Aby dobrze dobrać zasilacz do danej aplikacji i docenić walory techniczne kryjące się w zaawansowanych specjalistycznych rozwiązaniach zasilających, trzeba cokolwiek wiedzieć na temat ich funkcjonalności i parametrów. Wiedza ta pozwala na formułowanie pytań kierowanych potem do dostawców, a także na poszerzenie horyzontów na temat tego, co można osiągnąć w tworzonej aplikacji. Inaczej dyskusja sprowadzana jest do podstawowych danych, takich jak napięcie wyjściowe, moc, obudowa, złącze DC i cena, co nikomu nie daje wiele przestrzeni do manewru.
Kupujący zasilacze często nie mają wystarczających kompetencji i doświadczenia, aby umieć ocenić produkt, więc nietrudno o nadużycia. Nie każdy zna się na zasilaczach, a im aplikacja lub wytwarzane urządzenie bardziej odbiega od elektroniki, tym tej wiedzy jest w naturalny sposób mniej. Klienci z branż odległych od elektroniki z reguły nie chcą płacić więcej za produkty renomowane i o gwarantowanej jakości, raczej kupują jednostki najtańsze i nawet jak później urządzenie nie działa prawidłowo, nie są w stanie powiązać anomalii z kiepskim zasilaniem i nietrafionym wyborem. Część z nich uczy się na błędach i takie ryzyko jest dla nich nauczką na przyszłość, niemniej, ponieważ temat psucia rynku przez tanie zasilacze azjatyckie od lat jest dyżurnym tematem branży, zapewne takie wpadki nie są powodem do chwały i firmy skrzętnie je ukrywają.
Warto zatem poświęcić chwilę na omówienie funkcji, które tworzą wartość dodaną do podstawowego zestawu związanego z konwersją energii elektrycznej (moc, napięcia).
W przypadku zasilaczy bezprzerwowych takim istotnym dodatkiem są możliwości diagnostyczne zasilaczy: monitorowanie stanu akumulatorów, kontrola sprawności zasilacza, parametrów sieci zasilającej, możliwość szybkiego ładowania oraz korekta napięcia ładowania w zależności od temperatury, która przedłuża żywotność akumulatorów. Zdolność do chwilowego przeciążania to z kolei cecha, która przydaje się w zastosowaniach przemysłowych i najlepiej, aby poziom dopuszczalnego przeciążenia oraz podstawowe parametry, takie jak napięcie, progi aktywacji zabezpieczeń, można było programować samodzielnie z komputera (takie możliwości daje zasilacz konfigurowalny).
Wiele osób ocenia jakość zasilacza na wagę i nie jest to pozbawione sensu, bo tani produkt z małymi radiatorami, odchudzonymi filtrami i minimalnej wielkości transformatorem zawsze będzie lżejszy od tego porządnie wykonanego. Warto przyjrzeć się, ile ważą zasilacze renomowanych firm po to, aby porównać je z innymi.
Użyteczna funkcjonalność, jaka pojawia się dzisiaj często w zaawansowanych jednostkach zasilających, obejmuje ponadto takie dodatki, jak np. możliwość regulacji wyjściowego napięcia w niewielkim zakresie trymerem, po to, aby skompensować spadek napięcia na przewodach wyjściowych. Do tego samego celu służą zwielokrotnione zaciski wyjściowe lub też możliwość podłączenia dwóch dodatkowych przewodów pomiarowych bezpośrednio do zacisków obciążenia (tzw. czteroprzewodowe połączenie kelwinowskie). Taki sposób zapewnia znakomite parametry napięcia wyjściowego (statyczne i dynamiczne) w zasilaczach dużej mocy i o niskim napięciu wyjściowym.
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.
Szeroki zakres napięcia wejściowego to kolejny parametr, który wiele mówi o nowoczesności. Standard tanich jednostek to 100–240 VAC, lepsze działają w zakresie 85–265 VAC, najlepsze w jeszcze szerszych widełkach.
Nawet jeśli nie korzystamy z sieci innej niż 230 VAC, to gdy zakres dopuszczalnych napięć jest szeroki, korzystnie przekłada się to na odporność zasilacza na krótkotrwałe zaniki napięcia i przepięcia o dużej wartości.
Asortyment dostępnych na rynku zasilaczy poszerza się także o wersje ze wzmocnioną izolacją, czyli o niskiej upływności. Do niedawna były one rzadkością i wykorzystywane tylko w aplikacjach medycznych, niemniej poszerzająca się oferta wskazuje, że takie jednostki trafiają także do urządzeń przemysłowych, do precyzyjnej aparatury pomiarowej oraz rozbudowanych systemów, gdzie łączone są obwody na różnych potencjałach. W takich przypadkach zasilacz o wzmocnionej izolacji jest w stanie zapewnić stabilność i jakość działania układów pomiarowych.
Jeszcze inne rozwiązania to zasilacze czteroćwiartkowe, czyli takie, które mogą płynnie zmieniać funkcję z dostarczania energii do obciążenia na jej odbieranie (jak obciążenie elektroniczne) bez konieczności przełączania obwodów przekaźnikami.
Na koniec warto wymienić korzyści z obecności cyfrowego łącza komunikacyjnego w zasilaczach. Pozwala ono łączyć kilka jednostek równolegle, zapewniając równomierny podział mocy oraz tworzyć w ten sposób konfiguracje nadmiarowe (z redundancją), w których jest możliwość wymiany jednego zasilacza z zestawu bez wyłączania reszty.
Sprawność i miniaturyzacja
Duża sprawność konwersji energii elektrycznej to temat zawsze istotny w obszarze zasilania, gdyż razem z kolejnymi procentami sprawności poprawia się wiele innych parametrów aplikacyjnych. Są to wielkość zasilacza, zakres temperatur pracy, warunki chłodzenia, żywotność, a w jakiejś części także odporność środowiskowa. Im większa sprawność, tym mniej ciepła jest tracone podczas konwersji energii, a jak mówi luźna interpretacja prawa Arrheniusa "podniesienie temperatury reakcji chemicznej o 10 stopni przyspiesza ją dwukrotnie. Taką reakcją może być proces degradacji izolacji, wysychanie elektrolitu w kondensatorach, starzenie się tworzyw sztucznych itp. Dziesięć stopni różnicy temperatury w obudowie to inaczej mówiąc dwukrotnie dłuższa żywotność komponentów zasilacza i taką różnicę mogą zapewnić 2–3 punkty procentowe sprawności konwersji energii więcej.
Miniaturyzacja to kolejny po sprawności parametr zasilaczy, który zawsze jest aktualny, bo mała, ale wydajna jednostka zasilająca ułatwia instalację, pozwala na lepszą integrację z konstrukcją urządzenia lub maszyny oraz z dużym prawdopodobieństwem jest nowocześniejsza od większych (starszych) rozwiązań.
Wysoka sprawność to oszczędność energii zasilającej, a więc mniejsze rachunki, a w zasilaczach buforowych dłuższy czas pracy z danej pojemności akumulatora.
Zagadnienia związane z energią odnawialną
Od lat mówiło się, że w przyszłości instalacje elektryczne nie będą już tak bardzo scentralizowane, a więc z widocznym podziałem na elektrownie, linie przesyłowe oraz odbiorców końcowych. Energia odnawialna stworzyła na rynku kategorię prosumenta, czyli specyficznego odbiorcę końcowego, który kupuje energię elektryczną oraz także produkuje ją na własne potrzeby, a nadwyżki sprzedaje do sieci. Wraz z prosumentami energetyka zaczęła się zmieniać w system rozproszony. Jako konsekwencja tego procesu rozwój i popularność instalacji PV przyspieszyły rozwój technologii zasilania dwukierunkowego, a więc takich jednostek, które są w stanie konwertować energię w dwie strony, np. zasilając silnik napędzający urządzenie i odbierając od niego energię hamowania po to, aby ładować akumulator. Są to skomplikowane rozwiązania zasilaczy, ale powoli znajdują swoje miejsce na rynku.
Bezsprzecznie w przyszłości będziemy mieć coraz więcej instalacji lokalnych generujących prąd ze słońca lub wiatru. Dużo się też mówi o lokalnych magazynach akumulatorowych do gromadzenia nadwyżek z instalacji odnawialnych lub odzysku energii z układów mechanicznych w transporcie. Oznacza to, że falowniki dwukierunkowe i zasilacze będą trafiać także pod strzechy.
Zasilanie gwarantowane coraz bardziej rozproszone
Zasilanie gwarantowane zawsze było ważną częścią współczesnej techniki i można nawet wysnuć tezę, że z roku na rok funkcja, jaką pełnią te urządzenia, jeszcze bardziej się zwiększa. Powodem jest to, że liczba systemów elektronicznych, które muszą pracować nonstop, stale rośnie. Jednocześnie znaczenie, jakie ma taki sprzęt, staje się coraz ważniejsze, a nierzadko nawet może decydować o zdrowiu i życiu. Wymagania działania bez przerwy stawia się m.in. przed sprzętem infrastruktury telekomunikacyjnej, monitoringu, sterowania ruchem, w zakresie usług elektronicznych, e-handlu i wielu innych technologii z przedrostkiem "e". Ważnym obszarem jest także medycyna i IT.
Wymienione branże i aplikacje to przykłady, gdzie zasilanie gwarantowane charakteryzowane jest przez dużą moc jednostek, co wynika z centralizacji sprzętu o znaczeniu krytycznym w jednym obiekcie do np. serwerowni. To taki specyficzny obszar, gdzie podtrzymanie zasilania podczas awarii jest realizowane przez jeden lub kilka zasilaczy UPS pracujących razem jako system. W tym zakresie niewiele się zmienia, jeśli chodzi o koncepcję systemu zasilania. Różnice pomiędzy kolejnymi generacjami zasilaczy dotyczą głównie ich parametrów: sprawności, mocy uzyskiwanej z jednostki objętości, możliwości zarządzania zdalnego, zapewnienia redundancji poprzez łączenie wielu zasilaczy w równoległe bloki, możliwości wymiany modułów podczas pracy i podobnych.
Zasilacze buforowe
Drugi obszar, gdzie realizowane jest zasilanie gwarantowane, nie jest taki widowiskowy, ale też zyskuje na znaczeniu. Chodzi o podtrzymanie zasilania dla lokalnych instalacji małych mocy, gdzie odbiorniki są zasilane napięciem stałym o wartości 9–24 V. Są to systemy monitoringu wizyjnego, składające się z kamer i pamięci masowej NAS do przechowywania danych wideo, routery i punkty dostępowe do Internetu, systemy alarmowe, aplikacje pomiarowe wysyłające dane do chmury, systemy oświetlenia awaryjnego i automatyki budynkowej.
W takich rozwiązaniach gwarancja zasilania wymaga znacznie mniejszej mocy i stąd realizowana jest lokalnie poprzez dołączenie akumulatora lub użycie zasilacza buforowego z magazynem energii (jest to akumulator, rzadziej są to superkondensatory z uwagi na duży koszt). Niektóre urządzenia tego typu pozwalają na podłączenie akumulatora buforującego, ale z reguły wykorzystuje się zasilacz buforowy, a więc z akumulatorem. Są to rozwiązania o różnym poziomie zaawansowania technicznego. Od najprostszych, gdzie napięcie akumulatora jest dostarczane bezpośrednio na wyjście, po zaawansowane jednostki o napięciu wyjściowym stabilizowanym i niekoniecznie takim samym, jakie ma akumulator.
Zasilacze buforowe mogą zawierać akumulator wewnątrz obudowy i takie wersje najczęściej pojawiają się w instalacjach budynkowych. Coraz częściej jest też możliwość dołączenia akumulatora zewnętrznego o dużej pojemności w razie potrzeb. To jest bardzo elastyczne rozwiązanie, bo daje szansę ustalenia czasu podtrzymania zasilania stosownie do potrzeb.
Popularności zasilaczy buforowych sprzyja także to, że od strony technicznej są to urządzenia stosunkowo proste. Wiele takich urządzeń składa się z prostszego zasilacza sieciowego, do którego dodany został akumulator na wejściu wraz z układem jego ładowania. Przy obecności zasilania sieciowego ogniwa są ładowane i utrzymywane w stanie gotowości, po zaniku sieci zgromadzona energia kierowania jest na wyjście. Konstrukcja bardziej złożonych jednostek opiera się na przetwornicy o dużej sprawności. Mają one dodane obwody sygnalizacyjno-kontrolne i zabezpieczające oraz port USB. Dzięki niemu urządzenie zasilane może np. w kontrolowany sposób się wyłączyć przed całkowitym wyczerpaniem akumulatora.
Na rynku jest wiele dostępnych typów takich urządzeń, także jeśli chodzi o wersję wykonania mechanicznego. Obudowy zasilaczy buforowych przeznaczone są zwykle do montażu na szynie lub w skrzynce instalacyjnej. Są też wersje całkowicie open frame, a więc bez obudowy, czyli jako sama płytka drukowana. Wiele modeli ma wydzielone w obudowie zatoki pozwalające na montaż akumulatorów, przez co całość tworzy gotową do pracy jednostkę buforową skalowalną z możliwością serwisowania podczas pracy. Ogólnie liczba wariantów funkcjonujących na rynku jest spora, dzięki czemu bez problemu daje się dobrać najbardziej pasujące rozwiązanie do każdych zastosowań.
Typowy zasilacz buforowy ma jedno napięcie wyjściowe o wartości powiązanej z napięciem znamionowym akumulatora, a więc z reguły 12 lub 24 V. Na dodatek nierzadko jest to napięcie niestabilizowane, bowiem akumulator dołączany się wprost do zacisków wyjściowych.
Akumulatory
Integralną częścią wszystkich systemów zasilania gwarantowanego są akumulatory, zapewniające możliwość magazynowania energii elektrycznej. Są one jednocześnie największym problemem technicznym rynku zasilania gwarantowanego, a dokładnie ich ograniczona pojemność i żywotność, a także zjawiska takie jak np. przedwczesna utrata pojemności. Szybki postęp technologiczny w zakresie efektywnej konwersji energii elektrycznej równoważy trochę umiarkowane lub nawet słabe tempo rozwoju rynku chemicznych źródeł prądu. Niemniej lata lecą, a podstawowym typem ogniw na rynku cały czas są wersje kwasowo- -ołowiowe. Są to w dużej mierze wersje szczelne typu SLA lub VRLA. Zapewniają one duże bezpieczeństwo eksploatacji, pozwalają na pracę w dowolnej pozycji i nie wymagają serwisowania, takiego jak uzupełnianie elektrolitu.
Żywotność tego typu akumulatorów jest duża i wynosić może kilkanaście, typowo 5 lub 10 lat. Jednostki takie są wykonywane w wersjach AGM oraz żelowej. W pierwszym przypadku pomiędzy płytami znajdują się separatory wykonane z włókna szklanego, które zawierają elektrolit, natomiast dla akumulatorów żelowych elektrolit ten utrzymywany jest w postaci żelu bazującego np. na żywicy silikonowej. Cechą tych pierwszych jest długi czas pracy i stosunkowo niska rezystancja wewnętrzna, co jest pożądane w zasilaczach UPS (do pracy cyklicznej). Z kolei akumulatory żelowe cechuje większa odporność na wstrząsy, wibracje oraz możliwość lepszego odprowadzania wytwarzanego ciepła. One kierowane są do zasilaczy buforowych.
Większość akumulatorów tego typu ma napięcie nominalne 12 V i jest umieszczona w standardowej prostopadłościennej obudowie z niepalnego tworzywa. Warto dostrzec, że w tej grupie produktów mamy daleko posuniętą standaryzację zapewniającą zgodność wymiarów i kształtów, wyprowadzeń, typów, pojemności (od ok. 1 do 200 Ah). To bardzo korzystna cecha zapewniająca wysoką konkurencyjność rynku, dostępność produktów od wielu producentów oraz możliwość zmiany typu akumulatora na inny, np. o szerszym zakresie temperatur pracy. Minusem jest oczywiście dostępność tandety.
Zasilacze bezprzerwowe UPS
Zasilacze bezprzerwowe UPS są stosowane przede wszystkim w centrach danych, systemach komunikacyjnych, w energetyce i przemyśle. Na rynku dostępne są urządzenia różnych typów, niemniej ich cechą wspólną jest to, że na wyjściu dostarczają przemiennego napięcia takiego samego, jakie jest w sieci energetycznej.
W skład większości UPS-ów, niezależnie od ich wielkości i topologii, wchodzą akumulatory, ładowarka i przetwornica (inwerter) zamieniająca napięcie stałe na przemienne. Różnice między topologiami dotyczą tego, czy przetwornica pracuje cały czas (online), czy jest załączana dopiero podczas awarii (offline). Cechą UPS-a online jest podwójna konwersja energii, z sieci do napięcia akumulatora i dalej z powrotem na sieć. Dzięki temu przetwornica zasila obciążenie czystym i dokładnie stabilizowanym przez UPS napięciem przemiennym. Oprócz tego prostownik zasilający falownik z sieci zapewnia korekcję współczynnika mocy, przez co UPS online jest więc w istocie też skutecznym filtrem, który chroni urządzenia przed zakłócającymi wpływami sieci energetycznej, optymalizując równocześnie obciążenie w stosunku do sieci.
W UPS-ie offline w trakcie normalnej pracy obciążenie jest zasilane bezpośrednio z sieci energetycznej. Gdy napięcie zasilania spadnie poza ustaloną granicę, zasilanie obciążenia jest przełączane przekaźnikiem na przetwornicę i akumulator. Spowodowana tym przerwa może trwać typowo kilka milisekund. Zaletą UPS-a offline jest to, że gdy zasilanie z sieci jest, falownik nie pracuje, a więc nie pobiera energii.
Zasilacze cyfrowe
Wszystko jest dzisiaj cyfrowe, nic więc dziwnego, że zagadnienie to dotyczy też konwersji energii. Zasilacz cyfrowy wykorzystuje zaawansowany mikrokontroler lub procesor sygnałowy (DSP), który realizuje funkcje takie same jak analogowy sterownik PWM. Cyfryzacja dotyczy także 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. Przeniesienie sterowania do domeny cyfrowej i oprogramowania pozwala zrealizować w prosty sposób szereg przydatnych układów, jak techniki sterowania oszczędnościowego stopniem mocy przy małych obciążeniach, płynnej zmiany topologii działania i sterowania stopniem mocy przy małym poborze prądu.
Zaletą cyfryzacji jest to, że funkcjonalność zasilacza definiowana jest w dużej mierze przez oprogramowanie. Dotyczy to zarówno części ustalanej przez producenta zasilacza (topologia, napięcia, funkcjonalność, zabezpieczenia, komunikacja), jak i użytkownika (zakresy, progi aktywacji).
Cyfrowa konstrukcja zasilacza w jednostkach o małej mocy i prostej funkcjonalności nie przynosi wiele korzyści, a niestety prowadzi do komplikacji i wzrostu ceny. Natomiast jest znacznym ułatwieniem w dużych systemach zasilania, gdzie trzeba zapewnić pracę równoległą z redundancją, dwukierunkową konwersję, komunikację cyfrową z hostem, równomierny podział mocy i wiele takich ponadstandardowych możliwości.
Dostawcy zasilaczy
Szeroki i przekrojowy rynek zasilania obejmujący całą technikę, duża liczba producentów oraz bardzo szeroki funkcjonujący asortyment tego typu produktów powodują, że sprzedażą zasilaczy w kraju zajmuje się wiele firm. Dla części z nich są to produkty istotne, dla innych tylko dodatek, a są też takie, które do zasilania podchodzą wyłącznie przez pryzmat handlu. W wielu przypadkach doskonale widoczny kiedyś podział na część związaną za zasilaniem bezprzerwowym i zwykłym już dzisiaj się mocno zatarł i nie da się prosto poszufladkować firm na poszczególne kategorie. Z tego powodu profilu dostawców oraz tego, jaką grupą urządzeń zasilających się zajmują, trzeba szukać w tabeli 1 z przeglądem ofert. Ułatwia ona ogólną orientację i pozwala na wstępną selekcję dostawców, np. po to, aby w kolejnym kroku móc przejść do szczegółowych pytań. W drugiej tabeli prezentujemy dane kontaktowe do firm z omawianego obszaru.
Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród dostawców zasilaczy w Polsce.
