zasilającego lub zasilacza z wbudowanym układem ładowania, który po zaniku napięcia sieci jest w stanie korzystać z niego jako chwilowego źródła energii. Tak jest wygodniej i taniej, stąd coraz liczniej pojawiają się na rynku jednostki, do których można dołączyć zewnętrzne standardowe ogniwa.

Zjawiska na rynku

Rys. 5. Konkurencja na rynku zasilaczy oceniana jest jako silna lub nawet bardzo silna

Zasilacze impulsowe są dzisiaj produktem standardowym, w dużej mierze katalogowym i dostępnym z wielu różnych źródeł. Mimo że od strony funkcjonalnej nie są to produkty złożone, nierzadko klienci dobierają zasilacz bez większej analizy parametrów, kierując się tylko i wyłącznie ceną, traktując kwestie zasilania po macoszemu. Jest to z pewnością wynik tego, że produkty te w znacznej części trafiają pod strzechy.

Rynek systemów zasilających jest z pewnością szeroki i obejmuje wiele branż i grup odbiorców. Ale jednocześnie ściąga wielu dostawców: producentów krajowych i dystrybutorów oraz wyraźnie widoczne firmy zajmujące się dostarczaniem komponentów automatyki przemysłowej, dla których własny zasilacz jest nierzadko obowiązkową pozycją w katalogu. Dzisiaj każdy może zostać importerem zasilaczy. Niestety bardzo często nie jest to poparte wystarczającą wiedzą techniczną ani też zainteresowaniem jakością. Taka sytuacja powoduje dostępność tanich jednostek, które często nie spełniają nawet podstawowych parametrów.

Firmy sygnalizują, że na rynku pojawia się coraz więcej zasilaczy, których jedyną zaletą jest niska cena, takich importowanych z Dalekiego Wschodu i dostępnych wśród wielu firm niekoniecznie kojarzonych z elektroniką. Wzrost automatyzacji procesów produkcyjnych, rosnąca rola komputerów, systemów embedded, aplikacji digital signage ciągnie popyt, ale silna konkurencja prowadzi jednocześnie do dużej erozji cen. Efekt jest taki, że dzisiaj jest to rynek trudny, o chłonności zależnej od bieżącej koniunktury w gospodarce UE.

Ostatnie lata zaostrzyły warunki funkcjonowania krajowej sfery produkcji w obszarze elektroniki. W największym stopniu powodem jest oczywiście spowolnienie gospodarcze, ale również ogólny wzrost kosztów działalności (praca, energia), coraz większe wymagania środowiskowe, a także nieustannie postępująca globalizacja, która łamie naturalne bariery rynku wyznaczane przez granice administracyjne państw. Zasilacze są produktami, na które wymienione czynniki wpływają wyraźnie, ale kilka lat temu była to stymulacja pozytywna, wynikająca z tego, że produkty te zapewniały oszczędności: miejsca, materiałów, wagi, energii, dzisiaj często trend zmienia się na przeciwny i szuka się w zasilaczach szans na redukcję kosztów.

Co słychać na rynku?

Rys. 6. Zestawienie obrazujące, które czynniki oferty handlowej są w największym stopniu brane pod uwagę przez klientów przy wyborze dostawcy zasilaczy

Bez wątpienia coraz większa liczba dostawców zasilaczy impulsowych, wraz z szeroką ofertą produktów katalogowych dostępnych z półki, powoduje, że nawet przy szerokim rynku, obejmującym wszystkie sektory techniki, chłonność jest ograniczona. Bariera ta jest też praprzyczyną dość silnej presji cenowej w relacjach pomiędzy dostawcami i klientami, bowiem przy ograniczonym popycie i silnej konkurencji ze strony importerów tanich zasilaczy z krajów Dalekiego Wschodu, ceny i marże nie są wysokie i nierzadko minimalne.

Zależności te widać na rysunku 1, gdzie zostały zaprezentowane zmiany sprzedaży zasilaczy w ciągu ostatnich 6 lat. Dane za lata 2007-2009 uzyskane zostały w badaniu ankietowym, jakie przeprowadziliśmy 3 lata temu, gdy w "Elektroniku" był publikowany raport na ten sam temat, a te za lata 2010-2012 z aktualnej ankiety.

Z wykresu można wnioskować, że wzrosty sprzedaży zapewniane przez zasilacze są raczej umiarkowane i mniejsze niż dla wielu innych komponentów elektronicznych. Widać też, że powiązanie sprzedaży z aktualną sytuacją na rynku jest dość silne, bo w okresach trudniejszych pojawiają się znaczące spadki sprzedaży, a w tych lepszych latach sytuacja odbudowuje się powoli. W tych okolicznościach ubiegły rok można uznać za całkiem niezły dla tego biznesu.

Należy też pamiętać, że zasilacze dużej mocy, jakimi zajmujemy się w tym opracowaniu, to produkty o coraz węższym spektrum aplikacyjnym. Wprawdzie trafiają one do wielu grup odbiorców, ale z uwagi na stały trend redukcji mocy, coraz większą sprawność instalacji urządzeń i systemów, zapotrzebowanie na jednostki zasilające powoli przenosi się w stronę małych mocy. Zjawisko to jest odpowiedzialne za silne powiązanie popytu na zasilacze dużej mocy z aktualną sytuacją w gospodarce, bowiem takie urządzenia w największym stopniu trafiają do inwestycji, dużych projektów, tych realizowanych w przetargach.

Na rysunku 2 zebrano opinie specjalistów na temat tego, jaka dla sprzedaży zasilaczy była pierwsza połowa 2013 roku. Zdaniem blisko połowy pytanych osób okres ten był dość dobry, ale też blisko co trzeci głos padł na to, że pierwsze 6 miesięcy okazało się słabe. W porównaniu do wyników za cały 2012 rok, widać, że dane za 2013 są nieco gorsze, ale nie dużo gorsze. Jak na to co dzieje się w całej gospodarce, opinie te dowodzą o silnej kondycji krajowej elektroniki, która trzyma się mocno.

Rysunek 3 przestawia strukturę obrotów dostawców zasilaczy ze sprzedaży tych urządzeń. Dla co trzeciej firmy wymienionej w tabeli 3 sprzedaż w skali roku nie przekracza 100 tys. złotych. To niewiele, zwłaszcza jeśli weźmie się pod uwagę, że są to urządzenia relatywnie drogie, w porównaniu do większości komponentów elektronicznych. Sprzedażą przewyższającą 1 mln złotych rocznie może się pochwalić około 15% dostawców, co oznacza, że niewiele firm specjalizuje się w tej tematyce.

Zasilacz, czyli standardowy komponent systemowo-instalacyjny, jest w znakomitej większości dodatkiem i uzupełnieniem wielu innych produktów. Poza zestawieniem obrotów widać to zjawisko na wykresie z rysunku 4, gdzie pokazano udział, jaki mają zasilacze impulsowe dużej mocy w całej sprzedaży dla dostawców z tabeli 3. Dwie trzecie uzyskuje z tych produktów nie więcej jak 10% obrotów, a liczba firm, które specjalizują się w tej tematyce, czyli producentów krajowych plus jeden dystrybutor, to jedynie 15% ogółu wszystkich dostawców.

Zgodnie z wcześniejszymi rozważaniami zdaniem ankietowanych specjalistów konkurencja na rynku zasilaczy jest uznawana za silną lub nawet bardzo silną (rys. 5). Być może jest to też powód, dla którego sieć dystrybucji nie postrzega w omawianych produktach wyrobów, na których można by oprzeć biznes i w zasadzie od tej reguły można podać tylko jeden wyjątek - MPL.