Zasilacze impulsowe małej mocy - uniwersalne i przydatne praktycznie w każdej sytuacji

W ostatniej dekadzie zasilacze impulsowe zdominowały całkowicie rynek zasilania, zmieniając jego kształt w stronę handlową, a od strony funkcjonalnej rozpoczął się wyścig technologiczny o sprawność, cyfryzację, niezawodność, niewielkie wymiary. Mimo że od zasilaczy wymaga się coraz więcej, to lepsze parametry muszą iść w parze z niską ceną, co sprawia, że dla firm dystrybucyjnych i producentów krajowych rynek staje się wielkim wyzwaniem. To dlatego, że od strony funkcjonalnej nie są to produkty złożone, a nierzadko klienci dobierają zasilacz bez głębszej analizy parametrów, kierując się tylko i wyłącznie ceną, traktując kwestie zasilania po macoszemu.

Za najważniejszy czynnik sprzyjający rozwojowi rynku zasilaczy można uznać szybko rosnący cały rynek techniki, na którym pojawia się coraz więcej urządzeń i sprzętu wymagającego zapewnienia zasilania z sieci. Coraz więcej urządzeń, rozwój systemów automatyki i informatyki przemysłowej, liczne aplikacje specjalistyczne, jak na przykład oświetlenie LED, przyczyniają się do wzrostu popytu na zasilacze.

Zapotrzebowanie na nie można wskazać w praktycznie każdej dziedzinie techniki, bo są to urządzenia uniwersalne bez których nie można się obyć, dlatego wraz z kolejnymi inwestycjami w telekomunikacji, transporcie, przemyśle, kolejnymi firmami, rynek zasilaczy znacząco się zwiększa i przyciąga nowych dostawców.

Współczesny rynek zasilania w ogromnej większości tworzą jednostki pracujące impulsowo, co wynika z kosztów oraz wielu czynników techniczno- funkcjonalnych, jak wysoka sprawność, duża wydajność z jednostki objętości, mały ciężar, doskonałe parametry techniczne i kompletne obwody zabezpieczające.

Popyt na takie nowoczesne jednostki kształtują regulacje prawne w zakresie sprawności i mocy pobieranej bez obciążenia, wymagania co do specyficznych funkcji, jak praca równoległa, współpraca z akumulatorami, wysoki MTBF oraz zdalny monitoring. Liczy się także coraz wyższa świadomość klientów, którzy mają coraz większe i konkretne wymagania w zakresie zasilania, znają się na jakości tych produktów i rozumieją, jak ważne dla ich aplikacji jest niezawodne zasilanie.

Wzrost rynku zapewnia też coraz szersza oferta tych produktów, obejmująca wiele typów obudów, wykonań napięciowo-mocowo-prądowych. Oferta jednostek katalogowych w ostatnich latach się znacznie powiększyła, co w przypadku aplikacji o małej mocy w dużej mierze wyeliminowało konieczność zamawiania wersji indywidualnych.

Niestandardowe i nietypowe wykonania zasilaczy sprzed paru lat dzisiaj stają się typowe, co prowadzi do obniżenia kosztów aplikacji zasilacza i zapewnia zawsze poszukiwaną i cenioną elastyczność takich rozwiązań. Proces ten można uznać za mechanizm samonapędzający się, bo im szersza oferta katalogowa, tym klienci chętniej korzystają z takich jednostek w projektach. A wynikający z tego rozwój rynku zachęca kolejnych dostawców do poszerzania oferty w tym zakresie.

Negatywne zjawiska, które psują biznes

Tabela 1. Przegląd ofert dostawców zasilaczy impulsowych małej mocy

Bez cienia wątpliwości największym problemem krajowego rynku zasilaczy małej mocy są tanie jednostki o niskiej jakości i słabych parametrach pochodzące od mało znanych dostawców azjatyckich. Rynek omawianych produktów jest mocno konkurencyjny, a kryterium ceny jest w znakomitej większości przypadków najważniejszym kryterium wyboru.

Równocześnie dzisiaj każdy może zostać importerem zasilaczy, próbując wykorzystać powyższe zjawiska, nawet jeśli o zasilaniu nie ma pojęcia i import nie jest poparty wystarczającą wiedzą techniczną. Taka sytuacja powoduje dostępność tanich urządzeń, które często nie spełniają podstawowych parametrów.

Zdaniem wielu ankietowanych specjalistów krajowy rynek wręcz zalany jest tanimi zasilaczami, a klienci, widząc zmagania dostawców takich produktów, jeszcze bardziej nasilają presję na minimalizację kosztów zakupu. Dla rynku krajowego takie tanie zasilacze pochodzące od nieznanych producentów (nazywane najczęściej jako no-name) nie byłyby może aż tak dużym zagrożeniem, bo klienci mają już wyrobione odruchy obronne i potrafią być nieufni w przypadku kompletnie nieznanych produktów i nowych dystrybutorów.

Niestety na rynku pojawiają się produkty będące kopiami zasilaczy renomowanych firm. Ich kształt obudowy, logo i oznaczenia modelu są łudząco podobne do oryginałów, przez co całość można uznać za podróbkę. Druga grupa to tzw. tanie zamienniki, a więc równoważne funkcjonalnie i mechanicznie produktom markowym, co widać zwłaszcza w zakresie zasilaczy do oświetlenia ledowego. Problemem takich jednostek jest rozbieżność pomiędzy parametrami w specyfikacji a rzeczywistością, brak wymaganych certyfikatów lub też sprowadzających się do naklejki, na której można napisać dowolną treść.

Za przeszkodę w rozwoju rynku można uznać też politykę dystrybucyjną wielu producentów z Dalekiego Wschodu, którzy nierzadko preferują okazyjne kontrakty i rozbudowaną sieć sprzedaży. Zamiast jednego dużego dystrybutora na kraj, wybierają raczej kilka firm, które z założenia są skierowane przeciwko sobie.

Duże kontrakty tacy producenci potrafią obsługiwać sami, omijając formalną siatkę sprzedaży i nie mają oporów, aby często zmieniać ustalenia i listę reprezentantów. Takie działania powodują, że niestety na rynku zasilania coraz rzadziej można liczyć na długofalowe relacje partnerskie, a skutkiem jest to, że przedsiębiorstwa uwikłane w takie powiązania są słabo zainteresowane marketingiem i promocją produktów.

Nowości w zasilaniu jest wiele

Generalnie utarło się, że zasilacze o małej mocy to w sumie jednostki proste konstrukcyjnie, bo duża funkcjonalność często nie jest potrzebna, za to niska cena już jak najbardziej tak. To twierdzenie jest często prawdziwe, ale z pewnością nie jest tak zawsze i w ofertach producentów są też modele zaawansowane. Są one potrzebne do najbardziej wymagających aplikacji przemysłowych, medycznych, wojskowych a także wszędzie tam, gdzie cena zasilacza nie jest parametrem krytycznym. Takie jednostki pozwalają też na obserwację trendów co do kierunku, w którym idzie branża.

Można zauważyć, że producenci starają się wyposażać wybrane jednostki w korektor współczynnika mocy, co generalnie w przypadku zasilaczy małej mocy nie jest wymagane. Obwód taki ma charakter pasywny (de facto filtr LC) lub aktywny (specjalistyczny konwerter wstępny) i jego zadaniem jest zapewnienie, aby pobierany prąd przez zasilacz nie miał charakteru impulsowego. Korektor aktywny rozszerza układ elektroniczny o mniej więcej jedną piątą, pasywny zwiększa znacząco wagę, co musi przekładać się na cenę. Ale z drugiej strony jego obecność poprawia działanie i parametry systemu zasilającego, zwłaszcza w rozbudowanych instalacjach.

Dodanie korektora PFC coraz częściej jest wynikiem zastosowania w zasilaczu nowoczesnego sterownika, który tę funkcję ma zintegrowaną w całość, z każdą kolejną generacją takich układów ta dodatkowa komplikacja staje się więc mniej kosztowna.

Istotnym trendem dla całego rynku zasilania jest tzw. sterowanie cyfrowe. Terminem tym określa się technologię, w której sterownikiem zasilacza jest odpowiedni mikrokontroler. Ponieważ większość takich układów ma wbudowane doskonałe przetworniki analogowe cyfrowe, układ PWM, timery, możliwe jest zbudowanie sterownika, który będzie realizował wszystkie funkcje związane z regulacją napięcia i obwodami zabezpieczeń.

Mikrokontroler zapewnia uniwersalność i możliwość kształtowania parametrów za pomocą wymiany oprogramowania firmware. Wiele funkcji zabezpieczających i sygnalizacyjnych też daje się z jego użyciem łatwo wykonać, stąd w nowych konstrukcjach sterowanie cyfrowe jest częstą opcją. W praktyce z uwagi na konieczność minimalizacji opóźnień w pętli sprzężenia zwrotnego MCU musi być wydajny albo konieczne jest użycie jednostek o charakterze kontrolera sygnałowego typu DSC, a więc produktu o funkcjach charakterystycznych dla DSP.

Jest to problem, ale mimo wszystko wart rozwiązania. Mikrokontroler w zasilaczu pozwala też na dodanie funkcji, które w przypadku tradycyjnego sterownika analogowego wykonać było niełatwo: komunikację z systemem nadrzędnym, możliwość połączenia kilku zasilaczy w system redundantny, autodiagnostykę, programowanie parametrów (napięcia, progi ograniczeń) za pomocą interfejsu cyfrowego, alarmy, a nawet kształt charakterystyki ograniczenia prądowego. Mikrokontroler jest też w stanie skutecznie usypiać zasilacz przy braku obciążenia i pomagać w ładowaniu akumulatorów.

Wysoka sprawność i mała moc standby

Ważnym trendem jest wzrost sprawności jednostek, który w najbardziej zaawansowanych konstrukcjach sięga 95-96%. Wysoka sprawność to dzisiaj nie tylko wymóg prawny nakładany przez wymagania UE w sprawie ekoprojektu, ale także potrzeba rynku. Wysoka sprawność to oszczędność energii zasilającej, co może przy zasilaniu z sieci nie jest źródłem kolosalnych oszczędności, ale w systemach z podtrzymaniem bateryjnym przekłada się na znacznie dłuższy czas pracy z danej pojemności akumulatora.

Wysoko sprawny zasilacz niewiele się grzeje, a więc może też pracować w szerszym zakresie temperatur, a cała konstrukcja może być bardziej zminiaturyzowana, bo nie ma potrzeby rozpraszania tak dużej ilości ciepła. Wysoka sprawność zawsze była pożądaną cechą zasilaczy impulsowych, ale obecnie coraz więcej wagi przykłada się do tego, aby była ona wysoka zawsze, czyli także przy małym obciążeniu i w pełnym zakresie napięć zasilania, a nie tylko w jednym wybranym i najlepszym punkcie charakterystyki.

Wysoka sprawność zasilaczy umożliwia ich dużą miniaturyzację, co jest logiczne, bo obwody wewnętrzne mogą być ciasno upakowane i nie ma potrzeby dawania dużych radiatorów. Warto dostrzec, że miniaturyzacja w zasilaczach nie jest efektem kompromisów, czyli mniejszy zasilacz ma takie same parametry elektryczne jak jednostka większa.

Sprawność zasilaczy małej mocy zawsze jest trochę mniejsza niż silniejszych jednostek, ale i tak sukcesywnie się podnosi w pobliże 90%. Każdy kolejny procent więcej jest dla producentów coraz większym wyzwaniem, bo osiągnąć go trudniej. Konieczne są nowoczesne sterowniki scalone, nowe topologie konwersji (rezonansowe), prostowniki synchroniczne na wyjściu na MOSFET-ach zamiast diod, a także niskostratne materiały magnetyczne.

Mówiąc o sprawności zasilaczy, trzeba pamiętać, że podawana przez producenta wartość z reguły dotyczy najkorzystniejszych warunków pracy, a więc na przykład, gdy napięcie wejściowe jest wysokie i pod pełnym obciążeniem. W innych warunkach sprawność jest mniejsza, nierzadko sporo mniejsza, o czym nie zawsze się pisze. Warto być dociekliwym, bo inaczej można przepłacić.

Na topie zmian technologicznych jest też minimalizacja mocy pobieranej przez zasilacz bez obciążenia (standby), co jest istotne zwłaszcza w zasilaczach małej mocy, które nierzadko są podłączone do sieci przez cały czas i nie mają wyłącznika. Ograniczenie wielkości energii pobieranej przez zasilacz na własne potrzeby to także wymogi narzucane przez regulacje unijne, gdyż nawet jeśli pobierana przez pojedynczy zasilacz moc standby nie wydaje się duża, to jednak takich zasilaczy jest bardzo dużo i sumarycznie stanowią one już poważne obciążenie dla sieci.

Bezsprzecznie w temacie mocy standby sporo się ostatnio dzieje, a producenci półprzewodników, czyli układów sterujących i zasilaczy, wkładają wiele wysiłku w to zagadnienie, co chwila bijąc rekordy oszczędności i ekologiczności. Zapewnienie niskiego poboru mocy bez obciążenia jest łatwiejsze w przypadku sterowania cyfrowego, bo implementacja technik sterowania z gubieniem impulsów, zmianą topologii konwersji przy sterowaniu cyfrowym jest łatwiejsza do osiągnięcia.