Zasilacze dużej mocy i ładowarki akumulatorów

Główne trendy techniczne to miniaturyzacja i duża sprawność

Najważniejszym zagadnieniem technicznym w zasilaczach dużej mocy jest miniaturyzacja, gdyż umożliwia ona wytwarzanie urządzeń wydajnych, ale niewielkich, łatwiejszych w integracji, bardziej mobilnych. Mniejsze zasilacze mogą też być tańsze w produkcji, bo nie potrzeba do nich dużych radiatorów. Kluczem do miniaturyzacji jest duża sprawność zapewniająca oszczędność energii zasilającej, a więc dająca mniejsze rachunki oraz dłuższy czas pracy z akumulatora. Wysokosprawny 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 mocy cieplnej, użycia wentylowanej obudowy itd.

Wysoka sprawność oznacza często też małą awaryjność zasilaczy, a więc pośrednio dobrą jakość. Takie zasilacze się nie grzeją, więc ich podzespoły nie są tak obciążone cieplnie. Także ograniczenia na moc wyjściową przy dużych temperaturach otoczenia stają się łagodniejsze. Wysoka sprawność zasilaczy lub konieczność korekcji współczynnika mocy przy dużej mocy wyjściowej jest ponadto dla coraz większej grupy produktów wymogiem prawnym. Dotyczy to najbardziej wersji konsumenckich, ale większe jednostki też wpisują się w ten trend.

W efekcie, każda kolejna generacja zasilaczy wchodzących na rynek ma coraz większą sprawność, a w najlepszych produktach sięga ona 95–96%, czyli o około 10% więcej, niż było dekadę temu. Upowszechnienie się podzespołów mocy z azotku galu powinno jeszcze bardziej pozwolić na większe zminiaturyzowanie zasilaczy.

Na które z produktów jest największy zbyt na rynku polskim?

 

Z naszego badania ankietowego wynika, że największą popularnością na rynku cieszą się zasilacze w obudowie na szynę DIN, a także falowniki, ładowarki do akumulatorów oraz zasilacze modułowe w obudowie. Obudowa przeznaczona do montażu na szynie DIN to obecnie jedno z najpopularniejszych rozwiązań technicznych wykorzystywanych w instalacjach przemysłowych. W wersji "na szynę" dostępnych jest wiele typów aparatury i urządzeń, w tym także zasilacze o mocy nawet do 150 watów.

Jakość zasilaczy to temat zawsze aktualny

Jakościowo dobry zasilacz to taki, który się nie grzeje, jest zabezpieczony skutecznie przed przepięciami i ma dobrze działające filtry zakłóceń, dobre kondensatory i adekwatne do prądu wyjściowego przekroje przewodów nawojowych oraz kabli wyjściowych. Dobry zasilacz ma zabezpieczenia wyjścia przed odwrotną polaryzacją, blokadę możliwości niekontrolowanego wzrostu napięcia w czasie uszkodzenia, dodatkowe kondensatory blokujące wyjście, które obniżają poziom szumów i zakłóceń. Dobry zasilacz ma też zabezpieczenie termiczne, które chroni jego działanie przed uszkodzeniem bądź przez czasowe wyłączenie lub przez derating, czyli obniżenie prądu wyjściowego do poziomu bezpiecznego w wyższej temperaturze.

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). Od strony układowej dobre 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.

Najbardziej zaawansowane jednostki, wyposażone w interfejsy cyfrowe, pozwalają nie tylko na wszechstronne monitorowanie aktualnego stanu czy sterowanie włączaniem/wyłączaniem, ale również ustawienie i odczyt wielu parametrów pracy, takich jak napięcie, prąd wyjściowy czy progi zadziałania zabezpieczeń. Niektóre umożliwiają rejestrację stanów awaryjnych i rzeczywistego czasu pracy, a nawet predykcję pozostałego czasu życia. Na koniec warto wyróżnić cechy wymuszane nowymi aplikacjami i nowymi wymaganiami obowiązujących norm. Należą do nich coraz bardziej wyrafinowane układy korekcji współczynnika mocy, dzięki któremu nie trzeba płacić ekstra rachunku za moc bierną. Inne to zdolność do krótkotrwałego dostarczenia dużego prądu potrzebnego do rozruchu coraz powszechniejszych obciążeń indukcyjnych, takich jak silniki, czy do absorbcji prądu wspomagającej ich hamowanie, łącznie ze zwrotem odbieranej energii do sieci. Są to również rozwiązania coraz większych zasilaczy z cichym i bezawaryjnym chłodzeniem pasywnym oraz małe zakłócenia, prądy upływu i wzmocniona izolacja galwaniczna, wymagane przez aplikacje medyczne.

Jakie znaczenie dla biznesu mają zasilacze dużej mocy i ładowarki?

 

Dla przeważającej większości firm z tego zestawienia zasilacze dużej mocy i ładowarki są jednym z wielu produktów w ofercie. Mimo że rynek zasilania jest duży, a każde urządzenie wymaga zaopatrzenia w energię, duża liczba producentów tych jednostek przekłada się na ogromną konkurencję uniemożliwiającą wąską specjalizację. Poza tym zasilacze dzisiaj stanowią typowy produkt katalogowy, jeden z wielu elementów niezbędnych do budowy systemów kupowanych razem z czymś innym i stąd muszą być częścią ofert wielu dostawców, także tych słabo związanych z tematyką zasilania. Zasilanie jest częścią każdej aplikacji i wraz z rozwijającą się elektroniką urządzeń tych potrzeba coraz więcej. Innymi słowy, zasilacze dają każdemu szansę na sukces i jest to zarówno zaleta (szerokość rynku), jak też wada (duża konkurencja).

Elektromobilność wsparciem dla rynku zasilaczy

Elektromobilność jest ważnym trendem zmieniającym rynek zasilania i warto zauważyć, że nie dotyczy ona w większości przypadków samochodów elektrycznych. Elektryczne są wózki magazynowe, w tym rozwiązania działające autonomicznie, roboty oraz rozwiązania transportowe mniejszego kalibru, takie jak skutery, hulajnogi, rowery. Te wszystkie urządzenia są zasilane z akumulatorów i muszą mieć ładowarki, czyli specjalne zasilacze.

Szczegóły realizacji procesu ładowania zależą od konkretnego rozwiązania, ale zawsze podstawowym komponentem ładowarki jest zasilacz. Ładowarka powinna być mała i szybka, bo wszystkim użytkownikom zależy na szybkim ładowaniu, a wiele aspektów aplikacyjnych i ekonomicznych jest wprost powiązanych z tym, czy sprzęt będzie można szybko naładować.

Ocena warunków biznesowych panujących na rynku zasilania w 2022 roku

 

Dwie trzecie ankietowanych specjalistów oceniło miniony 2022 rok jako dobry dla ich biznesu, a co czwarta firma uważa ten okres tylko za zadowalający. To dobry rezultat w obecnych czasach, który po raz kolejny przekonuje, że obojętnie, jaki fragment rynku zasilania weźmie się pod uwagę, dane opisujące warunki panujące na rynku są co do zasady dobre. Takie wyniki otrzymywaliśmy za każdym razem, gdy na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat pytaliśmy o to w naszych ankietach. Mimo dużej konkurencji, wielu aktywnych firm zajmujących się zasilaniem, nikt z pytanych specjalistów nie udzielił odpowiedzi, że na rynku jest źle. Jest to zapewne pochodna tego, jak duże znaczenie w technice mają zasilacze.

Coraz więcej zasilaczy to jednostki specjalizowane

Zasilacz co do zasady jest wyrobem uniwersalnym, ale na rynku pojawia się coraz więcej wersji o funkcjach lub parametrach ukierunkowanych na specyficzne zastosowania. Są to cechy elektryczne, takie jak wytrzymałość izolacji i prąd upływu, instalacyjne jak złącza, mechaniczne (obudowa, montaż) oraz funkcjonalne (komunikacja, sygnalizacja i monitoringu stanu). Przykładem może być zasilacz buforowy wyposażony w akumulator, który pełni funkcję awaryjnego źródła energii dla systemu alarmowego, radiokomunikacyjnej łączności kryzysowej itp. Ogólnie patrząc, zasilanie specjalizowane to domena aplikacji przemysłowych, systemów automatyki i systemów zasilania gwarantowanego w systemach przeciwpożarowych.

Doskonałym przykładem zasilacza specjalizowanego jest jednostka medyczna lub do oświetlenia LED-owego.

Jaka jest aktualna koniunktura na rynku?

 

Ocena bieżącej koniunktury na rynku zasilania w Polsce jest bardzo zbliżona do wyników uzyskanych w drugim pytaniu z ankiety na temat warunków w ubiegłym roku. Na obu tych wykresach przeważają oceny dobre, a w dalszej kolejności zadowalające. Niemniej ocena bieżących warunków na rynku jest słabsza – mniej jest ocen dobrych, więcej zadowalających. Zasilacze potrzebne są w praktycznie każdym urządzeniu i instalacji oraz branży, przez co rynek jest szeroki. Duża liczba producentów, marek i szerokie portfolio produktów katalogowych a także to, że jednostki te nie potrzebują zaawansowanych układów cyfrowych powodują, że problemy rynku elektroniki w tym obszarze nie oddziałują silnie negatywnie na tempo rozwoju.

Ten ostatni zawiera układ stabilizacji prądu diody, ale także dodatkowe układy sterujące (np. jasnością, komunikację DALI) i zabezpieczenia. W przypadku zasilaczy do LED stosowane są też często inne obudowy i złącza, które są dopasowane do specyfiki montażu w oprawie oświetleniowej lub puszkach elektroinstalacyjnych. Obudowy takie są najczęściej hermetyczne. Inny przykład zasilacza specjalizowanego to wersja do montażu na szynie DIN. Zasilacze specjalizowane to też jednostki laboratoryjne wykorzystywane przy pomiarach do zasilania sprzętu i zadawania sygnałów wymuszeń. Są wykorzystywane także w sferze produkcji, podczas testowania jakości i badań automatycznych, gdzie pełnią funkcję podobną do generatorów arbitralnych dużej mocy, generatorów zaburzeń w sieci zasilania oraz części testerów odpowiedzialnej za badania wytwarzanych urządzeń pod kątem współpracy ze źródłem zasilania. Zasilacze takie pozwalają na swobodne programowanie parametrów wyjściowego przebiegu "w locie" i tym samym są wygodnym elementem systemów pomiarowych i testerów ATE. Jednostki te różnią się głównie tym, że pozwalają na regulację napięć i prądów wyjściowych w szerokim zakresie (np. czterech ćwiartkach), mają bardzo dobre parametry stabilizacji i czystości napięcia wyjściowego, zawierają często kilka niezależnych kanałów wyjściowych i mogą być sterowane z komputera, pełniąc funkcję elementu systemu pomiarowego.

W których typach jest największa konkurencja na rynku?

 

Najbardziej konkurencyjny sektor rynku zasilania obejmuje zasilacze w obudowie na szynę DIN, a także falowniki, ładowarki do akumulatorów oraz zasilacze modułowe w obudowie. Są to dokładnie te same typy, które uznano za najbardziej popularne jednostki w innym zestawieniu.

Korekcja współczynnika mocy pojawia się coraz częściej

Korektor współczynnika mocy jest już dzisiaj częścią większości zasilaczy do oświetlenia LED (powyżej 20 W), zasilaczy teleinformatycznych oraz wybranych jednostek napięciowych średniej i dużej mocy. W pierwszych dwóch przypadkach decydują wymagania prawne, w ostatnim potrzeba zapewnienia niskiego poziomu zaburzeń wprowadzanych do sieci energetycznej. Wymagania prawne to limity na poziom harmonicznych wprowadzanych do sieci. Aby spełnić te wymagania, w zasilaczach napięciowych o mocy powyżej 100 watów w zasadzie musi być korektor współczynnika mocy.

Oczywiście powoduje on dodatkową komplikację układu i koszt, bo realizacja wymaga dodatkowego tranzystora i dławika, kontrolera. Ponieważ korekcja aktywna jest realizowana metodą impulsową na wejściu zasilacza, co do zasady takie zasilacze mają bardziej rozbudowany filtr wejściowy od analogicznych jednostek bez PFC.

Korzyścią z korzystania z zasilaczy z PFC jest to, że instalacja elektryczna jest mniej obciążona przez nierównomierny pobór prądu. Nie ma problemu z mocą bierną pojemnościową i tym samym dodatkowych dopłat w rachunku za prąd. Użytkownicy prywatni nie płacą za moc bierną, więc to ich nie dotyczy, ale w przypadku fabryk, biur, dużych obiektów, w których jest wiele sprzętu zasilanego z zasilaczy bez PFC, na rachunku pojawia się opłata za moc bierną. Często nie są to małe sumy.

Nowe materiały półprzewodnikowe w zasilaczach

Wiele nowych rozwiązań z obszaru konwersji mocy elektrycznej wiąże się z wykorzystaniem podzespołów na bazie nowych materiałów półprzewodnikowych, takich jak azotek galu (GaN) lub węglik krzemu (SiC). Elementy takie używane są w modułach inwerterów, przetwornicach oraz ładowarkach w aplikacjach energoelektronicznych, e-mobilności i podobnych. Sprawność i wydajność takich jednostek mają kluczowy wpływ na istotne parametry pojazdu, czas ładowania oraz koszty eksploatacji. Dlatego w takich zastosowaniach, gdzie czas eksploatacji liczy się w wielu latach, elementy te dają duże oszczędności.

Mimo to, większość jednostek zasilających dostępnych na rynku oraz falowników budowanych jest z użyciem tranzystorów krzemowych MOSFET oraz IGBT. W wielu aplikacjach pracują one blisko maksymalnych dopuszczalnych parametrów pracy i w jednostkach dużej mocy muszą być łączone równolegle dla zwiększenia obciążalności. Istnieje zatem bardzo duże prawdopodobieństwo, że technologia ta nie będzie w stanie sprostać wymaganiom stawianym następnym generacjom pojazdów i maszyn, gdyż obsługa coraz większych mocy stanie się problematyczna.

Najważniejsze czynniki o charakterze negatywnym dla rynku zasilania

 

Główne problemy rynku zasilania to tanie i kiepskie zasilacze dalekowschodnie, które konkurują cenowo z lepszymi produktami markowymi, a ponadto długie czasy dostaw. Psują one rynek, bo zabierają przestrzeń zasilaczom markowym, utrwalają stereotypy i negatywne opinie o zasilaniu impulsowym i sprowadzają relacje z klientami do poziomu ceny. Sytuacje komplikuje to, że w Chinach produkowane są zasilacze kiepskie, dobre i czołowe markowe jednostki o znakomitej funkcjonalności. Co więcej, tamtejsi producenci mają w ofercie zarówno lepsze zasilacze dla klientów wymagających, jak i słabe dla tych, którzy są zainteresowani niską ceną. Utrudnia to proste kategoryzowanie dobry-zły.

Stąd upowszechnienie się półprzewodników takich jak GaN w zasilaczach jest tylko kwestią czasu, ale do momentu, kiedy zasilacz tego typu stanie się produktem masowym, jeszcze daleko.

Tranzystory GaN mają o połowę niższą wartość rezystancji włączenia RDS(ON), niż jest to w strukturach krzemowych, to zaś oznacza dwukrotnie mniejsze straty przewodzenia. W związku z tym zmniejsza się również ilość generowanej podczas pracy układu energii cieplnej oraz możliwe jest uproszczenie konstrukcji systemu chłodzenia. Niemniej, w porównaniu z tranzystorami krzemowymi, przełączniki GaN są trudniejsze w sterowaniu. Używając GaN-ów, trzeba też pokonać problemy pojawiające się przy dużej szybkości przełączania tych elementów związane z obecnością reaktancji pasożytniczych, będących źródłem oscylacji, co wymaga poświęcenia na projekt dodatkowego czasu i poniesienia kosztów. Strome zbocza (duże wartości dV/dt) wywołują oscylacje o wysokiej częstotliwości, wywołujące zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), które należy odfiltrować oraz tłumić, aby zapobiec uszkodzeniom od przepięć. Ponadto szybkie przełączanie GaN-ów utrudnia ich ochronę przed przeciążeniem, ponieważ mogą one ulec uszkodzeniu szybciej, niż są w stanie zareagować obwody zabezpieczające.

Są też droższe od wersji krzemowych, co przy silnie konkurencyjnym rynku zasilania ogranicza tempo ich ekspansji w zasilaczach. Paradoksalnie łatwiej można kupić dzisiaj zasilacz małej mocy z przełącznikiem mocy GaN, np. ładowarkę do telefonu niż zasilacz dużej mocy, gdyż do takich aplikacji opracowano specjalne scalone sterowniki z takimi elementami. Oczywiście przed technologią GaN jest świetlana przyszłość, ale jeszcze minie sporo czasu, zanim rozwiązania staną się powszechne.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rynku zasilaczy

 

Za czołowy trend rozwojowy dla rynku zasilania ankietowani specjaliści uznali presję na jakość i zaawansowanie techniczne, która razem ze zwiększającymi się wymaganiami formalno-prawnymi sprzyja rozwojowi. Drugim ważnym aspektem jest szeroki asortyment produktów katalogowych dostępnych na rynku, w tym także jednostek specjalizowanych pod kątem, co umożliwia optymalne dobranie zasilacza do aplikacji bez kompromisów. Jakość jest istotna dla klientów, gdyż kiepskiej jakości zasilacz jest w stanie przekreślić wszystkie pozostałe korzyści techniczne i cenowe z instalacji, nowego urządzenia lub systemu, a także wymusić kosztowne akcje serwisowe. Poza tym uszkodzenie zasilacza powoduje awarię fatalną, taką, której nie da się nawet tymczasowo opanować.

Więcej bezpieczeństwa we wszystkich typach zasilaczy

Zasilacze impulsowe dostarczają energii dla coraz bardziej wrażliwych układów i systemów, np. urządzeń medycznych, pomiarowych, do rozproszonych instalacji zasilanych z różnych sieci. Dlatego zagadnienia związane z zapewnieniem ochrony przed niebezpiecznym napięciem sieci są bardzo istotne.

Zasilacze produkowane są w dwóch klasach ochronności izolacji: podstawowej I i wzmocnionej II. Od strony użytkowej przekłada się to na to, że wersje o bardziej wytrzymałej na przebicie izolacji były domeną konsumenckich zasilaczy adapterowych, te z izolacją podstawową obejmowały całą resztę w tym wszystkie jednostki większej mocy. Izolacja wzmocniona, dla której wymagania mówią o odporności na napięcie testowe 3000 VAC, pozwala podłączyć zasilacz do sieci bez uziemienia, a więc dwoma przewodami. Gdy izolacja jest klasy I (napięcie testowe 1500 VAC), zasilacz podłączany jest trzema przewodami (L, N, PE).

Główne zjawiska techniczne w zasilaczach

 

Od wielu lat duża sprawność i miniaturyzacja są najważniejszymi trendami technologicznymi wyznaczającymi kierunek rozwoju branży zasilania. Duża sprawność determinuje w kolejności wiele ważnych parametrów użytkowych i technicznych zasilaczy: niższe opłaty za energię, mniejsze nagrzewanie itd. Małe wymiary to lepsza możliwość integracji jednostek, co zawsze jest w centrum zainteresowania klientów i pośrednio determinuje rozwój produktów. Duże znaczenie certyfikatów i świadectw potwierdzających spełnianie wymagań jest efektem tego, że na rynku jest wiele produktów o kiepskiej jakości, awaryjnych, niedostatecznie zabezpieczonych. Takie zasilacze konkurują cenowo z jednostkami jakościowymi a potem stają się problemem. Stąd kupujący interesują się tym czy zasilacz ma potwierdzoną jakość i parametry.

W miarę upływu lat ta reguła coraz częściej przestaje obowiązywać. Wiele zasilaczy dużej mocy jest produkowanych w klasie izolacji II bez względu na to, że są przewidziane do podłączenia trzema przewodami. Taki trend można też postrzegać jako wzrost jakości zasilaczy po stronie bezpieczeństwa elektrycznego. Ponadto mnóstwo zasilaczy ma izolację, która wytrzymuje jeszcze większe napięcie testowe i charakteryzuje się małym prądem upływu, dużo poniżej granicznych progów wyznaczanych w normie EN62368. To także znak, że bezpieczeństwo liczy się coraz bardziej.

Ocena problemów z długim czasem dostaw i zaburzeń wywołanych wojną

 

Z wykresu wynika, że czasy dostaw w zakresie zasilaczy nadal są długie i w negatywny sposób wpływają na działalność dostawców, niemniej sytuacja jest w dużej mierze opanowana. Podobne wskazania otrzymujemy w naszych innych badaniach ankietowych, co potwierdza, że jest to wspólny problem dla rynku. Bardziej niepokojące jest 11-procentowe wskazanie z dolnej części wykresu potwierdzające, że problemy mogą też być poważne.

Najważniejsze cechy brane pod uwagę przy kupnie zasilaczy

 

W zestawieniu najważniejszych kryteriów branych pod uwagę przez klientów przy selekcji zasilacza i dostawcy na szczycie uplasowały się termin dostawy i cena. Stanowi to doskonałe tło do tego, czym dzisiaj żyje rynek, bo nigdy termin dostawy nie był wyżej niż na czwartej–piątek pozycji. Dostępność wersji na zamówienie nie odgrywa już wielkiej roli w omawianym biznesie, bo wyrobów katalogowych jest na tyle dużo, że zawsze da się coś dopasować z typowych produktów.

Nietrudno zauważyć, że standardem jest też to, że ogromna większość zasilaczy małej i średniej mocy działa w szerokim zakresie napięć wejściowych, od 100 do 240 VAC, a często także 90–265 VAC. To także można odczytywać jako lepsze bezpieczeństwo użytkowania.

Zestawienie w tabelach

Przegląd ofert dostawców systemów zasilania i ładowarek prezentujemy w tabeli 1. Mają one na celu ułatwić ogólną orientację i pozwolić 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 wraz z listą reprezentowanych marek.

Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród dostawców zasilaczy dużej mocy w Polsce.