Elementy indukcyjne i transformatory sieciowe - zawsze w centrum uwagi konstruktorów

Zasilanie impulsowe stało się podstawą elektroniki przenośnej, systemów oświetlenia energooszczędnego i wielu aplikacji stacjonarnych, zarówno tych konsumenckich, jak i profesjonalnych. Niemniej rynek elementów indukcyjnych rozwija się nie tylko od strony zasilaczy, bowiem drugą ważną częścią jest filtracja napięć, w tym w zakresie wynikająca z konieczności zapanowania nad wymaganiami narzucanymi przez EMC.

Samo zasilanie nie dotyczy też jedynie obszaru współpracy z siecią energetyczną, bowiem konwersja energii jest obecnie wielostopniowa, nierzadko w obrębie jednej aplikacji jest kilka napięć zasilających i tym samym konwerterów. Zapraszamy do zapoznania się z naszym opracowaniem poświęconym tej tematyce, w którym staramy się uchwycić wszystkie istotne szczegóły zmian w rynku i technologii z ostatnich lat.

Impulsowe systemy zasilające stają się także znamienną częścią aplikacji takich, jak regulatory prędkości obrotowej silników, balasty lamp wyładowczych, korektory współczynnika mocy, a więc obszarów, gdzie do niedawna wykorzystywano inne rozwiązania, jak na przykład przełączanie uzwojeń lub takich udogodnień i funkcjonalności po prostu nie było. Takich nowych otwarć jest dość dużo, co znacząco poszerza rynek sprzedaży dla tych elementów.

W przypadku transformatorów sieciowych zapotrzebowanie rynku kreują aplikacje wymagające wysokiej jakości i niezawodności oraz długoterminowych źródeł zasilania, czego przykładem mogą być systemy alarmowe, zasilacze buforowe do akumulatorów, systemy kontroli dostępu do obiektów. W takich aplikacjach transformatory zapewniają dużą odporność na zaburzenia pojawiające się w sieci zasilającej (zwłaszcza na przepięcia podczas burz) i potrafią pracować bezawaryjnie przez długie lata.

Druga grupa urządzeń, która w dużej części bazuje na tradycyjnych zasilaczach z transformatorami, to wszelkiego rodzaju precyzyjna aparatura pomiarowa lub sprzęt medyczny, gdzie elementy te wybiera się z uwagi na to, że nie generują zaburzeń EM. Elementy te sprawdzają się też tam, gdzie trzeba zapewnić dobrej jakości separację galwaniczną obwodów od sieci lub zapewnić kilka separowanych od siebie obwodów zasilających.

W wielu systemach i urządzeniach nie ma problemu z dostępnością miejsca ani też konieczności minimalizacji wagi. W takich aplikacjach nierzadko wykorzystuje się transformatory sieciowe, bo tak dla wielu specjalistów jest prościej i efektywniej.

W dzisiejszych czasach coraz więcej wagi przykłada się do jakości, niezawodności, w przypadku wpadek koszty serwisu potrafią być bardzo dotkliwe, dlatego projektanci i integratorzy wybierają zasilacze z transformatorami sieciowymi, nawet jeśli są one droższe w zakupie. Specjaliści wolą dmuchać na zimne, unikają eksperymentów i doskonale pamiętają problemy, z jakimi borykali się w przeszłości.

Transformatory sieciowe były i będą potrzebne we współczesnej technice, bez względu na moc wyjściową, bez żadnych wątpliwości ich znaczenie w ostatnich kilkunastu latach maleje. Lecz podobnie jak przekaźniki elektroniczne typu SSR nie wyeliminowały z rynku wersji elektromagnetycznych, tak samo nie można oczekiwać, że zasilacze impulsowe całkowicie zawładną rynkiem, mimo że ich wypływ na rynek niezmiennie jest silny.

Wiele firm produkcyjnych w branży

Tabela 1. Przegląd ofert dostawców transformatorów sieciowych i elementów indukcyjnych

Produkcja transformatorów (sieciowych i impulsowych) oraz dławików bazuje na stosunkowo prostej technologii, dostępnych powszechnie materiałach, jak druty, lice, karkasy, rdzenie na maszynach do nawijania. W efekcie w kraju funkcjonuje kilkunastu producentów takich elementów. W ogromnej większości są to firmy z dużym doświadczeniem, zajmujące się tą działalnością od lat i działające w wielu niszach, jakie tworzą się wokół szerokiego frontu aplikacyjnego.

Wysoka jakość produkcji i poziom techniczny, relatywnie niskie koszty produkcji w stosunku do pozostałych krajów EU są atutami krajowych przedsiębiorstw tego typu, korzystających z faktu, że nawet jeśli w większości aplikacji daje się zastosować elementy z katalogu, to cała pozostała reszta i tak jest dość duża i atrakcyjna.

Co więcej, wiele projektów urządzeń specjalistycznych, jakie są cechą szczególną naszego rynku, wymaga takich elementów wykonanych na zamówienie, zwłaszcza transformatorów impulsowych. Wprawdzie wszyscy wytwórcy dostarczają takie indywidualnie dopasowane komponenty, niemniej krajowi wytwórcy mają tu przewagę w postaci szybkości, możliwości zamówienia niewielkich partii i świadczą wysokiej jakości wsparcie techniczne, co w przypadku tematyki zasilania impulsowego ma spore znaczenie.

Stabilna cena i dostępność jest podstawą dla tej branży oraz także pewność, że zamawiane produkty spełniają wymogi norm obowiązujące w Europie oraz na świecie. W przypadku dostawców z Dalekiego Wschodu ten aspekt zazwyczaj jest pomijany.

Są też problemy

Specjaliści zajmujący się w pracy zawodowej rynkiem podzespołów indukcyjnych sygnalizują, że problemem rynku podzespołów indukcyjnych jest napływ elementów niewiadomego pochodzenia, w większości od tanich producentów z Dalekiego Wschodu i niska świadomość techniczna wielu kupujących takie produkty.

Poza tym nierzadko prototypy oraz pierwsze partie produkcyjne tworzone są i uruchamiane w naszym kraju, po czym wielkoseryjna produkcja elementów indukcyjnych przenoszona jest na Daleki Wschód. Oznacza to, że wolumeny sprzedaży, na jakie rynek dystrybucji może liczyć, są małe lub co najwyżej średnie.

Producenci krajowi borykają się też z niestabilnością cen materiałów, czyli miedzi wykorzystywanej w formie drutów i taśm nawojowych oraz blach transformatorowych. Nie mamy już od wielu lat żadnego producenta rdzeni ferrytowych, a niestety przy krajowych realiach kupowanie ich za granicą nie zawsze jest proste - na dostawę wielu typów trzeba długo czekać, czasem nie da się kupić małych ilości, gdy chodzi o mniej popularne wykonania.

Postęp w zakresie podzespołów indukcyjnych w znacznej części realizuje się przez wykorzystanie nowych materiałów magnetycznych, o niższych stratach, większej indukcji nasycenia lub też efektywniejszym kształcie, jak amoficzne i nanokrystaliczne. Zapewniają one możliwość osiągnięcia większej mocy wyjściowej lub mniejszych wymiarów dla równoważnych elementów innych typów, przez co dostęp do rdzeni staje się ważnym czynnikiem w tym biznesie. Z punktu widzenia producentów kłopotliwe jest też mało elastyczne prawo pracy i wysokie koszty zatrudnienia pracowników, bo niestety w wielu przypadkach produkcja nie jest rozłożona w czasie równomiernie, tylko waha się między flautą a pracą na 2-3 zmiany.

Nowości

Z uwagi na charakter rynku w zakresie transformatorów sieciowych nowości nie ma wiele. Producenci podejmują próby zaprojektowania i wprowadzenia do seryjnej produkcji transformatorów sieciowych i dławików na rdzeniach z materiałów nanokrystalicznych, co pozwoliłoby na ich wyraźną miniaturyzację i poprawiłoby sprawność.

Inni eksperymentują z transformatorami wysokiej jakości, przeznaczonymi np. do układów audio typu High-End, gdzie nabywca na cenę patrzy w ostatniej kolejności. Rośnie także liczba typów transformatorów, które są dostępne w wykonaniu zalewanym oraz z montażem na szynie DIN - to ukłon w stronę aplikacji przemysłowych.

W ofertach pojawia się coraz więcej autotransformatorów (zarówno odczepowych, pozwalających na regulację skokową napięcia wyjściowego, jak i z regulacją płynną). Elementy te wykorzystuje się przede wszystkim do regulacji prędkości obrotowej wentylatorów. Silniki indukcyjne używane w tych zastosowaniach przy regulacji fazowej na triaku nieprzyjemnie brzęczą a nawet drżą, zwłaszcza przy małych prędkościach, stąd coraz powszechniej obroty reguluje się autotransformatorem zapewniającym płynność. Ponieważ autotransformatory do takich celów pojawiają się w ofertach wielu producentów, jest to znak, że rynek w tym wąskim segmencie jest na razie odporny na elektronizację.

Wąską niszą rynkową dla producentów było od dawna wykonywanie miniaturowych cewek powietrznych dla potrzeb układów RFID, anten ferrytowych do układów kontroli i synchronizacji czasu i podobnych aplikacji. Aktualnie katalog cewek powietrznych poszerza się o rozwiązania wielozwojowe do układów bezprzewodowego ładowania akumulatorów, jakie coraz częściej spotykane są na rynku oraz cewki powietrzne do impulsowych systemów zasilania, gdyż na skutek wzrostu częstotliwości pracy układów indukcyjności tych elementów, jakie są potrzebne, stają się coraz mniejsze.

Z tego samego powodu w ofertach pojawiają się transformatory impulsowe planarne o wielkiej mocy, bo są one płaskie i dają jeszcze lepsze możliwości upchania całości. Transformatory nawija się drutami w potrójnej izolacji, a podnoszenie częstotliwości pracy zasilaczy impulsowych wymusza stosowanie wielodrutowych lic w.cz.

W zakresie elementów indukcyjnych przeznaczonych do pracy z wyższymi częstotliwościami niż napięcie sieci większość nowości to zminiaturyzowane wykonania SMD. Miniaturyzacja jest silnym trendem wśród tych komponentów, co zapewniają nowe materiały magnetyczne (nanokrystaliczne) i precyzyjne nawijarki.

Technologia powlekania transformatorów polimerami zamiast ich zalewania żywicami znacznie poprawia trwałość i odporność transformatorów na czynniki chemiczne i warunki atmosferyczne oraz pozwala na skuteczniejsze i łatwiejsze odprowadzanie ciepła.

Dużym impulsem do zmian i rozwoju w dziedzinie elementów indukcyjnych jest rozwój oświetlenia LED oraz ograniczanie zużycia energii elektrycznej. Wykorzystanie nowoczesnych rozwiązań zasilających jest głównym środkiem w takich obszarach, stąd uwaga konstruktorów kieruje się dzisiaj na optymalizację energetyczną urządzeń oraz zrównoważenie ceny i jakości.

Transformatory sieciowe kontra impulsowe

Rys. 1. Ocena wpływu impulsowych systemów zasilania na rynek transformatorów sieciowych

To, co sprzyja rozwojowi impulsowych metod konwersji mocy, jest zwykle niekorzystne dla tradycyjnych transformatorów sieciowych. Zasilacze impulsowe odbierają rynek transformatorom sieciowym, od lat spychając je do nielicznych rynkowych nisz, aplikacji, w których liczy się prostota i wysoka jakość długoterminowa, a także zastosowań w utrzymaniu ruchu i precyzyjnym sprzęcie czułym na zaburzenia elektromagnetyczne.

Niemniej patrząc na to, co dzieje się na rynku, np. to że co miesiąc pojawia się około 100 nowych komponentów związanych z zasilaniem impulsowym, należy oczekiwać, że proces spychania klasycznych transformatorów do specjalistycznych nisz na rynku elektroniki będzie dalej postępował. Może już nie w tak szybkim tempie jak do tej pory, ale niestety trudno znaleźć argumenty na to, aby było inaczej.

Walka z globalnymi trendami jest z góry skazana na niepowodzenie i jedyne, co można zrobić, to się przystosować, a więc przenieść produkcję w stale istniejące i nadal perspektywiczne obszary, np. w energetykę i zasilanie impulsowe. Szczęśliwie w ostatniej dekadzie większość znaczących producentów transformatorów sieciowych rozszerzyła biznes o wytwarzanie elementów impulsowych, stąd spadki w jednej części biznesu, rekompensują wzrosty w drugiej.

Rys. 2. Ocena, jak kształtuje się popyt na transformatory sieciowe w ostatnim czasie

Na rysunku 1 pokazujemy zestawienie opinii specjalistów na temat tego, jaki wpływ na rynek transformatorów sieciowych mają systemy impulsowe. Jak widać, najwięcej odpowiedzi padło, że impulsowe zasilanie jest dużym zagrożeniem, ale niewiele mniej, że ten wpływ jest tylko umiarkowany. W analogicznym badaniu, które wykonaliśmy ponad 3 lata temu, opinie bardziej wskazywały na umiarkowany wpływ, stąd można przypuszczać, że ekspansja systemów impulsowych jeszcze nie wyhamowała.

Analogiczne wnioski wypływają z wykresu na rysunku 2, liczba wskazań na to, że popyt nadal maleje, przeważa nad liczbą osób, które dostrzegają już w tym procesie stabilizację. Prawdopodobnie konkretne opinie wynikają z tego, jaki asortyment tych elementów weźmie się pod uwagę, ale średnio wydźwięk jest właśnie taki, jak pokazuje wykres.

Coraz szersza oferta katalogowa

Tabela 2. Dane kontaktowe do krajowych dostawców transformatorów sieciowych i elementów indukcyjnych

Podobnie jak jest to z wieloma innymi grupami elementów, takimi jak złącza lub przekaźniki, tak samo w przypadku elementów indukcyjnych daje się zaobserwować, że z czasem w ofertach dystrybutorów jest coraz więcej podzespołów gotowych (katalogowych). Widać to przede wszystkim w dławikach, gdzie liczba typów szybko się zwiększa i dobranie do danej aplikacji czegoś gotowego jest coraz łatwiejsze.

Takie zjawiska widać w transformatorach sieciowych małej mocy, w znacznie mniejszym stopniu w transformatorach impulsowych. Coraz większa liczba elementów katalogowych w założeniu ma ograniczać popyt na wersje indywidualne, które są domeną i specjalizacją wszystkich krajowych producentów tych elementów od wielu lat.

Mimo szerokiej oferty produktów gotowych popyt na wersje na zamówienie można ocenić jako duży i niesłabnący. Jest to też ważny czynnik przewagi krajowego sektora wytwórczego i nie wydaje się, aby w istniejących realiach rynkowych poszerzająca się oferta katalogowa zmieniła znacząco istniejący układ sił.

Powodem jest głównie dobra dostępność usług. Nawijanie na zamówienie dostępne jest też w przypadku zamawiania małych ilości, również pojedynczych sztuk przeznaczonych do układów prototypowych, co zdecydowanie ułatwia prace konstrukcyjne. Linia podziału między produktami gotowymi a dopasowanymi do projektu przebiega najczęściej w powiązaniu z wielkością zamówienia.

Duże projekty związane z zasilaniem impulsowym częściej opierają się na produktach nieseryjnych, gdyż koszt indywidualizacji jest wówczas niski, a korzyści z dobrego dopasowania podzespołu do projektu są znaczące. A tych dużych serii też w kraju nie wytwarza się wiele. Drugi powód to dobre wsparcie techniczne większości firm tego typu, które faktycznie pełni funkcję konsultacji i weryfikacji inżynierskich pomysłów. Wybierając element katalogowy, takich szerokich możliwości konsultacji zwykle się nie ma.

Trzeci czynnik to czas oczekiwania na komponenty. Krajowi producenci wygrywają zdecydowanie szybkością liczoną w dniach, a nie w tygodniach. A w zakresie oferty katalogowej na wszystkie mniej popularne typy zwykle czeka się długo.