Zasilacze dużej mocy i ładowarki akumulatorów

Zasilacze impulsowe to jedne z najpopularniejszych na rynku komponentów standardowych przeznaczonych do realizacji systemów elektronicznych. Każdy sprzęt wymaga zapewnienia zasilania, najczęściej z sieci energetycznej, stąd dzisiaj zasilacze są wykorzystywane praktycznie we wszystkich gałęziach współczesnej techniki, bez względu na branżę, typ urządzenia i aplikację. W obszarze techniki dla jednostek dużej mocy wyścig technologiczny koncentruje się na sprawności, małych wymiarach przy dużej mocy wyjściowej oraz niezawodności.

Najważniejszym zagadnieniem technicznym w zasilaczach dużej mocy jest miniaturyzacja, gdyż umożliwia ona wytwarzanie urządzeń wydajnych, ale niewielkich. 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. 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 mocy cieplnej, użycia wentylowanej obudowy itd.

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.

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.

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, piątej 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.

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.

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. Sytuację 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.

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.

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 monitoring 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.

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, 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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Tranzystory GaN mają o połowę niższą wartość rezystancji włączenia R DS(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, powodujące 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 te staną się powszechne.

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 V AC, 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).

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.

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.