Elementy indukcyjne i transformatory sieciowe – podstawa układów konwersji mocy

Nie trzeba robić wielkich badań, aby przekonać się, że współczesne urządzenia elektroniczne są z generacji na generację coraz mniejsze, a znaczenie elektroniki mobilnej stale się zwiększa. Nowoczesne półprzewodniki i elementy indukcyjne są niezbędne do takich zmian, bo za postępem technicznym kryją się bardzo często innowacje w zakresie impulsowej konwersji mocy. Osiągnięcie wysokiej sprawności jest możliwe m.in. dzięki dostępności miniaturowych dławików i transformatorów bazujących na niskostratnych materiałach magnetycznych o zwartej konstrukcji mechanicznej, zapewniającej małe reaktancje pasożytnicze, emisję zaburzeń i takich, które mają gabaryty pozwalające na łatwą integrację w urządzeniu.

Mały płaski transformator z uzwojeniami nawiniętymi licą lub płaskownikiem miedzianym z rdzeniem otaczającym praktycznie całe uzwojenie jest rozwiązaniem, do którego się dąży we współczesnych rozwiązaniach systemów zasilania. Poza układami konwersji energii cała reszta elementów indukcyjnych też musi być coraz mniejsza. Dotyczy to filtrów, cewek w.cz., dławików lub transformatorów sygnałowych, które nie mogą górować gabarytami nad resztą elektroniki. Miniaturyzacja ma nawet wpływ na transformatory sieciowe, tyle że niewielki i daleki od spektakularnych osiągnięć widocznych w rozwiązaniach do aplikacji impulsowych.

WYMAGANIA JAKOŚCIOWE STALE SIĘ ZWIĘKSZAJĄ

Szybki rozwój rynku elektroniki i to, że rozwiązania na niej bazujące pojawiają się w coraz to nowych obszarach techniki i branżach prowadzą do wzrostu wymagań jakościowych stawianych przed urządzeniami elektronicznymi, a w konsekwencji przed wszystkimi wchodzącymi w ich skład elementami. Zależność ta wynika też z tego, że sprzęt elektroniczny odgrywa w naszym życiu coraz bardziej odpowiedzialną rolę, np. jest instalowany w energetyce, telekomunikacji, medycynie, a straty, do jakich dochodzi w przypadku niedostępności usług lub awarii sprzętu w takich obszarach, są coraz wyższe. Dotyczy to także trudno dostępnych miejsc instalacji, w jakich elektronika się pojawia i gdzie nie zawsze ma dobre warunki środowiskowe podczas działania. Przykładem może być oświetlenie ledowe, gdzie wzrost temperatury wywołany kiepską wentylacją w miejscu instalacji jest w stanie zdegradować w krótkim czasie konstrukcję.

W elementach indukcyjnych zagadnienia te są bardzo istotne z kilku powodów. Po pierwsze narażenia mechaniczne, a więc wibracje i udary, wywołują naprężenia w uzwojeniach i rdzeniu i prowadzą do pękania, rozklejania rdzeni oraz rozszczelnienia zalew i uszkodzeń izolacji. Elementy te mają nierzadko dużą masę, przez co przeciążenia mechaniczne wynikające z drgań są problemem dla jakości w aspekcie długoterminowym. Podobnie negatywnie na konstrukcję oddziałują zmiany temperatury i wilgotności, które dodatkowo są w stanie pogorszyć z czasem jakość izolacji, niemniej zjawisk fizycznych, które w długiej perspektywie wpływają na jakość elementów, jest więcej. Ich wpływ na jakość zwiększa się też wraz z obciążeniem mocą, bo płynące duże prądy powodują nagrzewanie, wysokie napięcia niszczą izolację na skutek wyładowań niezupełnych (koronowych), a duże wartości indukcji magnetycznej na skutek efektu magnetostrykcji mogą wywołać przykre dla ucha piski. Takie problemy są codziennością dla producentów podzespołów indukcyjnych, ale coraz większa świadomość projektantów elektroniki pomaga w rozwoju rynku w kierunku długoterminowej jakości, bo wiadomo, co można wymagać i za co się płaci.

Główne trendy techniczne w elementach indukcyjnych

 

W zestawieniu najważniejszych czynników technicznych odpowiedzialnych za rozwój rynku elementów indukcyjnych na szczycie ulokowała się miniaturyzacja, niemniej pozostałe dwie kategorie, a więc wysokie zaawansowanie techniczne oraz wersje do montażu SMT, także są z nią silnie powiązane. Podobnie nowoczesne materiały magnetyczne również sprzyjają miniaturyzacji, gdyż umożliwiają osiągnięcie większych gęstości mocy oraz działają przy wyższych częstotliwościach. Z kolei dostępność wielu gotowych rozwiązań jest cenna w tym obszarze, bo upraszcza konstrukcję wielu aplikacji i zmniejsza ryzyko projektowe przez dostępność scharakteryzowanych i przetestowanych elementów. Komponenty do systemów impulsowych dostępne "z półki" są tańsze i można je kupić bez konieczności długiego czekania na realizację zamówienia. Dają one też lepsze możliwości wyboru i zmiany dostawcy. Widać to przede wszystkim w dławikach, gdzie liczba typów szybko się zwiększa i dobranie do danej aplikacji czegoś gotowego jest coraz łatwiejsze.

NA TRANSFORMATORY SIECIOWE CAŁY CZAS JEST POPYT

W przypadku transformatorów sieciowych zapotrzebowanie rynku kreują obecnie aplikacje wymagające wysokiej i niezawodności oraz długoterminowej jakości źródeł zasilania, czego przykładem mogą być systemy alarmowe, zasilacze buforowe do akumulatorów, systemy kontroli dostępu do obiektów oraz sprzęt audio i estradowy wysokiej jakości. 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 elektromagnetycznych. Elementy te sprawdzają się też tam, gdzie trzeba zapewnić dobrej jakości separację galwaniczną obwodów od sieci lub kilka separowanych od siebie obwodów zasilających bez pływającego potencjału między poszczególnymi wyjściami. Transformatory sieciowe są też wybierane do zasilania urządzeń, gdzie jakość napięcia w sieci jest niska, np. są przepięcia, przy jednoczesnych wymaganiach w zakresie niezawodności i braku konieczności obsługi (np. transport szynowy).

Takich niszowych aplikacji nadal jest sporo, a dodatkowo dokłada się do tego inżynierska inercja. Wiele osób w swojej pracy zawodowej stawia na rozwiązania znane i wypróbowane przez lata, takie, które rozumie i im ufa. Klasyczny transformator sieciowy bezsprzecznie kojarzy się z niezawodnością i latami działania liczonymi w dekadach. W wielu systemach i urządzeniach nie ma też problemu z dostępnością miejsca ani konieczności minimalizacji wagi, a aspekt cenowy nie zawsze jest głównym wyznacznikiem działań. Dlatego cały czas jest na nie popyt.

Ocena zmian popytu na transformatory sieciowe

 

Największym i najważniejszym czynnikiem wpływającym na rozwój rynku transformatorów sieciowych są systemy impulsowej konwersji energii elektrycznej. Proces ten trwa nieprzerwanie od wielu lat, z różnym natężeniem zależnym od grupy produktowej oraz sektora rynku. Powyższy wykres jest próbą oceny siły oddziaływania tego zjawiska. Pytanie jest ważne w warunkach Polski, gdyż mamy mniej więcej dziesięciu producentów transformatorów sieciowych, którzy od lat zajmują się ich wytwarzaniem. Jak widać, najwięcej odpowiedzi padło, że zapotrzebowanie na transformatory sieciowe stopniowo maleje. Kolejne dwie grupy o równych udziałach wskazują, że popyt się ustabilizował lub nawet, że rośnie. Prawdopodobnie konkretne opinie wynikają z tego, jaki asortyment tych elementów weźmie się pod uwagę, ale ogólna wymowa jest taka, że rynek zasilania jest dzisiaj tak duży i szybko rosnący, iż miejsca starcza dla wszystkich.

NOWOŚCI

W zakresie transformatorów sieciowych jak zwykle nowości nie ma wiele. Lepsze materiały magnetyczne pozwalają na niewielką miniaturyzację, która sprowadza się do kilkunastu procent większej mocy przy wymiarach starszych rozwiązań. Więcej jest też rozwiązań specjalistycznych: autotransformatorów, rozwiązań audio, wersji zalewanych i do montażu na szynie. Większość wytwórców zapewnia też klientom produkcję transformatorów sieciowych o zadanych parametrach bez względu na zamawianą ilość oraz usługi serwisowe, np. przezwajanie starych elementów.

Wiele więcej dzieje się w obszarze rozwiązań impulsowych bazujących na ferrytach, bo nowe materiały magnetyczne pracują przy częstotliwościach do ok. 0,5 MHz, mają małe straty, przez co transformatory mogą być mniejsze niż kiedyś. Są też dostępne rdzenie zdolne do pracy przy temperaturze powyżej 100ºC (także przewody nawojowe).

Nowości rynku elementów indukcyjnych to też kształty wykonania rdzeni i karkasów. Ogólne da się powiedzieć, że są one coraz bardziej płaskie i w coraz większym stopniu opasają materiałem magnetycznym uzwojenia tak, aby w jak największym stopniu zamknąć pole magnetyczne wewnątrz i ułatwić spełnienie wymagań w zakresie EMC. Karkasy z kolei mają wyprowadzenia do montażu SMT, a ich konstrukcja jest dzielona na sekcje. Warto też dostrzec, że na rynku jest dzisiaj więcej rdzeni małych. Nowością są też elementy bez karkasu, gdzie cewka ma konstrukcję samonośną nawijaną taśmą miedzianą (tzw. krawędziowe) lub drutem i całość jest stabilizowana mechanicznie żywicą.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rynku elementów indukcyjnych

 

Listę najważniejszych czynników pozytywnie wspierających rozwój rynku podzespołów indukcyjnych w Polsce otwiera presja na jakość i zaawansowanie techniczne, widoczna w ostatnich latach w branży elektroniki, która stała się wspólnym mianownikiem wielu działań biznesowych firm oraz siłą sprawczą do rozwoju nowych produktów. Druga w kolejności kategoria na wykresie to szybki rozwój rynku elektroniki, co zapewnia chłonność oraz duży popyt na innowacyjne elementy. Trzeci pod względem ważności czynnik pozytywnie wpływający na rozwój rynku to szybka elektronizacja całej techniki, która zapewnia duże tempo wzrostu rynku. Dzięki niej znaczenie silnej konkurencji, dyktatu ceny w ofertach i podobnych zagadnień, które zwykle przeszkadzają w biznesie, staje się słabsze i nie przeszkadza tak, jak w innych sektorach.

DOSTAWCY ELEMENTÓW INDUKCYJNYCH – PRODUCENCI

Podzespoły indukcyjne to obszar biznesowy, w którym mamy kilku producentów krajowych, jak na przykład Feryster, AET, Neotech, Telzam, Elsit lub Polfer PI, wytwarzające cewki, dławiki, transformatory. Ich pozycja rynkowa i widoczny na przestrzeni ostatnich lat rozwój w sytuacji, gdy na rynku dystrybucji jest mnóstwo katalogowych wyrobów gotowych, z pewnością daje do myślenia. Podstawą ich biznesu jest szybka produkcja komponentów na zamówienie, wysoka jakość usług zapewniająca znakomite parametry użytkowe w wymienionych zastosowaniach po to, aby trafić z produkcją do wymagających aplikacji np. przemysłowych. W Polsce produkuje się głównie małe i średnie serie, różnorodne wyroby i wielowariantowe rozwiązania, dlatego krajowi producenci często wygrywają z dystrybucją szybkością realizacji zamówień liczoną w dniach, a nie w tygodniach.

Transformatory sieciowe wytwarzają m.in. Noratel, Sigma, Indel, Breve, Eurotrafo, Sizei, Telto, Trafber, Trafo Tech, Toroidy. Część z nich wytwarza też podzespoły indukcyjne na ferrytach.

W naszym kraju nawijanie transformatorów i dławików na zamówienie dostępne jest również w przypadku zamawiania małych ilości, nawet pojedynczych sztuk przeznaczonych do układów prototypowych, co też jest jakimś elementem przewagi, bo realia rynku krajowego są takie, że takich możliwości poszukują krajowe małe i średnie firmy. Niski koszt indywidualizacji i wyraźne korzyści z dobrego dopasowania podzespołu do projektu są wartością dodaną.

Na koniec warto zauważyć, że elementy indukcyjne produkowane na zamówienie skutecznie się bronią nie tylko przed konkurencją ze strony dystrybutorów, ale także zagranicznych producentów, np. z Azji. Duże znaczenie wsparcia technicznego i bliskiej współpracy przy przygotowywaniu produkcji, wysokie koszty transportu, krótsze terminy przy porównywalnych cenach są skuteczną tamą broniącą tę rynkową niszę przed atakami.

DYSTRYBUTORZY

Grupę dystrybutorów elementów indukcyjnych tworzy w Polsce nawet kilkadziesiąt firm, gdyż elementy te są częścią ofert wszystkich firm dystrybucyjnych o szerokiej ofercie, dostawców katalogowych i dużych hurtowni.

Takie firmy w swoich kompleksowych ofertach mają często pokaźne grupy gotowych podzespołów jak cewki, dławiki, transformatory sieciowe, rdzenie, karkasy, niemniej rzadko jest to dla nich produkt strategiczny, raczej część kompleksowego zaopatrzenia.

Sprzedaje je też duża część wąsko sprofilowanych dystrybutorów, czyli Piekarz, Semicon, Würth, JM elektronik lub Gamma. Elementy indukcyjne sprzedają także firmy znane na rynku z dostaw rdzeni i materiałów magnetycznych, karkasów, przewodów i akcesoriów do nich, czego przykładem mogą być Contrans TI, Magneto oraz AET. Transformatory sieciowe wytwarzają m.in. Noratel, Sigma, Indel, Breve, Eurotrafo, Sizei, Telto, Trafber, Trafo Tech, Toroidy. Po stronie dystrybucji transformatorów sieciowych plasują się przede wszystkim Seen i JM elektronik.