Zasilacze dużej mocy

Aby działać, elektronika musi być zasilana, stąd praktycznie bez wyjątku każde współczesne urządzenie techniczne potrzebuje zasilacza. Pod tym hasłem kryją się tysiące rozwiązań różniących się parametrami, budową, przeznaczeniem i wykonaniem i coraz częściej jednostki te są wykorzystywane do zapewnienia działania krytycznych systemów i instalacji. W przypadku zasilaczy dużej mocy, takich, które kierowane są do aplikacji przemysłowych, medycznych, telekomunikacyjnych, funkcja jaką ma taki sprzęt, staje się coraz ważniejsze. Dlatego ich wybór, parametry techniczne, niezawodność i funkcjonalność mają fundamentalne znaczenie dla szeroko rozumianego bezpieczeństwa.

Kłopoty z kupnem komponentów, które stały się w ostatnich miesiącach palącym problemem dla wszystkich, dotyczą też zasilaczy. Nie ma w nich wprawdzie nowoczesnych i wydajnych mikrokontrolerów, ale jest wiele innych elementów, z którymi też jest kłopot zaopatrzeniowy, np. kondensatory, tranzystory mocy, rdzenie.

Jak i we wszystkich innych podzespołach elektroniczne, ceny zasilaczy w ostatnich miesiącach się zwiększyły. Podrożały surowce takie jak laminaty i płytki drukowane oraz stopy lutownicze. Tak samo wzrosły ceny tworzyw sztucznych. W ostatnim okresie podrożała znacząco miedź, bo jest ona niezbędna m.in. do produkcji silników elektrycznych, na które jest duże zapotrzebowanie ze strony motoryzacji. W konsekwencji drożej trzeba płacić za drut nawojowy. W kolejności większe ceny środków do produkcji, a także koszty pracy plus inflacja przełożyły się na wyższe ceny urządzeń.

Niestety wzrost cen elektroniki może wpłynąć negatywnie na popyt i zakontraktowane projekty oraz przetargi, bo zmusi do ich ponownej kalkulacji. Zmieniające się ceny tworzą też ryzyko biznesowe, zmuszają do zwiększenia marży w projektach (marginesu opłacalności), na ewentualne dalsze podwyżki cen.

Problemy z długim czasem dostaw

 

Pandemia wpływa na cały łańcuch dostaw komponentów elektronicznych, a jej skutkiem są długie czasy dostaw, wzrost cen materiałów i podzespołów. Dotyczy to wielu grup produktowych, nie tylko półprzewodników, bo zaopatrzenie w materiały i komponenty to wrażliwy na zakłócenia system naczyń połączonych i skomplikowanych zależności biznesowych. Asortyment w zakresie zasilaczy jest szeroki, co prowadzi do tego, że utrzymanie stanów magazynowych wiąże się z dużymi kosztami. Powiększa to problemy z zaopatrzeniem i promuje dostępność wersji typowych. Jak widzimy z danych pokazanych na wykresie, dla prawie połowy firm problemy z zaopatrzeniem są znaczącym utrudnieniem, tyle samo twierdzi, że się z nimi jest on skutecznie w stanie uporać. Sytuacja zapewne się ustabilizuje z czasem, ale na razie jest to dla rynku problem.

Negatywnie na rynek zasilaczy wpływa też niestabilna sytuacja u inwestorów przejawiająca się przesunięciami terminów lub rezygnacją z inwestycji. Niestety fakty są takie, że wiele podzespołów, materiałów, surowców, subkomponentów jest wytwarzane w Azji, a tam sytuacja też jest daleka od równowagi. Mimo że pandemia pojawiła się na tamtym kontynencie na początku, do dzisiaj tamtejsze firmy mają problemy z osiągnięciem pełnej wydajności.

Z większości kryzysów branża elektroniki wychodziła bez strat, bo zapotrzebowanie na nowoczesne technologie było zawsze duże, a cykl projektowy liczy się w perspektywie kilku lat, czyli dłuższej niż zazwyczaj trwają problemy. Dla branży elektroniki izolacja w domach i konieczność pracy zdalnej nie okazały się wielką przeszkodą, bo dla pracowników biurowych miejsce pracy nie ma kluczowego znaczenia, a produkcja jest zautomatyzowana. Ale takich problemów z dostępnością elementów, jakie mamy teraz, jeszcze nie było, a dodatkowo zwykle mijały one szybciej.

GaN jeszcze poczeka na upowszechnienie

W przypadku zasilaczy dużej mocy poprawa wielu ważnych parametrów technicznych wiąże się z użyciem nowych generacji podzespołów półprzewodnikowych. Dotyczy to wielu zagadnień, a przykładem może być mała moc pobierana z sieci bez obciążenia, która wynosi kilkadziesiąt miliwatów nawet w wydajnych, kilkusetwatowych zasilaczach przemysłowych. Aby zapewnić taki rewelacyjny wynik, konieczne jest użycie zaawansowanych kontrolerów scalonych, które potrafią dynamicznie zmieniać topologię konwersji energii w funkcji stopnia obciążenia, uruchamiają tryby oszczędnościowe, gdy zasilacz jest nieobciążony itp.

Zaawansowany kontroler zmienia też dynamicznie częstotliwość kluczowania tranzystorów po to, aby ograniczyć straty mocy wynikające z komutacji, a więc aby zapewnić większą sprawność zasilacza. Taki układ zwykle dzisiaj pracuje w topologii rezonansowej, która zapewnia małą emisję zaburzeń elektromagnetycznych i realizuje przełączanie tranzystorów w zerze napięcia lub prądu.

Kolejnym bardzo istotnym elementem są tranzystory przełączające, które powinny zapewnić małe straty na przewodzenie (jak najmniejszy spadek napięcia w czasie przewodzenia) oraz na komutację (w czasie przełączania). Dodatkowo tranzystory takie powinny mieć jak największe napięcie znamionowe. Zapewnia to oczywiście dużą odporność na przepięcia pojawiające się w sieci energetycznej, ale także ogranicza straty energii wynikające z konieczności tłumienia przepięć na transformatorze powstających w wyniku przełączania.

Naturalnym kandydatem do nowoczesnej jednostki zasilającej są elementy wykonane z azotku galu, niemniej na razie nie widać na rynku, aby takie jednostki zasilające pojawiały się masowo w ofertach. Rynek czeka na tanie tranzystory GaN oraz na ich dobrą dostępność. Na razie trafiają one głównie do elektrycznej motoryzacji, gdzie stanowią bazę konstrukcyjną inwerterów i konwerterów. W zasilaczach też niewątpliwie będą, ale prawdopodobnie gdy rynek dystrybucji się uspokoi i ceny ustabilizują.

Zagadnienia związane z energią odnawialną i elektromobilnością

Coraz więcej systemów zasilających staje się bardziej skomplikowanych z uwagi na to, że nie bazują one już jedynie na jednym źródle energii, tj. sieci energetycznej. Popularyzacja energii odnawialnej i elektromobilności w transporcie wymusza dostosowanie zasilaczy także do takich źródeł i odbiorników. Oznacza to możliwość podłączenia akumulatora, zdolność do zasilania napięciem stałym wahającym się w szerokim zakresie, możliwość przeciążania i łączenia równoległego. To także działanie dwukierunkowe, w którym kierunek energii może zostać odwrócony po to, aby doładować akumulator jako ładowarka. Taka funkcjonalność jest podstawą działania systemów odzyskiwania energii w napędach.

Interfejs komunikacyjny

Coraz częściej zasilacze dużej mocy pozwalają na programowanie parametrów z użyciem cyfrowego interfejsu. Jest to bardzo wygodna opcja, bo pozwala na precyzyjne wyregulowanie napięcia, ustawienie progów zadziałania zabezpieczeń, sposobu stabilizacji napięcia lub też połączenie kilku zasilaczy w większy zespół pracujący równolegle. To także dotyczy chłodzenia, np. progu aktywacji wentylatora lub możliwości chwilowego przeciążenia. Interfejs komunikacyjny ułatwia użycie zasilacza klientom, a producentom zapewnia możliwość spełnienia specyficznych wymagań klientów z użyciem jednostki katalogowej, stąd rozwiązanie to szybko się popularyzuje.

Poza tym w obecnej rzeczywistości staje się standardem możliwość monitoringu zdalnego urządzeń. Sprzęt pracujący w instalacjach rozproszonych coraz częściej podłącza się do jakiejś sieci lub przynajmniej koncentratora danych lub bramki dostępowej. Dzięki temu można sprawdzić bieżące parametry, jak napięcie i prąd obciążenia, temperaturę oraz obejrzeć dane historyczne na temat np. tego, czy zasilacz wszedł w tryb awaryjny (doznał przeciążenia), ile razy i kiedy. Z punktu widzenia nowoczesnego przemysłu taki monitoring stanu wiąże się z zagadnieniami kategoryzowanymi jako predykcyjne utrzymanie ruchu, ale takie potrzeby wynikają także z przyczyn ekonomicznych. Podłączenie na stałe daje możliwość alarmowania oraz podejmowania wyprzedzających działań prowadzących do oszczędności.

Główne zjawiska techniczne w zasilaczach

 

Na liście najważniejszych zjawisk technicznych w zasilaczach na szczycie znalazła się wysoka sprawność konwersji energii, a na drugiej pozycji znalazła się miniaturyzacja, która jest ze sprawnością oczywiście silnie powiązana. Sprawność powyżej 90% pozwala na to, że zasilacze nawet kilkusetwatowe mają niewielkie wymiary i nie wymagają chłodzenia wymuszonego. Możliwość chwilowego przeciążania to cecha pożądana przez klientów z obszaru przemysłu, gdyż ułatwia ona zasilanie maszyn z silnikami, które pobierają dużą moc podczas rozruchu.

Większa odporność na stany nieustalone, lepsze zabezpieczenia, możliwość dopasowania produktu do wymagań użytkownika, zdalna kontrola stanu i wiele innych funkcji są dzisiaj także częściej brane pod uwagę.

Dalsze kryteria mają już podobne znaczenie, a wspólnym mianownikiem dla nich jest funkcjonalność charakterystyczna dla zastosowań przemysłowych, teleinformatycznych lub w medycynie.

Sprawność jest i będzie bardzo istotnym parametrem

Duża sprawność konwersji energii zawsze jest istotnym parametrem selekcji zasilacza, bez względu na przeznaczenie i moc wyjściową. W przypadku jednostek dużej mocy przekracza ona już istotnie 90%, czasem jest to już nawet ponad 95% dla pełnego obciążenia i generalnie taki rewelacyjny wynik pozwala na wykonywanie zasilaczy mniejszych, bo w nich zagadnienia związane z odprowadzaniem ciepła nie są tak bardzo uwypuklone. Większa sprawność to mniej ciepła, a więc też mniejszy zasilacz. Ponieważ mniejszy, to też tańszy, a skoro jest on podczas pracy chłodniejszy to zasilacz jest tym samym bardziej niezawodny. Są to proste zależności, które od lat zmieniają branżę od strony technologii. 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.

Kolejny skok sprawności zapewnią nowe półprzewodniki, a więc GaN- y. Niemniej, aby trafiły pod strzechy, muszą być tańsze i dostępne, stąd cały czas zasilacze wykonane w tej technologii ogląda się niestety tylko na zdjęciach. Duża sprawność w kolejnych latach dalej będzie na topie, bo energia elektryczna drożeje. Wysoka sprawność to oszczędność energii zasilającej, a więc mniejsze rachunki, a także dzisiaj dłuższy czas pracy z danej pojemności akumulatora.

Najważniejsze cechy brane pod uwagę przy kupnie zasilaczy

 

W przypadku zaawansowanych jednostek zasilających, poza oczywiście ceną, kluczowe są parametry techniczne oraz jakość wykonania. Duże znaczenie terminu dostawy to trochę efekt panującej pandemii i problemów ze sprawną logistyką towarów. Długość gwarancji uznano za mało istotną zapewne dlatego, że wiele dostawców oferuje 3, a nawet 5 lat gwarancji. Normy i certyfikaty mają w omawianej tematyce dużą wagę, bo zagadnienia związane z jakością stale zyskują na znaczeniu.

Dostępność wersji na zamówienie nie odgrywa już wielkiej roli w omawianym biznesie, bo wyrobów katalogowych jest na tyle dużo, że zawsze się da coś dopasować z typowych produktów. Podobnie jest z małymi gabarytami zasilaczy, które przy selekcji produktu nie mają wielkiego znaczenia, zapewne dlatego, że w aplikacjach przemysłowych z miejscem nie ma najczęściej problemu.

Wzmocniona izolacja, zdolność do przeciążania, superkondensatory i inne nowinki

W przypadku zasilaczy dużej mocy wiele z nowych jednostek to wersje specjalizowane, a więc takie, gdzie ich opis wymaga podania więcej informacji poza oczywistymi poziomami napięć, prądów i mocy. Trudno syntetycznie wskazać cechy, które jednoznacznie charakteryzują takie jednostki, ale można przynajmniej pokazać takie bardziej typowe.

Wiele z zasilaczy przemysłowych pozwala na chwilowe przeciążanie o kilkanaście, kilkadziesiąt procent, co jest użyteczne przy sterowaniu maszynami wyposażonymi w silniki indukcyjne lub innymi odbiornikami, np. z dużą składową pojemnościową na wejściu. Pozwala to uniknąć przewymiarowana konstrukcji i kupowania zasilacza ze sporym zapasem mocy. Wiele aplikacji potrzebuje jej przez krótki czas, a przykładem mogą być zawory, rygle oraz siłowniki i w takiej sytuacji niewielka jednostka zasilająca z możliwością przeciążania jest w rozrachunku znacznie tańsza. Gdy wymagane jest chwilowe silne przeciążanie zasilacza, w układzie najczęściej pojawiają się superkondensatory.

Zasilacze impulsowe dostarczają energii dla coraz bardziej wrażliwych układów i systemów, np. urządzeń medycznych, pomiarowych, do rozproszonych instalacji zasilanych z różnych sieci. W takich obszarach ważna jest wzmocniona izolacja, gwarantująca mały prąd upływu i potencjał resztkowy na masie. 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.

Najważniejsze czynniki o charakterze negatywnym dla rynku zasilania

 

Listę problemów dla omawianego sektora otwierają długie czasy dostaw i niewiele pocieszające jest to, że dotyczy to nie tylko zasilaczy. Na drugim miejscu znalazły się tanie produkty azjatyckie. Psują one rynek, bo zabierają przestrzeń zasilaczom markowym, utrwalają stereotypy i negatywne opinie o zasilaniu impulsowym i sprowadzają relacje z klientami do poziomu ceny. Faktem jest, że coraz więcej zasilaczy dalekowschodnich zapewnia dobrą jakość za umiarkowaną cenę i stąd ich pozycja na rynku jest silna. Trzecie miejsce przypadło na czynnik związany z dużą konkurencją na rynku wynikającą z wielu firm aktywnych w tej branży oraz dużej popularności takich produktów. Zaskakująco wyższe ceny nowoczesnych zasilaczy nie zostały zakwalifikowane jako czynniki negatywne dla rozwoju rynku. Nieco mniejsze znaczenie przypisano niewielkiej świadomości klientów co do rozwiązań stosowanych w zasilaczach i tego, jakie one mają powiązanie z funkcjami użytkowymi i jakością.

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. połączenie kelwinowskie). Taki sposób zapewnia znakomite parametry napięcia wyjściowego (statyczne i dynamiczne) w zasilaczach dużej mocy i o niskim napięciu wyjściowym.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rynku zasilaczy

 

Zestawienie czynników pozytywnie wspierających rozwój rynku ma na szczycie wzrost nacisku na jakość, czyli większe zainteresowanie klientów produktami markowymi, zaawansowanymi technicznie i takimi, co do których nie ma wątpliwości, że będą działać bezawaryjnie. 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. Coraz więcej osób jest tego świadomych lub jest zmuszonych przez wymagania klientów do wybierania jednostek zasilających, które nie będą sprawiały problemów.

Za ważne uznano ponadto coraz większe znaczenie wymagań prawnych determinujących minimalne parametry zasilaczy, a więc na przykład te związane ze sprawnością, mocą pobieraną z sieci bez obciążenia, koniecznością korekcji współczynnika mocy lub też kompatybilnością elektromagnetyczną. Na razie zasilacze bazujące na najnowszych półprzewodnikach z GaN nie wpływają na rozwój rynku.

Zasilacze wyposaża się dzisiaj we wszechstronne układy zabezpieczające, rozbudowane filtry wejściowe, sterowniki zapewniające sygnalizację stanu zasilacza i podobne obwody działające na tyle skutecznie, że awaria na skutek przeciąże nia, 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 V AC, lepsze działają w zakresie 85‒265 V AC, najlepsze w jeszcze szerszych widełkach, po to, aby można było zasilać je napięciem międzyfazowym (400 V AC). Nawet jeśli nie korzystamy z sieci innej niż 230 V AC, to gdy zakres dopuszczalnych napięć jest szeroki, korzystnie przekłada się to na odporność zasilacza na krótkotrwałe zaniki napięcia i przepięcia o dużej wartości.

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. 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 dużej mocy będą się popularyzować.