Podzespoły elektroniczne

Dystrybucja podzespołów elektronicznych

Na rynku dystrybucji aktualnie panują trudne warunki, będące splotem wielu czynników o znaczeniu historycznym, jak COVID, cały czas niestabilną sytuacją w zakresie czasów dostaw (obecnie rzędu 4‒8 tygodni), dalej ograniczoną dostępnością podzespołów, wojną na Ukrainie, zakłóceniami w transporcie morskim i podobnymi czynnikami.

Efektem jest widoczna niepewność, ograniczanie ryzyka działalności przez klientów, kupowanie małych partii pod bieżące zamówienia, przesuwanie projektów w czasie i wydłużanie terminu odbioru zakontraktowanego towaru. Taka jest dzisiaj branża dystrybucji. Do plusów zaliczyć można zwiększającą się innowacyjność krajowych przedsiębiorstw i rosnącą świadomość klientów co do technologii i oferty produktowej oraz dostępnych usług.

Ceny znacząco wzrosły

Pandemia i późniejszy okres niedoborów wywołał w konsekwencji wzrost cen elementów elektronicznych i to znaczący, w którym podwyżka ceny o 100% w ciągu dwóch lat wcale nie jest czymś rzadkim. Wzrost cen w odpowiedzi na małą podaż i duży popyt nie jest oczywiście żadnym zaskoczeniem i mieści się w kategoriach ekonomicznego elementarza, ale tempo i skala wzrostu nie mogła przejść przez rynek bez konsekwencji.

Producenci komponentów podnieśli ceny, bo przez długi czas tego nie robili z uwagi na silną konkurencję. Ceny komponentów przez długi okres były też relatywnie małe, co nie pozwalało na wiele inwestycji i szybki rozwój technologii. Alokacja stała się okazją do wyrwania się z dyktatu niskiej ceny, dlatego okres niedoborów okazał się okazją do poprawy rentowności, ale razem z większymi kosztami działalności podwyżki są duże. Trudno też nie mieć wrażenia, że wszystkie firmy znajdujące się w łańcuchu dostaw zwiększyły swoje marże, bo mogły to zrobić i wykorzystały chwilę. W efekcie ceny zwiększyły się więcej, niż wynikałoby to ze wskaźników makroekonomicznych.

Wyższe ceny podzespołów są problemem, bo zmuszają do weryfikacji biznesplanów, do szukania tańszych dostawców oraz wymuszają ocenę nowych rozwiązań pod tym kątem.

Źródła azjatyckie

Skutkiem znaczącego wzrostu cen komponentów elektronicznych w ostatnim okresie jest wzrost znaczenia źródeł dalekowschodnich. Część specjalistów postrzega to wręcz na naszym rynku jako inwazję, gdyż wiele tamtejszych firm dystrybucyjnych ma już przyczółki w postaci biur handlowych i mocno penetruje nasz rynek. Warto przez chwilę zastanowić się skąd to wynika.

Po pierwsze, wiele podzespołów trudno jest obecnie kupić u krajowych dystrybutorów. Za część problemów odpowiadają długie czasy dostaw i niedobory z ostatnich dwóch lat. One jeszcze nie przeminęły całkowicie i cały czas oddziałują negatywnie na rynek, zmuszając klientów do szukania alternatywnych źródeł zaopatrzenia.

Na skutek problemów z niedostępnością wiele pozycji produktowych zostało wycofanych z ofert dystrybutorów lub nawet przestało być produkowanych. Dotyczy to bardzo wielu elementów mniej chodliwych lub starszej generacji. Doskonałym przykładem mogą być chipy radiowe i komponenty RF oraz wiele układów analogowych, gdzie oferta u wielu dostawców jest już szczątkowa. Na dodatek, niewielkie znaczenie powoduje, że takie mniej popularne pozycje są bardzo drogie, co dodatkowo przekreśla sens ich kupowania w ogóle w Polsce.

Dystrybutorzy ustalają wysokie ceny na wiele pozycji ofertowych mniej popularnych, rekompensując sobie koszty ich magazynowania, niemniej często wzrost ten jest niewspółmiernie duży w odniesieniu do funkcjonalności tych komponentów. Raczej wskazuje na próbę zdobycia ekstra zysku na zdesperowanym kliencie, który "musi kupić, płacąc wiele, bo ten element jest tylko u nas". Z punktu widzenia biznesowego jest to może słuszne założenie, ale skutkiem jest to, że taki postawiony pod ścianą klient, kupi potrzebną część w Chinach, bo stworzona u nas bariera cenowa okaże się nie do przejścia.

Podobnie jest z elementami mniej popularnymi, starszymi i niedawno wycofanymi z produkcji. One cały czas są w użyciu i są potrzebne. W kraju ich nie ma lub mają zaporowe ceny, które nie mają nic wspólnego z rozsądkiem. Takie sytuacje też powodują, że klienci kierują swoją uwagę na Daleki Wschód, bo jakoś tak się dzieje, że tam te elementy nie tylko są dostępne, ale często są tańsze. Najbardziej jest to widoczne na komponentach mniej typowych i starszych.

Kolejnym powodem rosnącej popularności dalekowschodnich źródeł zaopatrzenia jest coraz lepsza (szybsza i tańsza) logistyka towarów, większa kontrola rzetelności działających tam sprzedawców, możliwość zwrotu ograniczająca ryzyko transtransakcji. W wielu przypadkach usługi logistyczne platform chińskich są podobne jak u nas, a różnica dotyczy wyłącznie czasu dostawy.

Bezsprzecznie dla rynku krajowego jest to problem, który zaostrza niestety pojawianie się przedstawicieli tamtejszych dystrybutorów, gdyż likwidują oni kolejne problemy, takie jak faktura, płatność i kontakt z lokalną osobą w języku polskim.

Ogromna różnorodność

Mówiąc o dystrybucji podzespołów należy pamiętać, że nie zawsze ma ona jednakowy charakter. Duzi producenci półprzewodników sprzedają też podzespoły bezpośrednio do klientów z pominięciem sieci dystrybucji. Jest to trochę wbrew wielu trendom związanym z chęcią zaopatrzenia się w jednym miejscu, kompletacją dostaw, ale czasem się sprawdza, bo na przykład w zakresie mikrokontrolerów można zamówić od razu wersje z zapisanym kodem programu. Sprzedaż direct niekoniecznie musi być tańsza, czasem jest ona i tak realizowana przez dystrybutorów, którzy świadczą taką usługę, ale tworzy specjalistyczną niszę na rynku i jeszcze jedno źródło dostaw.

Inny pomysł to pojawiający się specjalizowani usługodawcy, którzy wyszukują na rynku optymalne warunki dostaw, wybierając najlepsze oferty spośród różnych dystrybutorów i producentów z całego świata (np. Sourceability). Sprzedają oni podzespoły w elastycznej formule, ale z autoryzowanych kanałów. Ich działalność przypomina trochę wyszukiwarki ofert, które na bazie BOM klienta tworzą listy zakupowe, potem kupują tak, aby zoptymalizować całość zamówienia pod względem terminów i kosztów.

Są też firmy niezależne, czyli niepowiązane umowami franczyzowymi, działające w otwartej formule.

Potencjał dystrybucji determinuje też wielkość firmy. Największe przedsiębiorstwa mają bardzo szeroką ofertę liczoną w setkach tysięcy indeksów, ogromne magazyny, z których obsługują cały świat. Ich cechą charakterystyczną jest brak specjalizacji, a więc szerokie portfolio klientów, produktów. Na drugim biegunie są firmy specjalistyczne, stawiające na wybrane technologie, rozwiązania związane z rynkami takimi, jak komunikacja bezprzewodowa, motoryzacja, medycyna. Atutem firmy specjalistycznych jest wsparcie techniczne i wiedza, pomoc projektowa, narzędzia, próbki, możliwość dopasowania produktu i podobne funkcjonalności wykraczające poza sprzedaż tego, co sobie dodamy do koszyka.

Obecnie wybór optymalnego rozwiązania staje się niełatwy i czasochłonny, a przecież codziennym kłopotem współczesnego projektanta jest chroniczny brak czasu. Stale zwiększa się liczba zagadnień technicznych i wymagań, o których trzeba pamiętać oraz uwzględnić, stąd ryzyko nietrafienia też nie jest wcale małe. Stąd firmy oczekują, że dostawca nie tylko im sprzeda, ale także doradzi, co w ich przypadku byłoby najlepsze oraz skoryguje nieprawidłowy wybór. Dlatego firmy specjalistyczne mogą działać obok wielkich gigantów, mając o wiele mniejsze możliwości biznesowe. Inna rzecz, że wiele komponentów nie nadaje się do sprzedaży z półki, stąd nie trafią one do firm katalogowych, a przecież ktoś musi je dostarczyć.

Ten podział nie wyczerpuje oczywiście wszystkich opcji, warto jeszcze wspomnieć o producentach EMS, którzy do realizowanych zleceń montażowych są w stanie zapewnić potrzebne części. W części jest to na bazie współpracy z dystrybutorami, ale także w ramach bezpośrednich zakupów od producentów, od dostawców z Azji.

Im mniejszy dystrybutor, tym większa specjalizacja

Z uwagi na rosnącą konkurencję na całym rynku elektroniki trendem jest ogólny wzrost specjalizacji, widoczny najbardziej w przypadku mniejszych dystrybutorów. Postępująca specjalizacja wymusza też koncentrację na głównej działalności, czyli rdzeniu biznesu. Tym samym pomysły wzbogacenia działalności handlowej o produkcję (wiązek, montaż) lub projektowanie zostały odłożone na półkę. Firmy, które dawno temu zdecydowały się na taki ruch, raczej go nie rozwijają i ma on znaczenie niszowe w ich działalności. Inne firmy wydzieliły usługi do oddzielnych spółek lub rozdzieliły formalnie. Wydaje się, że koncentracja sił dystrybutorów jest ukierunkowana dzisiaj na to, aby budować relacje z klientami na najwcześniejszym etapie projektowania oraz posiadaniu możliwie najbardziej kompleksowej oferty produktów w obszarze zajmowanym przez firmę na rynku.

Rynek ma duże oczekiwania

Oczekiwania klientów w stosunku do dystrybutorów stale się zwiększają. Dobór najlepszego produktu to jedno, ale w praktyce trzeba dawać jeszcze więcej: próbki, narzędzia i płytki startowe to z pewnością kolejne i oczywiste rzeczy składające się na wsparcie, ale pomoc sięga też oprogramowania, dobrych praktyk projektowych, a nawet pomocy w projektowaniu, zgraniu platformy sprzętowej z oprogramowaniem i podobnych. Często wybiera się nie tyle komponent, co całe środowisko i architekturę, łącznie z oprogramowaniem narzędziowym, zestawami ewaluacyjnymi, a nawet próbkami. Takie potrzeby w naturalny sposób wspierają specjalizowanych dostawców dysponujących kadrą inżynierów aplikacyjnych, stąd wsparcie techniczne jako wartość dodana do handlu urasta do ważnego czynnika różnicującego poszczególne firmy i pozwalającego mniejszym firmom o specjalistycznym profilu funkcjonować przy silnej konkurencji. Bardzo szerokie portfolio produktów charakterystyczne dla rynkowych gigantów tworzy też naturalne sprzężenie zwrotne, gdyż im większa firma, tym trudniej jej poznać szczegóły tego, co oferuje. Innymi słowy, im większy dostawca, tym zwykle jego wsparcie techniczne polega tylko na dostarczeniu PDF-a ze specyfikacją.

Komponenty indukcyjne

Wszystkie współczesne urządzenia elektroniczne są z generacji na generację coraz mniejsze, a znaczenie elektroniki mobilnej na rynku stale się pogłębia. Trend miniaturyzacji dotyczy też systemów zasilania, elektromobilności i przemysłowych urządzeń energoelektronicznych, których gęstość mocy sukcesywnie z każdą kolejną generacją rośnie. Nowoczesne elementy indukcyjne są niezbędne do takich zmian, bo za postępem technicznym kryją się bardzo często znaczące 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 i płaski transformator z uzwojeniami nawiniętymi licą lub płaskownikiem miedzianym (drutem krawędziowym) z rdzeniem otaczającym praktycznie całe uzwojenie jest rozwiązaniem, do którego się dąży we współczesnych rozwiązaniach systemów zasilania.

Wiele drobnych usprawnień

Nowości w elementach indukcyjnych są bardzo liczne, ale niestety także mało widoczne. Ogólnie są to innowacje w zakresie materiałów magnetycznych, kształtów rdzeni, a więc pośrednio sposobu wykonania uzwojenia oraz używanych materiałów nawojowych i typów kontaktów elektrycznych. W dalszej kolejności są to zaawansowane materiały izolacyjne, skomplikowane procesy impregnacji oraz montażu takich komponentów.

Nowe materiały magnetyczne zapewniają pracę przy dość dużych częstotliwościach kluczowania, mają małe straty związane z przemagnesowaniem, wysoką indukcję nasycenia i podobne właściwości. Producenci proponują w tym obszarze ferryty z różnych mieszanek tlenków metali, spiekane drobiny czystego metalu o różnym ziarnie, składzie i proporcjach. Eksperymenty prowadzone są w wielu kierunkach, także w stronę rozwiązań hybrydowych, a więc bazujących na ferrytach łączonych ze sproszkowanym metalem, po to, aby zapewnić dużą indukcję nasycenia, małe straty na histerezie, a także aby uzyskać łagodną charakterystykę zapobiegającą gwałtownemu spadkowi indukcyjności przy zbliżeniu się z wartością prądu do nasycenia. Można też powiedzieć, że celem zmian w nowościach jest maksymalizacja energii, jaką można zgromadzić w danej objętości materiału magnetycznego lub uzyskanie najkorzystniejszego stosunku ceny do parametrów.

Kształt materiału magnetycznego, czyli kształtka, decyduje o możliwości nawinięcia uzwojenia o określonej objętości, możliwości integracji w obudowie, a także o indukcyjności rozproszenia. W tym obszarze też sporo się dzieje, a liczba ofertowych wariacji na temat typowych kształtów stale się zwiększa.

Druty nawojowe coraz częściej są wielokrotnie izolowane (nawet czterokrotnie), co ułatwia zapewnienie wysokiej jakości izolacji elektrycznej. Dzięki takim drutom większość zasilaczy powszechnego użytku jest dzisiaj wykonana w tzw. II klasie izolacji i nie wymaga uziemiania. Coraz częściej transformatory nawijane są licami oraz także taśmą miedzianą (drutem o przekroju prostokątnym), który pozwala lepiej wypełnić okno nawojowe. Jest to tzw. nawijanie krawędziowe.

Nowe materiały izolacyjne dają możliwość ciasnego upakowania uzwojenia i jednoczesnego zachowania bezpieczeństwa. Są one ważne, bo z roku na rok układy impulsowe pracują przy wyższych napięciach wejściowych.

Bardzo szeroki asortyment

Cechą rynku elementów indukcyjnych jest bardzo szeroki asortyment produktów katalogowych. Z jednej strony jest to zjawisko pozytywne, bo pozwala dobrać do aplikacji najlepiej pasujący element przy minimalnym kompromisie w parametrach. Z drugiej strony na te mniej popularne typy cewek i dławików trzeba często długo czekać, bo możliwości ich magazynowania u dystrybutorów są niestety ograniczone. Widać to doskonale w obecnych czasach, gdzie rynek powoli dochodzi do równowagi po wielkim rozchwianiu łańcuchów dostaw po pandemii. Na skutek ogromnego asortymentu wybór produktu jest wielki tylko teoretycznie, bo ogranicza się do tego, co jest w magazynach, a nie w katalogu.

Aplikacje konwersji energii

Szacuje się, że elementy indukcyjne i magnetyczne mogą stanowić około połowy całkowitej masy współczesnego układu konwersji energii pracującego na wysokiej częstotliwości. Zasada działania tego typu komponentów wymaga zapewnienia bardzo dużego poziomu precyzji podczas całego procesu produkcyjnego, ponieważ ich właściwości ściśle zależą od posiadanych wymiarów geometrycznych. Nawet niewielkie niedokładności w procesie formowania rdzenia lub uzwojenia mogą prowadzić do znaczących różnic w rozkładzie strumienia pola magnetycznego podczas pracy układu.

Na przestrzeni lat poczyniono ogromne postępy w projektowaniu i konstrukcji elementów aktywnych i półprzewodnikowych, jednocześnie zaś sposób wytwarzania elementów pasywnych takich jak cewki pozostał niemal niezmieniony. Parametry tego typu elementów są często czynnikiem ograniczającym rozwój oraz poprawę efektywności układów konwersji mocy. Wskutek intensywnie prowadzonych prac i projektów badawczych na rynku pojawiło się na przestrzeni ostatnich lat wiele nowych typów materiałów magnetycznych, wykorzystywanych do konstrukcji komponentów indukcyjnych. Materiały te pozwalają na poprawę właściwości elementów indukcyjnych, pozwalając na uzyskanie mniejszej masy układu, wyższej częstotliwości pracy czy też niższego poziomu strat.

Wsparcie techniczne oraz wysoka jakość definiują współpracę

Mimo że co do zasady działania elementy indukcyjne są proste, liczba szczegółów technicznych, zjawisk fizycznych, które trzeba brać pod uwagę przy ich aplikowaniu i projektowaniu, jest ogromna. Widać to najbardziej w transformatorach, gdzie dla zapewnienia optymalnych parametrów konieczne jest posiadanie wiedzy z obszaru fizyki (zjawiska w magnetykach), elektryki (izolacja, bezpieczeństwo funkcjonalne), kompetencji układowych w zakresie elektroniki (metody impulsowej konwersji mocy), przynajmniej podstawowej wiedzy z obszaru EMC, a w końcu szczegółów technologicznych związanych z produkcją takich elementów i testowaniem ich właściwości. Na koniec warto dostrzec, że przy ogromnej ofercie rynku w zakresie materiałów magnetycznych, licznych wersji wykonania, różnych obudów i kształtów rdzeni, nawet pobieżna orientacja w tym, co jest nowe, a co już wychodzi z użycia, czym warto się zainteresować i będzie się najlepiej nadawać do projektu, a co jest kompletnie nietrafionym pomysłem, nastręcza sporo trudności.

Zatem nawet jeśli wiele osób rozumie co do zasady, o co chodzi w nawijaniu, tylko ułamek z nich zna się dobrze na takich niuansach. Prawdopodobnie dlatego producenci elementów indukcyjnych tak dużą wagę przykładają do wsparcia technicznego, pomocy projektowej dla klientów i wkładają wiele wysiłku w to, aby pomysły klientów przekuć na działające elementy.

Klienci oczekują dzisiaj od transformatorów sieciowych i elementów indukcyjnych do układów impulsowych niezawodnego działania, wysokiej odporności na narażenia środowiskowe, przeciążenia, podwyższoną temperaturę i stany nieustalone. W ostatnich latach znacznie wzrosła ponadto świadomość klientów na temat wykonania elementów indukcyjnych zgodnie z wymaganiami norm bezpieczeństwa, certyfikacji niepalności UL i takich samych wymagań w stosunku do używanych materiałów konstrukcyjnych. W ramach poprawiającej się dbałości firm o warunki pracy personelu rośnie zapotrzebowanie na transformatory separacyjne, automatykę przeciążeniową i podobne elementy ochronne. Wzrost zainteresowania jakością produkowanych transformatorów i elementów indukcyjnych jest zdaniem niektórych producentów tak wyraźnie widoczny, że cena tych elementów nierzadko odchodzi na drugi plan. Innymi słowy, rynek szybko dojrzewa, jeśli chodzi o relacje.

Transformatory sieciowe

Transformatory sieciowe są doskonałym przykładem na to, że procesy dziejące się we współczesnej technice, o ile nie dotyczą obszaru konsumenckiego, rozciągają się na lata, a nierzadko nawet na dekady. Dlatego zasilanie impulsowe nie wyrzuciło transformatorów sieciowych na margines i dalej znajdują one zastosowanie w kilku ważnych niszach techniki.

Pierwszą są urządzenia, w których trzeba zapewnić dużą odporność na przepięcia i stany nieustalone pojawiające się w sieci energetycznej, które zwykłym transformatorom nie szkodzą, a dla zasilaczy impulsowych potrafią być zabójcze. W aplikacjach przemysłowych, instalacjach w terenie, miejscach, gdzie zasilanie jest dalekie od stabilności, bo np. jest dostarczane linią napowietrzną, dalej zwykłe transformatory są stosowane z tego powodu.

Oczywiście można znaleźć na rynku zasilacz impulsowy z rozbudowaną ochroną lub też dodać zewnętrzne ochronniki, ale one podrażają znacznie konstrukcję. Łatwiej jest sięgnąć po coś wypróbowanego.

Zasilacze z transformatorami sieciowymi są też elementami precyzyjnej aparatury, sprzętu medycznego i innych rozwiązań, gdzie istotne jest uzyskanie dużej czułości – np. w układach radiowych. Przy transformatorach sieciowych nie ma problemu z zakłóceniami wywołanymi przełączaniem prądu z wysoką częstotliwością.

Po trzecie, wersje sieciowe potrafią działać bezawaryjnie przez długie lata, czego niestety nie da się powiedzieć o jednostkach impulsowych za podobne pieniądze. Gdy konieczne jest zapewnienie pewnej pracy urządzenia w warunkach podwyższonej temperatury i przez długi czas, np. powyżej 5 lat, rozwiązanie takie wydaje się pewniejsze. Instalacja przemysłowa w terenie, rozproszone systemy instalowane na obiektach również wykorzystują zasilacze tego typu z opisanych względów.

Na koniec warto przypomnieć o rozwiązaniach niszowych, np. sprzęt audio wysokiej klasy, sprzęt estradowy, w których konserwatywne podejście do projektu jest czymś oczekiwanym przez rynek.

Dystrybutorzy i producenci

Dostawcy elementów indukcyjnych w Polsce to kilkadziesiąt firm dystrybucyjnych i produkcyjnych. Elementy te są częścią ofert wszystkich dużych firm dystrybucyjnych, dostawców katalogowych oraz dystrybutorów specjalizowanych. Elementy indukcyjne sprzedają także firmy znane na rynku z dostaw rdzeni i materiałów magnetycznych, karkasów, przewodów i akcesoriów.

Produkcja transformatorów oraz dławików bazuje na stosunkowo prostej technologii, dostępnych powszechnie materiałach, jak druty, lice, karkasy, rdzenie, i maszynach do nawijania. W efekcie w kraju funkcjonuje kilkunastu producentów. W ogromnej większości są to firmy z dużym doświadczeniem i kadrą inżynierską, zajmujące się tą działalnością od lat. Na przestrzeli dwóch dekad polscy producenci stali się dobrymi partnerami do interesów z firmami skandynawskimi lub niemieckimi, gdyż zaoferowali konkurencyjnie niższe ceny, wysoką jakość wykonania, przy ważnej z punktu widzenia prowadzonego biznesu bliskości geograficznej. Co więcej, wiele projektów urządzeń specjalistycznych, jakie są cechą szczególną naszego rynku, wymaga takich elementów wykonanych na zamówienie, zwłaszcza transformatorów impulsowych. Wprawdzie wszyscy wytwórcy dostarczają takie indywidualnie dopasowane komponenty, niemniej krajowi wytwórcy mają tu przewagę w postaci szybkości, możliwości zamówienia niewielkich partii i świadczą wysokiej jakości wsparcie techniczne (projekt), co w przypadku tematyki zasilania impulsowego ma spore znaczenie. Stabilna cena i dostępność są podstawą dla tej branży oraz także pewność, że zamawiane produkty spełniają wymogi norm obowiązujące w Europie oraz na świecie.

W obszarze produkcji działają firmy takie jak Indel, Breve, Sizei, Telto, Toroidy, które produkują transformatory sieciowe. Część z nich wytwarza też podzespoły indukcyjne na ferrytach. Krajowi producenci elementów indukcyjnych, tacy jak Feryster, Neotech, Telzam, AET, Elsit oraz Polfer PI, wytwarzają cewki, dławiki, transformatory impulsowe i wykonują elementy na zamówienie.

Oświetlenie LED – źródła światła i zasilanie

Technologia LED pozwala na połączenie źródeł światła z czujnikami, algorytmami sterowania oraz komunikacją bezprzewodową, co w efekcie umożliwia tworzenie rozbudowanych systemów zarządzania oświetleniem w sposób efektywny, wysoce energooszczędny i dobrze dopasowany do aktualnych potrzeb użytkownika.

Efektywność energetyczna oświetlenia LED wzrasta z każdym rokiem rozwoju tej technologii, przy jednoczesnym spadku cen tego typu rozwiązań. Powszechnie uznaje się, że technologia LED to najbardziej przyjazny dla środowiska rodzaj oświetlenia – nie tylko ze względu na wysoką energooszczędność, ale także korzystanie w procesie produkcji z materiałów o niskim negatywnym wpływie na środowisko.

Po okresie początkowej gorączki i nieładu rynek oświetlenia LED-owego wszedł w fazę dojrzałą i można obecnie podzielić go na dwie wyraźnie odrębne grupy. Pierwsza to segment konsumencki, obejmujący żarówki ze standardową oprawką E14/E27 oraz zintegrowane rozwiązania oświetleniowe, łączące w obudowie emitery LED w postaci modułu, zasilania i optyki. Drugi segment kryje w sobie rozwiązania specjalistyczne, grupujące wszystkie pozostałe źródła światła, których nie da się przypisać do pierwszej kategorii.

Oczywiście pod względem wartościowym największe szanse kryją się zapewne w specjalistycznych lampach przemysłowych, budynkowych, takich z certyfikatami: Atex, DNV, górniczymi, z wbudowaną "inteligencją" sterowania i komunikacji w sieciach Mesh, lampach o wysokiej jakości światła (oddawanie kolorów, regulowana temperatura barwowa) i podobnych. Spory potencjał ma oświetlenie biurowo-budynkowe o nowoczesnym i modnym wyglądzie, które pozwala nadać pomieszczeniom indywidualny charakter i zapewnić wysoką funkcjonalność. Duża wydajność świetlna emiterów LED i małe wymiary są głównymi czynnikami odpowiedzialnymi za to, że na rynku pojawiają się nowe typy oświetlenia, np. architektoniczne, sceniczne, medyczne, motoryzacyjne, a także do hodowli zwierząt i uprawy roślin.

Za takie oprawy nabywcy są skłonni zapłacić więcej, a konkurencja ze strony firm azjatyckich jest mniejsza. Jest to w części efekt tego, że klienci kupujący oświetlenie LED do zastosowań innych niż konsumencko-domowe stawiają na jakość i trwałość produktów i interesują się innowacjami. Z tej przyczyny aktywność wielu firm w produktowym segmencie powszechnego użytku jest z roku na rok mniejsza, gdyż silna konkurencja dalekowschodnia nie daje możliwości swobodnego rozwoju.

Oświetlenie w warunkach przemysłowych oraz w wielu aplikacjach profesjonalnych jest ponadto dziedziną podlegającą regulacjom prawnym. Spełnienie wymagań nie zawsze jest proste, ale inwestujący w takie źródła biorą pod uwagę przepisy i chcą być z nimi zgodni.

Coraz więcej funkcjonalności

Coraz więcej wyrobów oferuje coś więcej niż tylko światło – pozwala na programowanie czasu włączenia i wyłączenia, aktywuje się w obecności osób, pozwala na regulację jasności, barwy, współpracuje ze smartfonem przez Wi- Fi lub Bluetooth itd. Ostatni trend to coraz większy udział rozwiązań specjalistycznych, a więc przeznaczonych do wybranych miejsc i aplikacji. LED- -y dają o wiele większe możliwości kompozycji źródeł z oprawą i resztą otoczenia i widać, że cieszą się zainteresowaniem. Są przeznaczone do oświetlenia budynków, stanowisk pracy, ulic, obiektów publicznych. Takie cenne obszary to również np. architektoniczne, sceniczne, medyczne, motoryzacyjne.

Oświetlenie smart się popularyzuje

Inteligentne oświetlenie to termin o szerokim znaczeniu, często też określane terminem "smart" w przypadku, gdy chodzi o źródła światła do pomieszczeń wewnętrznych. Niemniej systemy tego typu znajdują zastosowanie zarówno w pomieszczeniach (rozwiązania indoor), jak i w otwartej przestrzeni (outdoor). Koncepcja opiera się na tym, że do źródła światła dodajemy różne czujniki, obwody sterujące (jasnością, kolorem, odcieniem), aktywację ruchem człowieka, programowanie czasu działania oraz komunikację. Jedną z najczęściej spotykanych funkcjonalności tego systemu jest możliwość dostosowywania temperatury barwowej oraz jasności świecenia ręcznie lub automatycznie w zależności od pory dnia oraz zdefiniowanego profilu. Do obsługi wykorzystywany jest typowo smartfon z odpowiednią aplikacją w rozwiązaniach konsumenckich. Takie możliwości dają Philips Hue działający w oparciu na protokole ZigBee Light Link i Ethernet. Osram Lightify – przeznaczony do sterowania oświetleniem w rozwiązaniach domowych oraz przemysłowych też wykorzystujący ZigBee. Są systemy WeMo firmy Belkin i Lifix, a także Cree Connected, Flux Smart LED, SiteWorx/Digital Lumens i oczywiście Samsung SmartThings.

W wersji profesjonalnej elementy instalacji oświetleniowej połączone są interfejsem cyfrowym. Takie możliwości zapewniają profesjonalne oprawy przemysłowe, do budynków biurowych i stanowisk pracy. W systemach budynkowych sterowanie lampami realizuje się za pomocą DALI (Digital Addressable Lighting Interface) i Ethernetu lub ZigBee. Niestety jednym z kłopotów branży oświetleniowej pozostaje brak jednomyślności co do standardu wymiany danych, co wywołuje spore problemy z interoperacyjnością poszczególnych modułów LED-owych. Od kilku lat trwają prace nad wprowadzeniem większej standaryzacji, ale idzie to opornie. W wielu przypadkach każda marka ma swoją aplikację i koncepcję sterowania. Kupuje się wizję, a nie interoperacyjność.

Komunikacja dotyczy także LED

Coraz większe znaczenie dla funkcjonalności oświetlenia ledowego ma systemy sterowania i regulacji parametrów światła oraz komunikacja zapewniającą możliwość wymiany danych pomiędzy elementami instalacji. Istnieje wiele standardów komunikacyjnych, zarówno przewodowych, jak i bezprzewodowych wykorzystywanych w tym obszarze. W przypadku infrastruktury o znaczeniu krytycznym oraz systemów oświetlenia ulicznego ze względu na wymaganą niezawodność bardzo często konieczne jest korzystanie z komunikacji przewodowej, zazwyczaj opartej na standardzie DALI, Ethernet lub po liniach zasilania.

Systemy oświetlenia domowego oraz inne niekrytyczne aplikacje mogą swobodnie korzystać z interfejsów bezprzewodowych. Do najbardziej popularnych zaliczyć można BLE (Bluetooth Low Energy), ZigBee Light Link, VLC oraz Wi-Fi w przypadku instalacji wewnątrz pomieszczeń, a także 6LoWPAN w przypadku instalacji na bardziej rozległym terenie.

Współcześnie jednym z kłopotów branży oświetleniowej pozostaje brak jednomyślności co do standardu wymiany danych, co wywołuje spore problemy z interoperacyjnością poszczególnych modułów LED. Od kilku lat trwają prace nad wprowadzeniem większej standaryzacji. Jeszcze większy bałagan jest w zakresie produktów konsumenckich, gdzie ścierają się własnościowe rozwiązania firmowe z projektami open source i chińskimi pomysłami skupionymi wokół aplikacji na smartfony, takimi jak Tuya.

Taśmy LED

Analizując rynek oświetlenia LED, nie sposób pominąć taśm ledowych, czyli wąskich pasków samoprzylepnego podłoża elastycznego z zamontowanymi diodami. Są one sprzedawane na 5-metrowych rolkach, pozwalają na zasilanie ze standardowych zasilaczy 12/24 V i są dostępne w wielu wersjach różniących się szerokością, wydajnością świetlną z metra (mocą), kolorem lub odcieniem barwy światła białego. Kolejne możliwości zapewnia ne przez taśmy to możliwość emisji bocznej światła, tj. równolegle do podłoża, a także dostępność wersji wielokolorowych i wielobarwnych (RGB i RGB-W) umożliwiających tworzenie światła dekoracyjnego lub dopasowującego się do warunków, np. odcień ciepły wieczorem, w dzień barwa naturalna. Są wersje zawierające pojedyncze diody LED, wykonania typu COB zawierające wspólny luminofor nałożony w postaci jednolitego paska żywicy, a także wersje uszczelnione silikonem, które są odporne na wilgoć (np. do akwariów/terrariów).

Na rynku taśmy są postrzegane jako produkty do realizacji oświetlenia reklamowego, meblowego, ale zakres ich zastosowań cały czas się poszerza. Powodem jest to, że taśmy są łatwe w aplikacji i proste w dopasowaniu do warunków instalacyjnych, stąd wynika ich duża popularność. Można je ciąć na segmenty, a montaż polega na przyklejeniu do podłoża. Zapewniają one coraz lepsze parametry świetlne, a jakością optyczną niczym nie ustępują innym źródłom. Na ich korzyść przemawia ponadto możliwość zasilania ze standardowego zasilacza napięciowego, co pozwala ograniczyć koszty. Na koniec trzeba powiedzieć o cenach, których rozrzut jest bardzo duży i daje możliwość dopasowania produktu do budżetu i przeznaczenia. Oczywiście te najtańsze nie gwarantują jakości, zaś profesjonalne mogą być bardzo kosztowne, ale razem tworzą one ofertę dla każdego.

Sterowniki do taśm LED

Wykorzystanie możliwości kryjących się w taśmach LED związane jest z koniecznością użycia specjalnego sterownika i oferta takich urządzeń dostępnych na rynku szybko się zwiększa. Sterownik pracuje w obwodzie niskiego napięcia i włącza się go między wyjście zasilacza a taśmę LED. Jego podstawową funkcjonalnością jest regulacja jasności światła za pomocą techniki PWM, a także włączanie i wyłączanie z powolnym rozjaśnianiem/ściemnianiem. Wersje wielokanałowe sterowników są przeznaczone do taśm RGB i dają możliwość regulacji i ustawienia barwy światła (koloru dla RGB, odcienia światła białego dla taśm zawierających diody ciepłe i zimne).

Sterowanie parametrami odbywa się za pomocą sensora dotykowego, przycisku instalacyjnego, pokrętła obrotowego (enkodera), pilota radiowego, a nawet aplikacji na smartfona łączącej się ze sterownikiem przez Wi-Fi/Bluetooth. Oprogramowanie i piloty umożliwiają tworzenie scenariuszy oświetleniowych, programowania ustawień z możliwością przywołania jednym guzikiem, a także łączenia wielu sterowników w rozbudowany system obejmujący wiele pomieszczeń.

Wspólną wadą wielu sterowników będących na rynku jest brak standaryzacji i interoperacyjności, gdyż każdy producent promuje swój koncept. Z uwagi na to wymagania użytkownika muszą zostać dopasowane do tego, co dane rozwiązania realizują. Najtańsze wersje sterowników, dostępne w postaci "gołej" płytki, mają też problemy jakościowe oraz jak to często bywa w przypadku rozwiązań chińskich – przewymiarowane na plus deklarowane parametry.

Czujniki koloru zapewniają kontrolę starzenia

Na rynku mamy coraz więcej scalonych czujników koloru RGB, które mogą badać rozkład energii widma promieniowania emitowanego przez źródło światła, dzięki czemu możliwa jest kalibracja emisji, pozwalająca na uzyskanie określonej barwy światła. Kiedyś były to drogie i specjalistyczne elementy, dzisiaj w formie scalonego MEMS- a nie stanowią one przeszkody przekreślającej możliwość uzyskania takiej funkcjonalności.

Takie sensory pozwalają na dokładne dopasowanie parametrów oświetlenia do rytmu dobowego oraz na korekcję niedokładności emitowanego sygnału świetlnego, wynikającą m.in. ze zmian starzeniowych diod LED (zmiana strumienia i emisji). Są one elementem czegoś, czego dawniej nie było w ogóle, a więc regulacji parametrów oświetlenia w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego.

Zasilanie CC czy CV?

Zasilacze do oświetlenia LED można podzielić na rozwiązania do zabudowy (open frame) i w obudowie. Te w obudowie mogą być w wersji zwykłej o IP20 przeznaczonej do montażu wewnątrz pomieszczeń i zalewanej ze współczynnikiem IP67. Od strony elektrycznej zasilacze LED wykonywane są w wersji stałonapięciowej (CV), a więc 12-woltowe lub 24-woltowe. Rozwiązania CV przeznaczone są z reguły do współpracy z taśmami LED.

Wersje stałoprądowe (CC) to jednostki przeznaczone do zasilania modułów oświetleniowych, w tym diod COB. Takie wersje dostarczają na wyjściu prąd o stałym natężeniu, np. 0,7 A, w szerokim zakresie napięć, od ok. 10…15 V do 70…120 V. Umożliwia to zasilanie łańcuchów szeregowo połączonych emiterów LED.

Na koniec warto zauważyć, że mamy coraz więcej diod zasilanych wysokim napięciem, nierzadko bezpośrednio z sieci napięcia przemiennego. Są to rozwiązania w formie pręcików montowane w bańkach żarówek dekoracyjnych lub moduły na laminacie z rdzeniem metalowym. Konstrukcja taka zawiera dwie grupy diod połączonych antyrównolegle z układem ograniczenia prądu. Każda grupa zawiera wiele emiterów połączonych szeregowo, dzięki czemu wypadkowe napięcie zasilania jest wysokie i nie ma potrzeby użycia konwertera/zasilacza.

Zapewne asortyment diod zasilanych wysokich napięciem będzie się powiększał, bo pozwala to na uproszczenie systemu zasilania i poprawę sprawności. To samo dotyczy zasilaczy CV do zasilania taśm LED – coraz większą popularność zyskują rozwiązania 24-woltowe, a niedługo można przewidywać skok w stronę napięcia 36 V. Większe napięcie oznacza mniejsze straty energii w okablowaniu i podłożu taśmy.

Zasilacze LED różnią się od zwykłych wersji adapterowych typem użytej obudowy oraz sposobem jej montażu, który jest dostosowany do przykręcenia jej śrubami do podłoża. Druga różnica to przyłącza sieciowe i wyjściowe, w roli których wykorzystuje się złącza terminal-block. Wersje zalewane zasilaczy LED mają wyprowadzone z obudowy krótkie odcinki przewodu z końcówkami do lutowania, które łączy się z resztą instalacji kostką elektryczną śrubową lub zaciskową.

Od strony elektrycznej zasilacze LED muszą spełniać wymagania normy EN55015 w klasie C w zakresie emisji elektromagnetycznej. Dotyczy to przede wszystkim poziomu zaburzeń emitowanych do sieci energetycznej (przewodzonych), których norma ta wymusza maksymalny poziom i to w szerszym zakresie częstotliwości, tj. od 9 kHz, a nie od 150 kHz jak w zasilaczach adapterowych. W praktyce oznacza to, że zasilacze LED o mocy większej jak 20 watów muszą mieć wbudowany korektor współczynnika mocy, po to, aby nie wprowadzać do sieci harmonicznych w większym zakresie, niż pozwala na to EN55015.

Układ PFC to dodatkowe elementy w zasilaczu na wejściu, m.in. dławik, stąd konieczność korekcji oznacza większe koszty materiałowe i dodatkową zajętość miejsca na płytce. W przypadku zasilaczy dużej mocy nie jest to wielkim problemem, ale upchanie PFC w wersjach 20‒40 W jest wyzwaniem. Stąd wiele zasilaczy no-name oraz marek z dolnych półek PFC nie ma mimo obowiązku prawnego. Jak to możliwe? Zasilacze takie, mimo że wyglądają jak LED- owe (kształt obudowy, typ przyłącza, funkcjonalność), nie są oznaczane jako "Do LED". Często zawierają też celowo sprzeczne informacje na etykietach sugerujące, że jest to zasilacz LED, gdy rzeczywiście nie jest przeznaczony do takich aplikacji.

Wymagania związane z bezpieczeństwem użytkowania są definiowane przez normę IEC/EN 62368-1, która obwiązuje też dla zasilaczy adapterowych. Tutaj różnic praktycznie nie ma – zarówno zasilacz LED, jak i adapterowy muszą być jednostkami bezpiecznymi w czasie pracy, jak też w przypadku awarii.

Na koniec warto dodać, że zasilacze LED nie są objęte wymaganiami w zakresie Ekoprojektu, tzn. nie stosuje się do nich regulacji na minimalną sprawność i maksymalną moc pobieraną bez obciążenia z sieci.

Podzespoły półprzewodnikowe dużej mocy

Wzrost cen energii, konieczność opracowywania nowoczesnych urządzeń o coraz wyższej wydajności przy jednoczesnym zmniejszeniu ich gabarytów powodują, że jednym z ważniejszych trendów na rynku podzespołów półprzewodnikowych dużej mocy jest coraz większe zainteresowanie klientów nowymi generacjami elementów z SiC oraz GaN. Główna przeszkoda w szybszym rozwoju produktów z użyciem SiC/GaN to wysokie ceny, a także konkurencyjne produkty azjatyckie. Nie bez znaczenia jest też ciągle niższy koszt tradycyjnych układów i modułów opartych na krzemie.

Na rynku komponentów elektronicznych aktualnie panują trudne warunki i niestety w innych krajach UE jest podobnie, przez co zlecenia zagraniczne oraz eksport nie są w stanie złagodzić trudności na rynku lokalnym. Dotyczy to zwłaszcza rynku niemieckiego, który przez ostatnie lata był wiodącym odbiorcą rozwiązań przemysłowych, aplikacji elektromobilnych i motoryzacyjnych, a więc obszarów kluczowych z punktu widzenia komponentów półprzewodnikowych dużej mocy. Efektem tej skomplikowanej sytuacji jest widoczna niepewność klientów w zakresie decyzji, ograniczanie ryzyka działalności, kupowanie małych partii pod bieżące zamówienia, przesuwanie projektów w czasie oraz wydłużanie terminu odbioru zakontraktowanego towaru.

Elektromobilność

Mimo wielu szumnych zapowiedzi i prognoz wskazujących, że elektryczna motoryzacja zacznie szybko się rozwijać na rynku, rzeczywistość nie potwierdza tych życzeń. Wraz z zakończeniem programów dopłat do zakupów, wzrostem cen prądu i ogólnymi oszczędnościami konsumentów, popyt na elektryki ma się nijak do tych zapowiedzi. Paradoksalnie dla rynku dystrybucji podzespołów mocy to nie jest taka zła wiadomość, bo mniejsze zakupy bezpośrednie między motoryzacją a producentami półprzewodników mocy skutkują poprawą dostępności komponentów na wolnym rynku, a więc w sieci dystrybucji.

Bezsprzecznie elektromobilność jest istotnym trendem zmieniającym rynek podzespołów półprzewodnikowych dużej mocy, ale warto zauważyć, że nie dotyczy ona tylko samochodów elektrycznych. Elektryczne są wózki magazynowe, w tym rozwiązania działające autonomiczne, roboty oraz rozwiązania transportowe mniejszego kalibru, takie jak skutery, hulajnogi, rowery. Dzięki lepszej dostępności komponentów mamy więc szansę na rozwój tych bardziej specjalistycznych obszarów aplikacyjnych.

W takich przypadkach jednym z kluczowych elementów systemu pojazdu elektrycznego jest moduł inwertera, czyli przetwornicy odpowiedzialnej za konwersję prądu stałego dostarczanego z akumulatora na trójfazowy prąd przemienny wymagany do pracy silnika elektrycznego. Sprawność i wydajność tego elementu mają kluczowy wpływ na tak istotne parametry pojazdu, jak zasięg, czas ładowania oraz żywotność baterii. Poprawa efektywności pracy inwertera pozwala na obniżenie pojemności baterii przy zachowaniu tych samych osiągów, przynosząc w rezultacie zmniejszenie wagi oraz kosztów produkcji pojazdu.

Duży wpływ na wydajność ma rodzaj użytych tranzystorów. To dlatego, że silniki wykorzystywane we współczesnych pojazdach elektrycznych pracują z sygnałem przemiennym o częstotliwości dochodzącej do 20 kHz oraz napięciu sięgającym 1000 V. Wartości te zbliżone są do maksymalnych dopuszczalnych parametrów pracy krzemowych tranzystorów MOSFET oraz IGBT, takich jak dość długi czas przełączania, który jest źródłem strat komutacyjnych przy konwersji energii. Minimalny czas komutacji określa również maksymalną dopuszczalną częstotliwość pracy inwertera. Poza tym ograniczeniem są też wartości graniczne napięć i prądów oraz rezystancja w stanie włączenia determinująca straty przewodzenia. Z tego tytułu nowe, lepsze komponenty półprzewodników mocy mają kolosalny wpływ na funkcjonalność takich rozwiązań.

Napędy silników i inwertery solarne

Impuls rozwojowy dla komponentów dużej mocy tworzą także napędy silników wykorzystywane w aplikacjach przemysłowych. Są to falowniki ze sterownikami umożliwiającymi płynną regulację obrotów, zmianę kierunku wirowania i z miękkim rozruchem. Falowniki takie generują na wyjściu trójfazowe napięcie, które zasila bezpośrednio uzwojenia silnika indukcyjnego i mają wysoką sprawność. Falownik może być zasilany z sieci jednofazowej lub trójfazowej (w zależności od mocy). Napięcie to jest prostowane a następnie zamieniane na napięcie przemienne o regulowanej częstotliwości.

Podobną zasadę działania mają inwertery solarne. W tym przypadku stałe napięcie dostarczane przez panele PV jest konwertowane na napięcie trójfazowe o parametrach identycznych jak to, które jest w sieci energetycznej. Zgodność częstotliwości, fazy i wartości napięcia wyjściowego inwertera solarnego umożliwia oddawanie energii do sieci energetycznej. Cechą falowników solarnych jest to, że stałe napięcie wejściowe dostarczane przez ogniwa (panele) PV może zmieniać się w szerokich granicach od kilkunastu do kilkuset woltów.

Zasilacze i ładowarki

Istotną część aplikacyjną dla półprzewodników mocy kreują ponadto zasilacze i ładowarki akumulatorów. W tych urządzeniach istotnym parametrem jest sprawność konwersji energii, która determinuje gabaryty, zakres temperatur pracy oraz wagę.

W zasilaczach impulsowych straty energii zachodzą w samym procesie przełączania obwodów, podczas prostowania przebiegów napięciowych, podczas wygładzania tętnień i przy zmianie poziomu napięcia z wykorzystaniem transformatora. Straty energii w impulsowym konwerterze można podzielić na statyczne – wynikające z pracy tranzystora przełączającego w stanie włączenia i wyłączenia oraz dynamiczne – związane z samym procesem przełączania. Przełączający tranzystor powinien mieć małą wartość rezystancji włączenia R DS(ON) i krótki czas przełączania. Straty przełączania zależą od pojemności tranzystora (zwłaszcza pojemności Millera pomiędzy drenem i bramką), gdyż pojemności te podczas pracy są ładowane i rozładowywane. Straty tego rodzaju rosną wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania. Wymagania dotyczące niektórych parametrów tranzystorów w różnych zastosowaniach mogą być sprzeczne. Na projektantów i wytwórców tranzystorów nakłada to konieczność znalezienia i zastosowania kompromisowych rozwiązań konstrukcyjno- technologicznych.

Półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym

Im większa moc wyjściowa, wyższe napięcie zasilania, mniejsze wymiary, tym coraz częściej użycie tranzystorów krzemowych napotyka bariery realizacji. Limity i ograniczenia charakterystyczne dla krzemu mogą zostać ominięte poprzez wykorzystanie materiałów półprzewodnikowych należących do grupy WBG (Wide Band Gap), czyli charakteryzujących się szerokim pasmem wzbronionym (przerwą energetyczną o wartości większej niż dla krzemu). Osiągają one zdecydowanie bardziej zadowalające parametry pracy niż ich tradycyjne krzemowe odpowiedniki – mogą pracować w wyższych temperaturach, przy wyższych napięciach oraz częstotliwościach, redukując straty mocy w układach konwersji zasilania.

Przerwa energetyczna azotku galu wynosi 3,4 eV, podczas gdy dla krzemu wartość ta to jedynie 1,1 eV. Oznacza to możliwość pracy ze znacznie większymi napięciami. Do innych ważnych cech tego materiału zaliczyć można dużą wytrzymałość elektryczną, przekładającą się na znacząco wyższą wartość napięcia przebicia niż w przypadku tranzystora krzemowego o podobnych rozmiarach. Pozwala to na tworzenie układów o mniejszych wymiarach niż w przypadku krzemu, zachowując przy tym pożądane cechy elektryczne. Mniejszy rozmiar przekłada się zaś na niższą wartość pojemności wymaganą do przeładowania w procesie przełączania, a zatem krótszy czas komutacji i wyższą maksymalną częstotliwość pracy.

Równie ważną cechą azotku galu jest wysoka ruchliwość nośników, ponadtysiąckrotnie wyższa niż w przypadku krzemu. Przekłada się to na około o połowę niższą wartość rezystancji włączenia R DS(ON) niż w strukturach krzemowych, to zaś oznacza dwukrotnie mniejsze straty przewodzenia. W związku z tym zmniejsza się również ilość generowanej podczas pracy układy energii cieplnej, możliwe jest uproszczenie konstrukcji systemu chłodzenia, np. poprzez zmniejszenie wymiarów radiatora.

SiC Czy GaN?

Z pewnością półprzewodniki takie jak SiC i GaN nie są już na rynku nowością, ale faktem jest, że w ostatnich latach ich popularność bardzo się zwiększyła, ceny zmalały, a dostępność się systematycznie poprawia. W efekcie od paru lat w wielu zastosowaniach SiC stanowią już rzeczywistą alternatywę dla elementów krzemowych i to mimo, że nadal są droższe.

Dobre parametry elektryczne tranzystorów z SiC zapewnione są nawet w wysokich temperaturach, co ułatwia budowę konwerterów energii i ogranicza wymagania związane z chłodzeniem, bo temperatura dopuszczalna złącza jest tutaj o 25–30º większa niż dla półprzewodników krzemowych. Pozwala to na zmniejszenie powierzchni wymaganych radiatorów lub wydajności systemu chłodzenia. Nierzadko też przejście na elementy SiC umożliwia rezygnację z chłodzenia wymuszonego i zastąpienie go konwekcyjnym. Co więcej, tranzystory te są w stanie pracować przy 5× wyższych częstotliwościach kluczowania, co pozwala na redukcję wymiarów elementów magnetycznych i na przykład przejście na cewki powietrzne. Niewielkie prądy zerowe nawet w wysokich temperaturach zapewniają stabilne działanie i dużą niezawodność, co widać właśnie najbardziej w tych ekstremalnie trudnych warunkach otoczenia i zasilania.

Typowy MOSFET SiC pozwala utrzymać w ryzach straty mocy przy częstotliwościach rzędu 300 kHz, prądach 100 A, a więc tam, gdzie krzem już nie daje rady. SiC pozwala też na działanie z wysokim napięciem przewyższającym 1 kV przy niskiej R DS(ON) poniżej 100 mΩ dla tej wartości U DS. Jeśli chodzi o tranzystory z azotku galu GaN to one oferują jeszcze lepsze parametry w zakresie przełączania z dużą częstotliwością, nawet 1 MHz przy dużym poziomie mocy.

SiC i GaN – różnice

Tranzystory SiC MOSFET są bardzo podobne w budowie do swoich krzemowych odpowiedników, działają też na podobnej zasadzie. Przyłożone do bramki napięcie powoduje, że swobodne elektrony przemieszczają się do obszaru zubożenia i tworzą kanał przewodzący. Tranzystory MOSFET typu SiC jak i Si są produkowane zarówno w technologii planarnej, jak i trench (rowkowej). Prąd przepływa w nich od powierzchni górnej do dolnej.

Działanie elementów GaN opiera się natomiast na naturalnie występującym dwuwymiarowym gazie elektronowym (przemieszczające się elektrony swobodne) pomiędzy niedomieszkowaną warstwą GaN a n-domieszkowaną warstwą AlGaN. Podstawowa konstrukcja tranzystora musiała więc być zmodyfikowana, aby utworzyć tranzystor normalnie wyłączony. Ma on potoczne określenie eMode GaN. Element ten jest preferowany do zastosowań w energetyce.

Kolejną istotną różnicą jest rozmieszczenie wyprowadzeń. Technologia GaN wymaga, przynajmniej na razie, bocznego umieszczania wyprowadzeń. Prąd płynie więc równolegle do powierzchni elementu, a ponieważ praktycznie należy wykluczyć możliwość nakładania się elektrod drenu, bramki i źródła, pojemności wewnętrzne C DS, C GS i CGD są drastycznie mniejsze.

Ze względu na wymagania dotyczące dużej gęstości mocy, niezwykle małe pojemności przełączników GaN wyróżniają je na tle rozwiązań konkurencyjnych i sprawiają, że idealnie nadają się do zastosowań wymagających wysokiej wydajności, częstotliwości i szybkiego przełączania mocy.

Tranzystory GaN są stosowane w aplikacjach przeznaczonych na dwa różne zakresy napięciowe. Niskonapięciowe tranzystory GaN mają napięcia przebicia 200 V. W tej grupie przeważają tranzystory normalnie wyłączone, tzw. eMode. Zastosowania wysokonapięciowe odnoszą się do zakresu od 200 V do 650 V. W tej grupie są stosowane rozwiązania kaskadowe GaN lub eMode, w których normalnie włączony tranzystor GaN jest połączony szeregowo z normalnie otwartym niskonapięciowym krzemowym tranzystorem MOSFET o niskiej rezystancji R DSON, tworząc układ normalnie wyłączony.

Z punktu widzenia projektantów zalety zamiany krzemowych przełączników na ich odpowiedniki wykonane na podłożu z azotku galu to wyższa sprawność konwersji, redukcja rozmiaru oraz wagi komponentów. Choć same układy GaN są wciąż droższe niż te wykonane z krzemu, całkowity koszt systemu może nie ulec znaczącemu podwyższeniu, a w wielu przypadkach nawet zostać obniżony. Wynika to z wyższej sprawności konwersji napięć (zatem obniżenia mocy strat), uproszczenia i redukcji rozmiaru pozostałych komponentów – np. radiatorów, kondensatorów czy elementów magnetycznych, takich jak transformatory. W efekcie uzyskać można mniejszy oraz bardziej wydajny układ zasilania.

Wśród innych zalet, przełączniki GaN charakteryzują się niższą od układów krzemowych pojemnością bramki, a zatem koniecznością przeładowania mniejszej ilości ładunku podczas przełączania. Dzięki temu mają krótszy czas przełączania, co pozwala im na pracę z sygnałami o wyższej częstotliwości. W pojazdach elektrycznych przekłada się to na możliwość uzyskania dłuższego zasięgu lub obniżenia masy i wymiarów baterii. Natomiast tranzystory SiC mają ogólnie lepszą zdolność do pracy z wyższymi napięciami, charakteryzują się jednak nieco wolniejszym czasem przełączania niż układy GaN. Z tego powodu dla zakresów napięć poniżej 1000 V przegrywają rywalizację z komponentami opartymi na azotku galu.

Obudowy i szafy dla elektroniki i przemysłu

Cechą charakterystyczną dostępnych obudów jest duża uniwersalność tych produktów i szerokie spektrum odbiorców, którzy nie ograniczają się do jednej branży. Pozytywnym skutkiem takiego stanu jest to, że popyt na takie produkty jest stosunkowo stabilny, bo uśrednia on wiele drobnych strumieni sprzedaży na różne sektory. Drugą cechą charakterystyczną omawianego rynku jest ogromny asortyment, bogactwo funkcjonujących materiałów, z których są one wytwarzane i typów ukierunkowanych na poszczególne aplikacje.

Coraz większa kompleksowość

Z roku na rok producenci obudów biorą na swoje barki coraz więcej zadań związanych z konstrukcją mechaniczną urządzeń elektronicznych. Poza obróbką mechaniczną, taką jak wiercenie otworów lub frezowanie, dotyczy to także integracji klawiatury, wyświetlacza wraz z szybą ochronną, panelu frontowego, systemu uszczelnienia i innych opcji związanych z zabezpieczeniem konstrukcji przed wpływem środowiska. Oferta dostępnych usług się poszerza, bo takie oczekiwania mają dzisiaj klienci, którzy często nie dysponują oprzyrządowaniem, aby takie operacje wykonywać samodzielnie oraz nie mają doświadczenia w tym kierunku. Kompleksowa obsługa to nie tylko hasło, które dotyczy komponentów, ale ogólnie całego podejścia do biznesu.

Kompleksowość produkcji elektroniki i usługi outsourcingowe rozwiązuje się na wiele sposobów. Producenci PCB oferują też montaż komponentów, montażyści zapewniają płytki. Obie te grupy proponują klientom także montaż mechaniczny, wiązki kablowe oraz oczywiście wykonanie obudowy (najczęściej w kooperacji z innym partnerem). Takie procesy widoczne są też u producentów obudów, którzy rozszerzają biznes o klawiatury, montaż mechaniczny, usługi projektowe, prototypowanie itp. Wspólnym mianownikiem takich procesów jest właśnie coraz większa kompleksowość.

Szafy przemysłowe

Duże szafy przemysłowe stanowią odrębną i cenną grupę, która jest wykorzystywana do montażu urządzeń, do rozdziału energii, sterowników, napędów i oczywiście do systemów teleinformatycznych. W tym ostatnim zakresie ich typowe zastosowanie to centrum informatyczne firmy, zawierające serwer, sprzęt sieciowy, centralę telefoniczną, zasilanie gwarantowane, system alarmowy, rejestrator wideo z kamer monitoringu, system archiwizacji danych i podobny sprzęt. Urządzenia takie stanową kluczową infrastrukturę IT firmy, stąd obudowa, która je mieści, musi być nie tylko wysokiej jakości, ale zawierać szereg przemyślanych rozwiązań umożliwiających łatwą instalację i rozbudowę. Szafy przemysłowe zwykle bazują na profilach metalowych tworzących szkielet, do których dołączane są ściany, podłoga, sufit, szyny, prowadnice, przepusty. Pozwala to na ich modułowe zestawianie, łatwe prowadzenie ciągów elektrycznych, rozbudowę o klimatyzatory itd. Szafy wykonywane są zazwyczaj z malowanej blachy stalowej. Najczęściej nie mają z góry zdefiniowanej konstrukcji, a większość producentów pozwala na ich kompozycję z elementów składowych. Użytkownik może dobierać nie tylko wielkość, ale też sposób łączenia, materiał drzwiczek, a do tego korzystać z wielu akcesoriów.

Miniaturyzacja obudów konsumenckich

Skoro cała elektronika się nieustannie miniaturyzuje, nie inaczej może być z obudowami. Na rynku jest coraz więcej urządzeń mobilnych, tj. małych i zasilanych z baterii, z których praktycznie żadne z nich nie ma panelu ani otworów wentylacyjnych. Wynika to z wielu czynników: mniejszych komponentów, większej integracji, niższego poboru mocy, a więc lepszej efektywności energetycznej, potrzeby minimalizacji kosztów, doskonalszych narzędzi projektowych i podobnych czynników. W tym obszarze estetyka, ciekawy projekt, ergonomia, kolor, a nawet faktura powierzchni wysuwają się na pierwszy plan. Małe obudowy to jednocześnie duże wymagania w zakresie jakości, dokładności wykonania poszczególnych części, materiału oraz projektu, który musi uwzględniać relatywnie duże przenoszone siły, zdolności do odwracalnego odkształcania przy naprężeniach wywołanych naciskiem.

Znaczenie plastiku rośnie

W obszarze elektroniki miniaturyzacja jest też czynnikiem potęgującym zapotrzebowanie na obudowy z tworzyw sztucznych, a wersje metalowe spychane są w rynkowe nisze i w zastosowania specjalne. W zasadzie wszystkie czynniki techniczne i użytkowe przemawiają za obudowami z tworzywa sztucznego. Metal broni się tam, gdzie estetyka, waga i koszt schodzą na drugi plan, a liczy się odporność mechaniczna i środowiskowa, dobre ekranowanie elektromagnetyczne oraz odporność na promieniowanie UV. Z takich powodów obudowy metalowe sprawdzają się w urządzeniach telekomunikacyjnych pracujących na zewnątrz, w transporcie kolejowym i morskim, rozległych instalacjach przemysłowych, bo tam wymagana jest najwyższa trwałość. Ale w porównaniu do całego rynku takich aplikacji nie ma tak wiele i nie są one też masowe.

Znaczenie plastiku jako materiału rośnie także na skutek tego, że obudowy tego typu zapewniają coraz lepsze parametry ochrony. Poliwęglan i inne tworzywa w wersji wzmacnianej, razem z wylewanymi uszczelkami, dają w efekcie produkt niewiele odstający funkcjonalnie od wersji metalowych. Hermetyczne obudowy plastikowe z poprawioną wytrzymałością mechaniczną są dostępne w coraz szerszym asortymencie, co dodatkowo świadczy o tym, że rynek ewoluuje w tym kierunku.

Obudowy przemysłowe

W obszarze przemysłowym klienci cenią sobie trwałe konstrukcje o jakości potwierdzonej certyfikatami, zapewniające wygodę montażu komponentów i prostą instalację urządzenia w obiekcie. Tutaj liczy się także dostępność rozwiązań systemowych w zakresie obudów, a więc systemu elementów, akcesoriów, prowadników kabli, uszczelek, traktów chłodzących, szyn, wsporników, które pozwalają stworzyć funkcjonalne urządzenie. W największym stopniu znaczenie takich dodatków i systemowych rozwiązań jest widoczne w szafach przemysłowych, gdyż większość z tych produktów ma konstrukcję otwartą, którą poprzez wybór elementów, w tym wymienionych akcesoriów, można dopasowywać do potrzeb. Znaczenie ma też modułowość konstrukcji, bo jest ona podstawą do zapewnienia wysokiej funkcjonalności i elastyczności.

Szeroki asortyment obudów katalogowych

Z roku na rok oferta plastikowych obudów katalogowych się powiększa, a ich producenci wprowadzają na rynek co najmniej kilka typów rocznie. To samo dotyczy nowych kolorów, materiałów oraz dostępnych akcesoriów. Ogólnie oferta katalogowa jest dzisiaj bardzo szeroka i problemem staje się orientacja w tym, co jest dostępne i jakie możliwości kompozycji są w ramach całego systemu elementów. Ta szerokość rynku tworzy wiele problemów po stronie marketingu technicznego, który ma niełatwe zadanie przekazania informacji o nowościach i szczegółach klientom. Efektem są coraz bardziej opasłe katalogi, zacierające się powoli pierwotne podziały np. na plastik i metal, wyroby konsumenckie i profesjonalne oraz podziały determinowane przez technologię wykonywania obudów.

W obudowach metalowych zjawisko to raczej nie występuje, bo wiele konstrukcji jest tworzonych na zamówienie i portfolio obudów gotowych nie jest aż tak duże jak w obszarze plastiku.

Dobre dopasowanie obudowy do aplikacji, wybór odpowiedniego rozwiązania spośród dostępnych opcji lub z elementów systemu modułowego, weryfikacja pomysłów konstruktorów, a także przedstawienie możliwości kompozycji obudowy jako całości dla aplikacji klienta to zadanie dla producenta lub dystrybutora. Zadaniem dostawcy jest też często sprowadzanie na ziemię konstruktorów, a więc ocena i wyjaśnianie sensowności przyjętych założeń, wykrywanie słabych punktów, wskazywanie pomyłek lub elementów wymagających przemyślenia. Im dziedzina jest bardziej odległa od projektowania elektroniki tym niestety pracy w takich obszarach jest więcej. A zagadnienia mechaniczne bywają nierzadko dla elektroników kłopotliwe.

Park maszynowy zapewnia zaawansowanie techniczne

Obudowy są doskonałym produktem do obserwacji jak nowoczesne obrabiarki i sprzęt produkcyjny mogą poprawić jakość, precyzję i zaawansowanie techniczne tych produktów. Dotyczy to w największym stopniu obudów metalowych.

Wiadomo, że w obudowie najważniejszy jest pomysł, idea lub koncepcja, w jaki sposób zapewnić urządzeniu nie tylko ochronę, ale też funkcjonalność. Taki pomysł rodzi się często w głowie konstruktora, ale dalej zamieniany jest w projekt z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania. Do takich zadań są przeznaczone specjalne pakiety mechanicznych CAD-ów, które imponują dzisiaj możliwościami wizualizacji i automatyzacji zadań. Razem ze skanerami trójwymiarowymi i drukarkami 3D narzędzia te umożliwiają przelanie pomysłu z głowy lub wzoru na coś, co dalej można zamienić na prototyp.

Za to, aby obudowa była doskonała technicznie, funkcjonalna i precyzyjna, odpowiadają dzisiaj obrabiarki CNC, wykrawarki laserowe, zgrzewarki i prasy oraz giętarki, frezarki. Urządzenia te są sterowane numerycznie i dają możliwości swobodnej kompozycji części składowych. Ale największy skok jakości i zaawansowania przyniosły w branży lasery przeznaczone do wykrawania elementów z blach. Urządzenia te zapewniają idealnie równe krawędzie i łuki o precyzji niemożliwej do osiągnięcia za pomocą pił mechanicznych i gilotyn. Poza wyodrębnieniem detalu z arkusza lasery wycinają dowolne kształty na elementy sterujące, otwory na śruby, kratki wentylacyjne i inne użyteczne elementy, do których dawnej niezbędne było specjalne oprzyrządowanie, takie jak wykrojniki do pras lub stemple. Laser jest precyzyjniejszy, szybszy i tańszy, gdyż nie wymaga oprzyrządowania. Z takich powodów większość producentów obudów metalowych zainwestowała w lasery CO2 lub światłowodowe i był to znakomity ruch, jeśli chodzi o zapewnienie jakości produkcji.

Zysk technologiczny z lasera jest najbardziej widoczny, ale w halach produkcyjnych maszyn jest dzisiaj znacznie więcej niż dawniej. Do obróbki blach wykorzystuje się też w większym stopniu zgrzewarki (zamiast montażu śrubowego), spawanie precyzyjne i szlifowanie. Standardem jest zapewnianie antykorozyjnych powłok galwanicznych i lakierowania (pistoletem lub proszkiem). Efekty są widoczne gołym okiem.

Więcej wyrobów na indywidualne zamówienie

Sterowany komputerowo kompleksowy park maszynowy zapewnia trzy najważniejsze czynniki składające się na jakość: szybkość produkcji, precyzję i powtarzalność. Ale w dalszej mierze jest to też elastyczność działań pozwalająca na produkcję obudów pod projekty i na zamówienie, a więc modyfikację wyrobów katalogowych. Dawniej też było to możliwe, ale wiązało się z koniecznością przygotowania produkcji i wykonania narzędzi. Przejście na projekt komputerowy i obrabiarki sterowane bezpośrednio z CAD-a pozwala taki projekt zrobić szybko, tanio i bez płacenia wielkich sum za przygotowanie produkcji. Zapewne jest to jeden z powodów, dla których na rynku zwiększa się liczba obudów specjalizowanych pod konkretne aplikacje (np. automatyki, komputerowe z otworowaniem itd.).

Jeszcze dekadę temu typowy odbiorca zainteresowany czymś więcej niż wyrób katalogowy miał możliwość jedynie modernizacji (customizacji) takiego produktu, polegającej na niewielkiej obróbce mechanicznej lub też kompozycji obudowy z użyciem kilku części składowych. Projekt wykonany całkowicie na zamówienie był zwykle poza możliwościami budżetowymi. To się zmienia właśnie dzięki nowoczesnym obrabiarkom i oprogramowaniu projektowemu. Prostota zamiany projektu w wyrób daje możliwości specjalizacji produktowej.

Dostawcy obudów

Produkcja obudów to obszar kapitałochłonny od strony przygotowania produkcji, maszyn, oprzyrządowania, form wtryskowych i tym samym producenci nie są w stanie szybko poszerzać asortymentu. W zamian wypracowują swój styl, który staje się rozpoznawalny, specjalizują się na grupy urządzeń lub branże. W dużej części firmy te zajmują się wytwarzaniem obudów metalowych lub szaf przemysłowych, celując w niszowe i wymagające aplikacje specjalistyczne, np. w zakresie odporności na czynniki środowiskowe czy o wysokim poziomie indywidualizacji. Ich produkty przeznaczone są do zastosowań w telekomunikacji, sterowniach, systemach zasilania, systemach komputerowych i podobnych zastosowaniach przemysłowych. W takich ramach mieszczą się m.in. pulpity i panele sterownicze, systemy alarmowe i kontroli dostępu, urządzenia telewizji przemysłowej, zasilacze, obudowy do sprzętu teleinformatycznego, szafy telekomunikacyjne i podobne. Takie zastosowania pozwalają współistnieć małym innowacyjnym firmom krajowym razem z silną konkurencją ze strony dużych producentów z Europy Zachodniej. Takimi firmami są np. Ergom, Jakubowski, Sypniewski, Kommet, Jotkel oraz ZPAS. W zakresie produkcji obudów z tworzyw sztucznych wymienić należy przede wszystkim firmę Kradex oraz firmę Maszczyk, znane na rynku z wytwarzania małych obudów dla elektroniki. Do kluczowych na rynku dostawców zagranicznych należą przedsiębiorstwa będące oddziałami producentów zagranicznych, jak Rittal, Phoenix Contact, Eaton.

Drugą grupę dostawców stanowią dystrybutorzy i resellerzy, którzy często oferują po kilka marek produktów i często dla nich sprzedaż obudów jest dodatkiem do większej całości. Jest to konsekwencją tego, że wielu producentów ma wąską specjalizację i dystrybutor musi współpracować z kilkoma producentami, aby zapewnić szeroką ofertę. Dla części firm dystrybucyjnych obudowy stanowią jeden z kluczowych elementów oferty, co dotyczy m.in. tych skupiających się na sektorach elektrotechnicznym i automatyki, dla innych zaś – w szczególności zajmujących się dystrybucją katalogową – jeden z komplementarnych elementów bardzo szerokiej oferty. Obudowy znajdziemy też u dostawców obudów do systemów komputerowych i mechaniki 19". Przykładem firm dystrybucyjnych, dla których obudowy to ważna część biznesu, mogą być LC Elektronik, Apar, Dacpol, Eltron, CSI.

Przekaźniki elektromagnetyczne

Przekaźniki elektromagnetyczne uznawane są za produkty perspektywiczne, zawsze na czasie i dopasowane do aktualnych wymagań klientów. Ich dobra pozycja wynika z tego, że zapewniają dużą odporność na chwilowe przeciążenia, przepięcia i stany nieustalone, dają możliwość komutacji sygnałów dużej mocy, zarówno przy wysokim napięciu, jak i przy dużym natężeniu prądu. Ważną cechą jest też niski opór w stanie załączenia, czego nie da się uzyskać w przekaźnikach półprzewodnikowych na wysokie napięcia znamionowe. Istotny jest pomijalnie mały upływ w stanie rozwarcia styków. Przekaźniki elektromagnetyczne to też doskonały przykład produktu, którego półprzewodniki mocy nie są w stanie wyrzucić na margines rynku. Mimo wielu zmian w technice i ogromnego postępu w technologii, nie doczekały się one prawdziwej konkurencji.

Wiele drobnych usprawnień

Przekaźnik elektromagnetyczny jest komponentem znanym od dekad i wydawałoby się, że konstrukcja współczesnych podzespołów tego typu jest na tyle dobrze dopracowana, że trudno zaproponować coś innowacyjnego. Jest to prawda, gdy patrzy się z perspektywy na cały produkt, jego zasadę działania lub funkcjonalność. Niemniej bliższe przyjrzenie się pozwala dostrzec wiele drobnych szczegółów i niewielkich zmian, sukcesywnie wprowadzanych ulepszeń, które zapewniają, że produkty te cały czas ewoluują.

Takie usprawnienia to m.in. coraz więcej wersji, gdzie moc pobierana przez cewkę została wyraźnie ograniczona, wersje ciche, przekaźniki bistabilne, rozwiązania z przyciskiem testującym, kontrolką, a nawet przezroczyste obudowy pozwalające na wizualną kontrolę stanu styków. Sporo usprawnień dotyczy podłączenia przewodu w wersjach przemysłowych, w tym popularyzacji zacisku sprężynowego, większej liczby dostępnych akcesoriów, większej oferty w zakresie przekaźników w obudowach szczelnych.

Jakość jest coraz bardziej istotna

Od blisko dekady na rynku przekaźników widoczny jest zwrot zainteresowania klientów w stronę produktów wysokiej jakości i tych produkowanych przez renomowanych producentów. Proces ten dzieje się, mimo że cały czas są dostępne przekaźniki klasyfikowane jako podróbki oraz tanie chińskie marki, a silna konkurencja zapewnia wiele rozwiązań o zbliżonych parametrach.

Przyczyn tego zjawiska jest wiele, na przykład rosnące koszty pracy i tym samym drożejący serwis i obsługa techniczna urządzeń. To także coraz większy eksport krajowych przedsiębiorstw, coraz więcej urządzeń i aparatury w fabrykach oraz większe skomplikowanie techniczne nowych instalacji. W Polsce szybko rozwijają się rynki związane z produkcją maszyn, sektorem budowlanym i postępuje automatyzacja wielu dziedzin. Rozwój produkcji inicjuje też popyt na systemy kontroli i sterowania, co zawsze stymuluje popyt na przekaźniki. Wiele krajowych firm produkuje i eksportuje urządzenia dla przemysłu, takie jak sterowniki, regulatory, urządzenia pomiarowe, styczniki, systemy bezpieczeństwa i nadzoru. W ramach inwestycji i modernizacji starszych zakładów i linii produkcyjnych kupowane są nowe maszyny i budowane do nich instalacje oraz systemy. Strumień sprzedaży dla przemysłu tworzą też elektronika profesjonalna, energoelektronika, motoryzacja, systemy alarmowe. Nie są to filary rynku odpowiedzialne za zbyt przekaźników, ale z pewnością mające znaczenie.

Liczne inwestycje producentów europejskich w automatyzację produkcji spowodowały, że wytwarzanie przekaźników wymaga mniej pracy ręcznej niż dawniej, więc jakość jest lepsza przy jednocześnie niższej cenie. Ceny przekaźników markowych nie są już dzisiaj w dużej dysproporcji w stosunku do tych tańszych i nierzadko różnica pomiędzy wersjami staje się niewarta starań. Co więcej, w ostatniej dekadzie w technologii przekaźników zaszło sporo korzystnych zmian poprawiających jakość i trwałość tych elementów, przez co działy utrzymania ruchu w przemyśle kupują obecnie relatywnie mniej tych elementów niż kiedyś. To też ogranicza zapędy do oszczędzania.

Szeroki asortyment

Wiele zmian na rynku, jakie zaszły w ostatnich latach, też można uznać za czynniki sprzyjające dla przekaźników i także pośrednio dla jakości. Przykładem może być wzrost znaczenia specjalizacji, odchodzenie od wytwarzania długich serii na rzecz produkcji elastycznie dopasowującej się do chwilowych potrzeb rynku bądź wręcz realizowanej na zlecenie. Sprawne realizowanie projektów, zleceń integracji i usług produkcyjnych preferuje firmy lokalne, a więc zdolne do zapewnienia szybkich dostaw komponentów. Im szerszy asortyment, im więcej typów wykonań i możliwości w zakresie przekaźników mamy na rynku, tym pozycja rynkowa dużych lokalnych graczy jest lepsza, bo oni mają magazyny fabryczne blisko klienta.

Coraz więcej wersji specjalistycznych

W ofertach producentów przekaźników widocznych jest coraz więcej typów o funkcjonalności i parametrach dostosowanych do aplikacji. Do niedawna przekaźnik był postrzegany jako coś bardzo uniwersalnego, czego można było używać w zasadzie dowolnie, obecnie okazuje się, że czasem warto sięgnąć po rozwiązanie aplikacyjne. Przykładem mogą być wersje solarne, zdolne do komutacji obwodów mocy prądu stałego, rozwiązania odporne na uderzenia prądu udarowego, o podwyższonej odporności izolacji, bistabilne i podobne. Czasy, gdy przekaźnik dobierało się na podstawie paru parametrów, już dawno się skończyły – poza obszarem aplikacyjnym, typem, trzeba też decydować o wymaganiach środowiskowych, obudowie, opcjach dodatkowych, jak np. wskaźnik zadziałania, wbudowanym elemencie gaszącym przepięcia, systemie gaszenia łuku elektrycznego, przycisku testującym itp. Do tego dochodzą opcje montażu, parametry cewki przekaźnika oraz jej moc (nominalna i obniżona).

Warto dostrzec, że liczba wersji przekaźników z obniżonym poborem mocy przez cewkę także systematycznie się powiększa. Doszliśmy do momentu, gdy większość popularnych typów jest już dostępnych w wersji oszczędnej, a redukcja poboru mocy sięga 30‒50%. Poza redukcją energii elektrycznej niski pobór mocy przez cewkę przekłada się na mniejsze nagrzewanie i możliwość pracy w szerszym zakresie temperatur.

Stycznik czy przekaźnik?

Poza przekaźnikami na rynku funkcjonują tzw. styczniki. Nazwa ta określa specjalizowany przekaźnik dużej mocy przeznaczony do pracy w aplikacjach przemysłowych i energoelektronicznych. Styczniki są komponentami przeznaczonymi do montażu w obudowie lub na szynie DIN i mają obudowę, która pozwala na zamocowanie w chassis. Są przeznaczone do łączenia dużych obciążeń, o mocy nawet wielu kilowatów, trójfazowych silników, dużych grzejników oraz całych systemów oświetlenia przemysłowego i obiektowego. Styczniki są łączone przewodami o dużym przekroju i mają wyprowadzenia przystosowane do montażu grubych kabli. Ich cewka z reguły jest zasilana napięciem 24 V DC lub napięciem przemiennym 230 V AC. Zawierają kilka styków, typowo trzy duże pary styków dla trzech obwodów fazowych, ale czasem też i jedną małą parę do sygnalizacji.

Przekaźniki z wbudowaną elektroniką

Szybki rozwój automatyki budynkowej oraz aplikacji przemysłowych w zakresie tzw. małej automatyki tworzy zapotrzebowanie na przekaźniki z wbudowaną elektroniką, np. czasowe, programowalne. Do ich podstawowych zastosowań zaliczyć można systemy automatyki budynkowej (m.in. sterowanie oświetleniem, ogrzewaniem oraz klimatyzacją), kontroli dostępu oraz niewielkie instalacje przemysłowe. Świetnie sprawdzają się wszędzie tam, gdzie potrzebna jest realizacja nieskomplikowanych funkcji automatycznego sterowania – przede wszystkim w systemach z ograniczoną liczbą wejść/wyjść oraz brakiem konieczności obsługi wielu różnych protokołów komunikacyjnych.

Przekaźniki programowalne charakteryzują się dobrym stosunkiem ceny do oferowanych możliwości. Pozwalają na realizację prostych funkcji z zakresu automatyki, dzięki czemu w wielu zastosowaniach stanowią atrakcyjną i ekonomicznie uzasadnioną alternatywę dla sterowników PLC. W dość dużym uproszczeniu przełączniki programowalne to w zasadzie sterowniki PLC ze stosunkowo małą liczbą wejść/wyjść oraz istotnie ograniczonym zakresem dodatkowych funkcjonalności i zasobów, jak np. wsparcie różnego typu protokołów komunikacyjnych. Pod względem obsługowym te dwa typy urządzeń również są do siebie mocno zbliżone – możne je programować za pomocą takich samych lub bardzo zbliżonych języków programowania, opartych o strukturę graficzną lub tekstową.

Ograniczona funkcjonalność przełączników programowalnych z jednej strony jest ich zaletą – pozwala zredukować koszt tych urządzeń, z drugiej zaś stanowi pewną wadę – systemy oparte o tego typu urządzenia nie są zbyt otwarte na możliwości dalszej potencjalnej rozbudowy. Niektóre modele przekaźników mają wprawdzie opcję dołączania modułów rozszerzeń, oferta dodatkowych funkcjonalności jest jednak wciąż znacząco mniejsza niż w przypadku sterowników PLC.

Dostawcy przekaźników

Grono dostawców przekaźników elektromagnetycznych ukształtowało się w kraju wiele lat temu i w zasadzie się nie zmienia. Na rynku polskim bez wątpienia cały czas duży udział w sprzedaży notuje firma Relpol – nasz krajowy producent przekaźników, który zapewnia klientom szybkie dostawy i bardzo dobre produkty. Silne pozycje mają także firmy Hongfa i Finder. Wśród producentów zagranicznych obecnych na rynku krajowym, w czołówce znajdują się ponadto takie firmy jak Omron, Phoenix Contact, Weidmüller, Tyco Electronics i Zettler.

Przekaźniki sprzedają praktycznie wszyscy dystrybutorzy o szerokiej ofercie produktowej. Często oferują równolegle produkty kilku producentów, tak aby mieć i te lepsze i te tańsze. Przekaźniki mają też dystrybutorzy specjalizowani, mniejsi w porównaniu do katalogowych gigantów, gdyż oni często mają jakiegoś producenta w reprezentacji. Przykład to Masters i Gamma oraz wiele firm znanych na rynku elektroniki i automatyki: Compart, Weidmuller, Omron i inne.

Przełączniki, przyciski i klawiatury

Przełączniki, przyciski i klawiatury to grupa popularnych podzespołów elektromechanicznych, łączących w całość wiele branż i aplikacji i będących najważniejszym ogniwem interfejsu człowiek- maszyna w technice. Wprawdzie zmiany technologiczne prowadzą powoli do ograniczenia zapotrzebowania na klasyczne klawiatury i elementy przełączające, niemniej rozwój przemysłu elektronicznego oraz stały trend elektronizacji niemalże każdej dziedziny techniki powodują, że wypadkowe zapotrzebowanie na elementy elektromechaniczne stale wzrasta. Duży asortyment, wielu dystrybutorów, mnóstwo marek i brak jednolitego i jednoznacznego systemu oznaczeń utrudniają dokonywanie wyborów, a nawet orientację w ofertach handlowych poszczególnych firm. Ponadto producenci przez cały czas modyfikują też oferowane komponenty, wprowadzając nowe wykonania mechaniczne, tak aby były one dopasowane do aktualnych potrzeb, co niestety nie sprzyja poprawie tej orientacji.

Jednym z najważniejszych czynników napędowych dla rynku elementów elektromechanicznych jest ogólny rozwój rynku elektroniki, automatyki i wzrost liczby rozwiązań opartych o urządzenia elektryczne i elektroniczne. W każdym z takich miejsc gdzieś pojawia się przełącznik lub przycisk i nierzadko jest ich wiele. Rozwój napędzają także inwestycje, modernizacje starych linii produkcyjnych, urządzeń infrastruktury, obowiązki prawne związane z zapewnieniem bezpieczeństwa użytkowania. Pomaga także dobra koniunktura na rynkach profesjonalnych, w obszarze wojskowym, kolejowym.

Elektronizacja elektromechaniki

Rozwój technologii półprzewodnikowej w zakresie technologii dotykowych doprowadziła do tego, że wielu producentów zaczęło elektronizować przyciski i przełączniki. Zamiast konstrukcji mechanicznej przenoszącej nacisk palca na położenie styków, aktywują się one przez dotknięcie klawisza. Naturalnie brak elementów ruchomych zapewnia bardzo dużą trwałość mechaniczną i elektryczną, pozwala na wykonanie przycisku w wersji odpornej na wpływ środowiska (szczelnej).

Do budowy takich przycisków wykorzystywane są różne technologie, np. pojemnościowa lub piezoelektryczna. Te pierwsze są tańsze, bo dotyk realizują specjalizowane chipy. Korzyścią jest również, poza trwałością, brak możliwości "oszukania" przycisku np. jego fizycznego zablokowania w pozycji przyciśniętej. Minusem jest to, że reakcja na rękę ubraną w rękawiczkę jest często nieprzewidywalna. Wiele osób krytykuje też brak mechanicznego potwierdzenia zadziałania, opóźnienia pojawiające się pomiędzy dotknięciem klawisza (sensora dotykowego) a reakcją urządzenia. Wada to także konieczność zasilania, brak słyszalnego "kliku" oraz problem z użyciem do przełączania obwodów dużej mocy.

W praktyce przyciski pojemnościowe przeznaczone są przede wszystkim do realizacji interfejsu użytkownika. Nie nadają się do przełączania napięć zasilających, bo same wymagają zasilania, wysokich napięć ani też czułych sygnałów z sensorów. Nie da się ich używać w aplikacjach wymagających absolutnej pewności działania (tzw. aplikacje bezpieczeństwa), w warunkach silnych zaburzeń elektromagnetycznych, na przykład blisko pracujących urządzeń do zgrzewania indukcyjnego, suszarek mikrofalowych lub w sąsiedztwie działających nadajników radiowych. W takich warunkach elementy pojemnościowe tracą czułość i mogą po prostu słabiej lub z opóźnieniem reagować na dotykający palec.

Problem z zapewnieniem reakcji na dotyk ręką w rękawiczce rozwiązują technologie piezoelektryczne, gdzie dotknięcie klawisza i tym samym wywarcie nacisku na sensor piezo skutkuje powstaniem impulsu na wyjściu sensora. W tym przypadku liczy się wywarcie siły, a nie dotknięcie, stąd obsługa w rękawiczce w niczym tu nie przeszkadza.

Przełączniki w wersji elektronicznej z pewnością należy traktować jako elementy, przed którymi jest przyszłość. Problemy, jakie wiążą się z ich użyciem, są stopniowo poprawiane i ograniczane.

Jakość i wzornictwo widać gołym okiem

Ciągłym trendem w branży jest poprawiająca się jakość rozwiązań elektromechanicznych i ich wzornictwo. Żywe kolory tworzyw sztucznych, kształty wykraczające daleko poza nudne prostopadłościany lub podświetlenia ledowe są z pewnością wymownym przykładem zachodzących zmian. Jest to z pewnością wynik tego, że producenci mają dzisiaj do dyspozycji lepsze materiały i urządzenia produkcyjne zapewniające większą dokładność, ale także tego, że zaawansowane technologie produkcyjne są coraz bardziej przystępne. Druk cyfrowy o wysokiej rozdzielczości, znakowarki i obrabiarki laserowe nie są już dzisiaj luksusem dostępnym dla największych firm i coraz częściej są wykorzystywane do personalizacji produktów, wykonywania produkcji małoseryjnej i innych operacji. Obrabiarki laserowe zapewniają wszystko, co jest dzisiaj potrzebne do zapewnienia jakości, a więc wysoką precyzję wykonywania oznaczeń, trwałość oraz szybkość. Ze względu na całkowite koszty posiadania stają się także kosztowo efektywne, gdyż nawet jak inwestycja wymaga większych nakładów na początku, to potem jest to równoważone małymi kosztami użytkowania.

Takie urządzenia pozwalają zapewnić możliwość wytwarzania produktów o wysokiej jakości technicznej i wizualnej w małej skali, bez konieczności sięgania po kompromisy. W warunkach krajowych jest to bardzo cenne.

Klawiatury to nasza specjalność

Klawiatury membranowe lub inaczej foliowe znajdują szerokie zastosowanie w urządzeniach powszechnego użytku, sprzęcie kontrolno-pomiarowym, rozwiązaniach przemysłowych, motoryzacji, urządzeniach medycznych oraz sprzęcie AGD. Ich duża popularność wynika z dobrej dostępności i niewielkiego skomplikowania technologii produkcji, co przekłada się na niskie ceny uruchomienia produkcji i jednostkowe oraz dobrych własności użytkowych i jakości. Kolejny atut to taki, że jest to produkt elastyczny, taki, który można dopasować do specyficznych wymagań. Klawiatury mogą być z klikiem klawiszy, podświetleniem, z frontem silikonowym lub foliowym, z polami przezroczystymi lub kolorowym filtrem pod wyświetlacz itd. Wraz z warstwami realizującymi ekranowanie elektromagnetyczne konstrukcja jest zabezpieczana przed wpływem czynników środowiskowych lakierami i warstwami ochronnymi.

Producenci klawiatur cały czas inwestują w rozwój technologii, w nowe trwałe materiały, zapewniające odporność środowiskową i długotrwałe działanie, wykorzystują druk cyfrowy po to, aby dać możliwość pełnej indywidualizacji projektów, także tych określanych jako małe serie oraz łączą w ramach jednej oferty wiele rozwiązań przełączających, podświetleń i całego know-how, aby mieć ofertę dla każdego klienta.

Na naszym rynku obecnych jest kilku producentów klawiatur, m.in. Qwerty, LC Elektronik, Horizon, Irga, Satori, Jagon, Frontica. Produkcja klawiatur dopasowanych do aplikacji, w pełni zintegrowanych z obudową także w małych seriach tworzonych na indywidualne zamówienie za pomocą druku cyfrowego od wielu lat jest podstawą biznesu krajowych wytwórców.

Modułowość i miniaturyzacja

Jednym z ważniejszych zjawisk widocznych na rynku elementów elektromechanicznych jest miniaturyzacja. Urządzenia i aplikacje elektroniczne stają się coraz mniejsze. Do tego się już przyzwyczailiśmy i traktujemy to jako coś oczywistego i naturalnego. Niemniej nie jest to trend ograniczony wyłącznie do elektroniki mobilnej ani nawet konsumenckiej, stąd rozwiązania elektromechaniczne, a więc przyciski, złącza, przekaźniki z każdą generacją stają się coraz bardziej kompaktowe. W przypadku klawiatur miniaturyzacja dotyczy większej skali integracji przełączników z podświetleniem, ekranami, opisami itp. Miniaturyzacja jest konieczna, gdyż bez niej możliwości aplikacyjne takich komponentów z czasem by malały, niemniej warto dostrzec, że proces ten nie ma wpływu na jakość rozwiązań, np. trwałość mechaniczną lub obciążalność i trwałość elektryczną. Podobnie jak jest to w złączach, postęp dokonuje się za pomocą lepszych materiałów i precyzji mechanicznej.

W przypadku przełączników przemysłowych, a więc tam, gdzie miniaturyzacja ma mniejsze znaczenie, rozwój technologii kieruje się często w stronę modułowości. W systemach takich, w ramach jednego rdzenia i pola przełączającego można zmieniać fronty, kształty klawiszy, podświetlenie, kolor, a także spinać kilka oddzielnych przycisków w bloki. To samo dotyczy zgodności akcesoriów, które zwykle są wspólne dla wielu różnych elementów. Zapewnia to możliwość komponowania rozwiązań przez klientów, a producentom pozwala nieco ograniczyć liczbę wersji, bo np. element przełączający może być wspólny dla całej grupy elementów.

Ogromny asortyment

Przełączników i przycisków na rynku jest mnóstwo, tak samo jak producentów i firm, które mają je w ofertach. Czołowi producenci mają licznych naśladowców, wiele innych firm korzysta z tego, że rynek jest chłonny i proponuje wielowariantowe rozwiązania, które w zamyśle mają pokryć większość potrzeb klientów. Brakuje standaryzacji, bo w praktyce dotyczy ona tylko tych najpopularniejszych produktów i tym samym standardem staje się to co jest popularne.

W przełącznikach i przyciskach nie funkcjonuje system modułowy, który pozwala na ograniczenie liczby części składowych, takich, jakie spotyka się w złączach. Przeciwnie, wiele produktów daje możliwość kompozycji spośród wielu typów. Za jedną pozycją kryją się dziesiątki wersji różniących się kształtem dźwigni, kapturkiem, stopniem ochrony, końcówkami łączeniowymi, kolorem podświetlenia. Utrudnia to dokonywanie wyborów, także zmianę produktu na inny, pochodzący od innego producenta, a także utrudnia promocję nowych rozwiązań.

Wersje wandaloodporne

Wandaloodporne przełączniki oraz klawiatury to specyficzny typ urządzeń, zaprojektowany z myślą o zastosowaniu w urządzeniach wystawionych na trudne warunki eksploatacji, obejmujące zarówno czynniki środowiskowe – kurz, wilgoć, wahania temperatur, jak i akty wandalizmu ze strony użytkowników – próby kradzieży oraz uszkodzenia. Istnieje wiele różnych sposobów konstrukcji wandalo odpornych komponentów, znakomita większość z nich ma jednak pewne cechy wspólne. Do najpowszechniejszych zaliczyć można:

• wytrzymała obudowa – tego typu komponenty umieszczone są zazwyczaj w obudowie wykonanej z wytrzymałych oraz trwałych materiałów, takich jak stal nierdzewna, aluminium lub wzmocnione tworzywo sztuczne. Konstrukcja obudowy zabezpiecza elementy wewnętrzne (w tym układy elektroniczne) przed nieautoryzowanym dostępem, znacząco utrudnia też wszelkie próby uszkodzenia urządzenia.
• wysoki poziom szczelności – większość wandaloodpornych układów charakteryzuje się również hermetycznością, zapewniającą odporność na czynniki środowiskowe, takie jak wilgoć oraz zapylenie.
• konstrukcja odporna na próby nieuprawnionej ingerencji – układy wandaloodporne z definicji muszą charakteryzować się wysoką odpornością na próby nieuprawnionej manipulacji. Oznacza to, że bez specjalistycznych narzędzi bardzo trudno je uszkodzić lub wyłączyć. Odporność taką osiąga się m.in. poprzez stosowanie wspomnianych już wzmocnionych obudów oraz specjalistycznych metod montażu.
• monostabilność – większość wandaloodpornych przełączników to przełączniki jednopozycyjne. Oznacza to, że zmieniają one swój stan w momencie naciśnięcia przycisku i powracają do stanu pierwotnego po jego zwolnieniu.
• większa wartość siły uruchamiającej – ze względu na swoją konstrukcję przełączniki i klawiatury wandaloodporne wymagają zazwyczaj większej siły uruchamiającej. Jest to jeden z minusów tego typu rozwiązań, mogący utrudniać korzystanie z nich niektórym użytkownikom.
• niski profil – przyciski wandaloodporne z reguły charakteryzują się małą wysokością. Jedynie nieznacznie (lub wcale) wystają ponad powierzchnię obudowy, co utrudnia wszelkiego typu manipulacje i modyfikacje ich konstrukcji.
• oświetlenie – dodatkowe podświetlenie pozwala na korzystanie w warunkach ograniczonego oświetlenia zewnętrznego, jak również wyświetlające opis klawiszy w sposób uniemożliwiający zatarcie, zamazanie lub modyfikację poszczególnych znaków.

Przyciski wandaloodporne wykonane są z reguły z trwałych i wytrzymałych materiałów, co przekłada się na wysoką żywotność tego typu konstrukcji. Są one ponadto odporne na szeroki zakres warunków środowiskowych, dzięki czemu dobrze nadają się m.in. do zastosowań przemysłowych.

Do głównych wad tego typu urządzeń zaliczyć można zauważalnie wyższy koszt niż w przypadku standardowych rozwiązań, jak również większą wymaganą wartość siły uruchamiającej. Korzystanie z wandaloodpornych przycisków wymaga od użytkownika nieco większej siły, co w niektórych sytuacjach może być kłopotliwe – szczególnie gdy przyciski te będą musiały być stosunkowo często używane przez osoby o ograniczonej sprawności fizycznej. Konstrukcje te mogą być ponadto nieco trudniejsze w montażu oraz późniejszej konserwacji – jakiekolwiek prace serwisowe wymagać będą dostępu do specjalistycznych narzędzi, co może niekiedy sprawiać problemy, np. w razie zaistnienia sytuacji awaryjnych.

Haptyka to przyszłość

Nadchodzącą nowością technologiczną w zakresie przełączników i klawiatur są elementy haptyczne. Mogą one dostarczać informacji zwrotnych w aplikacjach medycznych i przemysłowych a także realizować system ostrzeżeń, aby poinformować o potencjalnie niebezpiecznych warunkach. Przydają się w otoczeniu, gdzie jest duży poziom hałasu, użytkownik nosi grube rękawice, pod wodą itd. Obecnie funkcjonalności haptyczne, takie jak drgania oraz wibracje, znajdują szerokie zastosowanie w smartfonach (wibracja informuje np. o nadchodzącym połączeniu lub wiadomości), kontrolerach gier, urządzeniach medycznych, lotnictwie, robotyce, zabawkach, symulatorach i urządzeniach treningowych, ale można oczekiwać, że miniaturowe siłowniki wibracyjne (bazujące na silniku i wirującym ciężarku lub aktuatorze piezoelektrycznym) będą coraz częściej wspierać działanie przełączników i ekranów dotykowych.

Z kolei czujniki ToF (Time of Flight) pozwalają ocenić odległość palca od ekranu dotykowego. Z ich użyciem można ekran podświetlić, zanim zostanie dotknięty, wybudzić aplikację z uśpienia i poprawić możliwość obsługi w rękawicy. W wersji z laserem czujniki ToF mogą dokonywać wielu pomiarów odległości jednocześnie, tworząc mapę trójwymiarową zbliżającego się obiektu i w ten sposób zapewniając niewrażliwość na zakłócenia.

Na koniec warto wspomnieć, że pozwalają one na rozpoznawanie gestów, tworząc trójwymiarowy model obiektu, dostarczą danych dla komputera, który na podstawie serii pomiarów wykryje gest, czyli w praktyce ruchy dłoni. Takie nowe pomysły przede wszystkim poprawiają wady rozwiązań dotykowych (rękawica, opóźnienia, niepewność zadziałania w skrajnych warunkach środowiskowych).

Wyświetlacze i elektroniczny papier

Wyświetlacz to jeden z najważniejszych komponentów elektronicznych, a duża popularność i wiele obszarów zainteresowań sprawiają, że jednostki te są atrakcyjnym produktem dla sieci dystrybucji. W ich sprzedaży liczy się to, że ich ceny jednostkowe są w porównaniu do innych elementów stosunkowo wysokie, a ponadto wyświetlacz często jest komponentem kupowanym w pierwszej kolejności. Skoro wyświetlacz w praktycznie każdym większym urządzeniu stał się niezbędny, to w konsekwencji rynek tych produktów, zarówno od strony obrotów, jak i asortymentu, jest duży i szybko się rozwija w kilku kierunkach wyznaczanych przez technologie wyświetlania.

Bardzo szeroki asortyment

Charakterystyczną cechą rynku wyświetlaczy jest to, że czas życia poszczególnych technologii jest stosunkowo długi i nawet po okresie maksymalnej popularności poszczególne typy nie wypadają całkowicie na margines, dalej funkcjonując w niszach. Trudno odpowiedzieć, czy i w jakim stopniu szeroki dostępny asortyment wyświetlaczy kreuje nowe aplikacje, czy też ważniejszy jest proces odwrotny, w którym rozwój elektroniki i ekspansja na nowe rynki powoduje, że potrzeba coraz więcej tych jednostek. W sumie sprowadza się to do tego samego: mamy coraz większy asortyment jednostek wyświetlaczy, są one coraz tańsze, a więc dostępniejsze, mają coraz lepsze parametry w zakresie wizualizacji danych oraz odporności mechanicznej i środowiskowej. Graficzny interfejs użytkownika z ekranem dotykowym, znany z telefonów komórkowych i innych aplikacji konsumenckich, jest też wytrychem otwierającym drzwi do wielu nowych branż, np. inteligentnego budynku, systemów bezpieczeństwa i ochrony mienia, branży reklamy i oczywiście do przemysłu, czyli sektora w Polsce najbardziej wartościowego.

Granice wyznaczają z jednej strony wyspecjalizowane rozwiązania dążące do optymalizacji kosztowej konkretnego produktu. Drugi biegun należy do złożonych rozwiązań zawierających inteligentny sterownik, łatwych do adaptacji i wykonanych w formie modułowej. Nowe jednostki o coraz lepszych parametrach pojawiają się co chwila, a duża liczba producentów i dystrybutorów tworzy niezwykle konkurencyjny i zróżnicowany rynek. Dostęp do nowych technologii staje się coraz łatwiejszy, a ceny omawianych produktów stale się zmniejszają.

Mały pobór mocy jest kluczowy

Mały pobór mocy jest jednym z najbardziej istotnych trendów zmieniających współczesną elektronikę, a w aplikacjach mobilnych można go postrzegać jako kluczowy parametr decydujący o funkcjonalności. Dla rynku wyświetlaczy ograniczanie poboru mocy jest więc zagadnieniem bardzo istotnym, bo w większości urządzeń wyświetlacz jest obowiązkowy. Innymi słowy, nie ma wyjścia – wyświetlacz też musi pobierać małą moc i wiele zmian technologicznych, które można obserwować w ostatnich latach, jest temu podporządkowanych.

Technologie takie jak OLED, e-paper szybko zyskują popularność też na skutek nacisku na energooszczędność, a dzięki temu ceny takich jednostek się obniżają. Podstawowe wersje takich wyświetlaczy na tyle potaniały, że wybór OLED-a przestał już mieć znamiona jakiegokolwiek luksusu. Skoro opłacalne jest produkowanie elektronicznych metek (tzw. cenówek), wyświetlających ceny w supermarketach bazujących na wyświetlaczach e-papierowych, to znaczy, że bariera cenowa przestała istnieć. Poza wymienionymi dwoma typami producenci proponują jeszcze wersje bistabilne, które można postrzegać jako produkt o funkcjonalności podobnej do e-papierowych. Uzupełniają one elektroniczny papier tam, gdzie ma on jeszcze jakieś niedoskonałości techniczne lub kosztowe.

Przemysł, medycyna i branże profesjonalne

Na rynku jest coraz więcej wyświetlaczy w wersjach ukierunkowanych na aplikacje przemysłowe i profesjonalne. Mają one szerszy zakres temperatur pracy, większą jasność ekranu i trwałość, co pozwala używać ich przez wiele lat. W przypadku takich rozwiązań istotna jest też gwarantowana długoterminowa dostępność produktu (longevity), czyli że produkt będzie dostępny w sprzedaży przez długi czas. Dla wersji konsumenckich okres ten jest krótszy, a często w ogóle nie definiowany w specyfikacjach.

W ostatnich dwóch latach czas dostępności produktu na rynku dla wielu produktów uległ skróceniu. Aby jak najlepiej obsłużyć zapotrzebowanie rynku i skrócić długie czasy dostaw, producenci m.in. starali się jak najbardziej efektywnie wykorzystać park maszynowy. Wersje mniej popularne, nieprzyszłościowe były w ramach tego procesu wycofywane z ofert, ustępując miejsca nowszym lub bardziej potrzebnym na rynku. Proces ten przyspieszył w ostatnich dwóch latach i jak wspomniano, parametr longevity dla wielu jednostek się wyraźnie skrócił.

Takie zjawiska pogłębiają specjalizację rynku, gdyż teraz inżynierowie muszą uważniej dobierać produkt do aplikacji, kierując się także tym parametrem. Projektując aplikację przemysłową, która będzie wytwarzania przez dekadę, trzeba sięgać po wyświetlacze, które objęte są gwarancją dostępności.

Przez wiele lat oferta rynku w zakresie wyświetlaczy przemysłowych była wyraźnie uboższa od tej dostępnej dla rynku konsumenckiego. Jednostek przemysłowych było w ofertach nie wiele, zwłaszcza takich bardziej poszukiwanych: o większych rozdzielczościach, z matrycami IPS o szerokim zakresie temperatur pracy, o szerokim kącie obserwacji itd. Utrudniało to aplikację, degradowało tempo rozwoju rynku, a także tworzyło często patologie takie, że komponenty konsumenckie trafiały do urządzeń przemysłowych. Obecnie jest w tym zakresie duża poprawa.

Znaczenie wsparcia technicznego jest ogromne

Znaczenie wsparcia technicznego w dystrybucji wyświetlaczy jest bardzo duże, bo są to urządzenia skomplikowane, w których istotnych jest wiele szczegółów, a wybór optymalnego rozwiązania staje się niełatwy i czasochłonny. Ponieważ czasu ciągle brakuje, producenci elektroniki oczekują, że dostawca, zanim sprzeda im produkt, skonsultuje wybór i przyspieszy pracę za pomocą różnego typu narzędzi: dostarczy próbek, narzędzi, płytek startowych, oprogramowania.

Produkt optymalny od strony technicznej, a więc wybrany po przewertowaniu katalogów, niekoniecznie musi być najlepszy do danej aplikacji, gdyż pewne jednostki są popularne, szeroko dostępne i magazynowane lokalnie, na inne trzeba długo czekać. Wybór techniczny musi uwzględniać też ceny, bowiem jednostki produkowane przez wielu producentów są tańsze.

Jeszcze inny problem to ryzyko zakończenia produkcji. Użycie do nowego produktu wyświetlacza, który za niedługo wypadnie z oferty (przestanie być produkowany lub zostanie zastąpiony nową wersją), to wielkie ryzyko i koszty. Takie informacje dostępne z dużym wyprzedzeniem są u dystrybutorów, stąd wsparcie techniczne nie polega tylko na przekazaniu informacji technicznej, ale pokazaniu, które produkty są warte zainteresowania w danych aplikacjach i perspektywiczne (bezpieczne).

Wsparcie aplikacyjne wiąże się z uzyskaniem gotowych do użycia płytek zawierających projekty referencyjne. Stanowią one przykłady do naśladowania, są demonstracją dobrych praktyk projektowych i dają szansę tego, aby na początku pracy nie popełnić drobnej, ale trudnej do znalezienia pomyłki. Liczne zestawy startowe, będące nierzadko kompletną aplikacyjną platformą sprzętową oraz oprogramowanie i biblioteki procedur w wielu przypadkach sprawiają, że nakład pracy wymaganej do obsługi wybranych popularnych modeli wyświetlaczy graficznych z panelem dotykowym jest porównywalny z tym, jaki kiedyś trzeba było poświęcić na obsługę prostych modułów znakowych z wbudowanym kontrolerem. W ten sposób projektowanie aplikacji z wyświetlaczem zmienia się bardziej w integrację, ale takie działanie ma jedynie zalety.

Wielu dostawców wyświetlaczy

Rynek wyświetlaczy w Polsce jest podzielony pomiędzy klientów preferujących tanie, azjatyckie rozwiązania oraz takich, dla których liczy się jakość i pewność produktu oraz obsługi. Jest to segment bardzo szeroki, a producentów na tyle dużo, że każdy przedsiębiorca może nawiązać współpracę z jakimś producentem i stać się dystrybutorem. Niemniej płaszczyzna handlowa jest jedynie małą częścią tego biznesu. Przy sprzedaży wyświetlaczy widać wyraźnie znaczenie kompetentnego wsparcia technicznego, stąd kompetentni inżynierowie po stronie dystrybutora i nierzadko także dodatkowa pomoc i próbki ze strony producenta przesądzają o kupnie tego lub innego produktu oraz o współpracy z klientem. Dział wsparcia technicznego znający się na wyświetlaczach jest też jednym z bardziej widocznych różnic pomiędzy zwykłymi firmami handlowymi a specjalizowanymi dostawcami. Pozycja rynkowa dostawców specjalizowanych rośnie też wraz z rozwojem technologii. Przykładem takich firm mogą być Unisystem, Gamma, White Electronics, Artronic lub Masters. Każda z tych firm jest autoryzowanym dystrybutorem znanej marki. Poza dostawcami specjalizowanymi na rynku działa grupa kilkudziesięciu firm handlowych, z których większość sprzedaje podzespoły elektroniczne, a wyświetlacze są częścią – mniejszą lub większą. Są to głównie dostawcy katalogowi (Farnell, Digi-Key, Mouser Electronics, TME, RS Components, Conrad Electronic, Elfa Distrelec) oraz duże firmy hurtowe (Elhurt, Micros, Arrow Electronics).

Wersje dopasowane do aplikacji

Elektronika mobilna, noszona, aplikacje IoT, sprzęt medyczny to przykłady urządzeń, w których konstrukcja wyświetlacza jest zintegrowana z obudową, często w nierozdzielną całość, tj. przyklejona do szyby lub przezroczystej części obudowy, tak połączenie było odporne na wpływ środowiska, narażenia mechaniczne wynikające z użytkowania oraz aby było estetyczne. Częściowe lub pełne dopasowanie do projektu klienta wyświetlaczy TFT, OLED oraz paneli dotykowych polega na dostosowaniu kształtu, rozmiaru, koloru oraz innych parametrów technicznych. Takie wersje dostarczają specjalizowani dostawcy wyświetlaczy w połączeniu z możliwościami, jakie zapewniają im producenci. Koszty takich modyfikacji z roku na rok maleją, dostępność i oferta stale się poszerzają i tym samym takie usługi stają się bardziej przystępne.

Złącza elektroniczne

Popyt na złącza i ciągle rosnący rynek kształtują w największej części zmiany w elektronice, jak rosnąca złożoność układowa, coraz większa penetracja rozwiązań mechatronicznych i robotyzacja w przemyśle, miniaturyzacja i modułowość konstrukcyjna oraz podobne. Postępujące skomplikowanie przekłada się na wzrost zapotrzebowania na złącza i zjawisko to nie zmienia się od lat. Sam rynek produktów OEM też rośnie w dobrym tempie, przewyższającym zwykle istotnie średnioroczny wzrost gospodarczy, a spory potencjał Polski w zakresie produkcji EMS oraz usług outsourcingowych w zakresie produkcji wiązek kablowych też jest wsparciem dla rozwoju. Rynek od strony produktów też wydaje się skomplikowany, bo brak standardów przy ogromnej liczbie dostępnych elementów, a nawet przy braku wspólnego systemu oznaczeń powoduje, że niewielu inżynierów dobrze się orientuje w tej tematyce.

Wsparcie techniczne

W warunkach, gdy asortyment złączy jest bardzo duży, mamy dziesiątki (jak nie setki) producentów, marek, serii, kluczową sprawą w doborze produktu jest kompetentne wsparcie techniczne. Zamiast przekopywać się przez dziesiątki stron internetowych, platform sprzedażowych, często łatwiej i szybciej jest zapytać przez telefon specjalistę, co poleciłby do danego zastosowania. Przekazanie problemu doboru złącza specjalistom pracującym w sieci dystrybucji lub przedstawicielom producenta, poza aspektami technicznymi, jest zasadne z punktu widzenia dostępności elementu, tego, czy może być wybierany do nowych projektów i będzie produkowany przez dłuższy czas, czy jest popularny i zamawiany przez wielu klientów i podobnych względów. Popularne złącze zamawiane przez wiele firm jest zwykle dostępne z buforowego magazynu lokalnego i tym samym zapewnia małe ryzyko.

Dobór złącza do aplikacji wymaga też wsparcia po stronie mechanizmów informatycznych w platformach sprzedaży. Wyszukiwarki parametryczne są stale rozbudowywane i pozwalają wybierać produkty po coraz większej liczbie kryteriów, takich jak marka, typ, raster, liczba pinów, obciążalność lub montaż. Liczba pól, które można zaznaczyć, aby ograniczyć liczbę wyników u czołowych dostawców, z roku na rok się zwiększa i bardzo dobrze, że tak się dzieje. Skoro oferty liczą się w tysiącach pozycji, nie ma innej metody, aby szukanie elementu nie zamieniło się w wyczerpujący czasowo koszmar.

Złącza silnoprądowe

Złącza silnoprądowe to najczęściej wersje kabel-kabel lub kabel-panel, w której jedna część jest mocowana do obudowy. Obudowa może być okrągła lub prostokątna, z metalu oraz tworzywa, zawierać różną liczbę pinów oraz raster i mieć różną obciążalność, a także sposób montażu przewodu. Elementy te są dostępne w wersji prostej i kątowej, Można powiedzieć, że na rynku da się kupić praktycznie każdą kombinację wielkości i rodzaju tych komponentów.

Drugą i mniejszą pod względem potencjału część asortymentu tworzą złącza o dużej obciążalności, przeznaczone do montażu na płytce drukowanej jako element przewlekany oraz także SMT. W tym drugim przypadku wlutowane w płytkę złącze jest jeszcze zwykle mocowane do obudowy urządzenia lub stabilizowane za pomocą obejmy, co zapewnia stabilność mechaniczną połączenia.

Ważną część rynku złączy silnoprądowych, zwłaszcza w aplikacjach z elektroniki i oświetlenia, tworzą ponadto terminal-bloki. Są to modułowe złącza kablowe z zaciskiem śrubowym lub sprężynowym do montażu na PCB. Występują jako wersje kątowe, rozłączalne, do montażu SMT i THT, a także jako rozwiązania pozwalające zamontować więcej niż jeden przewód w styku. Znaleźć je można w ofertach wielu producentów, zarówno u tanich chińskich dostawców, jak u wiodących światowych producentów. Terminalbloki to produkty o dużej uniwersalności i szerokim spektrum zastosowań. Ich obciążalność prądowa sięga kilkudziesięciu amperów na pin, co pokazuje, że mogą być stosowane w wielu różnych aplikacjach.

Jeszcze inną grupę produktową stanowią elementy połączeniowe przeznaczone do montażu na szynie DIN. Są one bazą do tworzenia systemów i instalacji w przemyśle, automatyce, energetyce i można je znaleźć w wielu obudowach, szafach technicznych, rozdzielniach itp. Zainteresowanie nimi to pochodna i konsekwencja ogólnego zainteresowania urządzeniami tego typu, do których zaliczają się przekaźniki, sterowniki, wyłączniki, transformatory i inne podobne komponenty, które dzięki wąskiej standardowej obudowie, którą się łatwo zatrzaskuje na metalowym wsporniku, zyskały uznanie rynku. Złącza na szynę pozwalają na wygodne okablowanie takich instalacji i mają postać wąskich płaskich elementów, które można składać w większe zespoły, podobnie jak spaja się terminal bloki. Mają też możliwość wewnętrznego połączenia biegunów, co ułatwia tworzenie dystrybucji zasilania poprzez stworzenie szyny.

Złącza przemysłowe są najbardziej wartościowe

Nietrudno się domyślić, że złącza przeznaczone do pracy w przemyśle stanowią obszar rynku złączy sygnałowych o największym potencjale, gdyż w kraju zależność ta dotyczy większości komponentów i urządzeń. Wymagania klientów z tego obszaru są wysokie, produkty bardziej zaawansowane, droższe i jakościowo nienaganne. Wyróżniają się odpornością środowiskową, dużą trwałością i jakością oraz także dobrym dopasowaniem konstrukcji mechanicznej do warunków panujących w halach produkcyjnych i pracy działów utrzymania ruchu. Coraz więcej producentów i dystrybutorów jest zainteresowanych tym obszarem rynku, obojętnie czy chodzi o część sygnałową, czy silnoprądową.

Złącza optyczne

Złącza optyczne pozwalają na precyzyjne połączenie dwóch fragmentów rdzenia światłowodu w taki sposób, aby umożliwić niemal bezstratną transmisję sygnału pomiędzy nimi. Sygnałem tym jest fala świetlna, w przeciwieństwie do złączy elektrycznych, gdzie przesyłany jest sygnał elektryczny. Transmisja sygnału świetlnego wymaga znacznie większej precyzji w dopasowaniu mechanicznych elementów złącza.

Niemal każdy z najpopularniejszych standardów złączy, takich jak SC, LC, FC, ST, SN, występuje w dwóch różnych wariantach: UPC (Ultra Physical Contact) i APC (Angled Physical Contact). Różnica między nimi polega na kącie spolerowania czoła ferruli: przy UPC czoło jest płaskie, zaś przy APC jest ono spolerowane pod kątem 8º dla ograniczenia skali zjawiska odbicia sygnału. Przekłada się to na różnicę w zachowaniu sygnału odbitego w złączu – w złączu typu UPC odbija się on z powrotem do źródła, zaś w złączu typu APC pochłaniane jest przez płaszcz włókna. Co do zasady złącza APC są zazwyczaj droższe, charakteryzują się jednak niższym poziomem tłumienia sygnału.

Miniaturyzacja w złączach

Współczesna elektronika jest coraz bardziej złożona, a jednocześnie mniejsza, lżejsza, bardziej mobilna. W obudowach jest coraz mniej miejsca, bo trzeba zmieścić ogromną liczbę podzespołów, pojemny akumulator, system chłodzenia, dodatkowy filtr lub ekran i oczywiście duży wyświetlacz. Złącze, podobnie jak przekaźnik to element, który pod względem wymiarów jest relatywnie duży w porównaniu do reszty elektroniki i jak nietrudno dostrzec, zaczyna też wielkością przewyższać zaawansowane półprzewodniki mocy.

Nowoczesne złącza muszą być więc coraz mniejsze, w efekcie wiele nowych konstrukcji pod względem precyzji wykonania, upakowania i rozwiązań konstrukcyjnych detali mechanicznych przypomina pod kątem precyzji i zaawansowania szwajcarskie zegarki. Trend na upakowanie pinów i mniejsze rastry jest bardzo silny. Szczególnie imponujący postęp nastąpił w ostatnich latach w złączach międzypłytkowych (mezzanine connectors), elementów łączących PCB z taśmą elastyczną i rozwiązań do szybkich interfejsów cyfrowych, np. USB typu C lub LVDS. W nich piny mają grubość włosa, a raster nie wykracza poza 0,5 mm. Obudowy nowoczesnych konstrukcji omawianych elementów są mniejsze dzięki większej precyzji wykonania detali, lepszym tworzywom sztucznym oraz wyrafinowanej konstrukcji mechanicznej, np. zapewniającej możliwość korekcji położenia wtyku w stosunku do gniazda i ograniczenie naprężeń mechanicznych.

Z pewnością w przyszłych latach znaczenie miniaturyzacji w złączach cały czas będzie się utrzymywać, a kolejne wersje produktów będą jeszcze mniejsze. Granice wyznaczają konsumenckie urządzenia mobilne i skoro w nich udało się producentom dokonać wielu widowiskowych zmian, rynek nie zawaha się podnieść poprzeczki oczekiwań dla reszty aplikacji.

Pozytywnym aspektem wiążącym się z miniaturyzacją jest wzrost zaawansowania technicznego wypychający z rynku słabszych producentów pod względem stosowanej technologii oraz w pewnym stopniu eliminujący też tandetę. Miniaturowe elementy nie dają szansy osiągnięcia znaczących oszczędności materiałowych, a jednocześnie wymagają posiadania parku maszynowego najwyższej klasy.

Standardy branżowe wpływają na rynek złączy

W zakresie złączy sygnałowych widać, że z roku na rok na rynku funkcjonuje coraz więcej typów elementów o specjalizowanej konstrukcji pod kątem zastosowań i standardów. Rynek kieruje się ku specjalizacji, a ona wymusza tworzenie konstrukcji dopasowanych do wymagań aplikacyjnych, np. do nowej wersji interfejsu komunikacyjnego, do specyficznego czujnika itd. Poszerza to asortyment i pozwala producentom na ucieczkę technologiczną do przodu, w kierunku zaawansowania technicznego elementów połączeniowych, unikatowych rozwiązań styku, z drugiej strony niestety skraca czas życia produktów.

Nowości w złączach to także szybki montaż: przewodu i elementu na płytce. Szybkie techniki montażu dotyczą też wersji optycznych (do światłowodów). Są to trendy widoczne od dekady, ale ponieważ cały czas zmieniają one branżę i są inspiracją dla producentów do rozwoju, nieustannie postrzega się je jako nowość. W branży złączy procesy upowszechniania się nowości technologicznych trwają dość długo. Być może jest to wynik tego, że w omawianych elementach przełomy zdarzają się mniej więcej raz na wiele lat, poza nimi trwa mozolna ewolucja polegająca na doskonaleniu poszczególnych produktów, modernizacjach istniejących wersji.

Podobnie coraz więcej typów jest dostosowywanych do montażu automatycznego. Powodem są oczywiście duże koszty pracy ręcznej i problemy z utrzymaniem jakości montażu ręcznego. Duże elementy, jak złącza, przekaźniki, elementy indukcyjne, zalicza się do tych, które cały czas opierają się automatyzacji. Oczywiście na rynku są wersje SMD, niemniej nie zawsze można ich użyć bez analizy długoterminowej jakości mechanicznej połączenia.

Szybki montaż dotyczy też wersji w.cz., a więc tych do kabla koncentrycznego. Producenci dostarczają tutaj przyrządy do ściągania izolacji o odpowiedniej długości z poszczególnych warstw i żyły środkowej oraz tworzą mechanizmy złącza ułatwiające zamocowanie. W sprzedaży są też odcinki przewodu z jednej strony zakończone złączem, których można użyć do podłączenia anteny, lutując jeden koniec.

Elementy złączy z odcinkami przewodu są poszukiwane także w przypadku wersji miniaturowych z końcówkami do zaciskania i służą do wykonywania prototypów i małych serii produkcyjnych. Zaciskanie jest tanią techniką mocowania przewodu (jeśli chodzi o materiały i pracochłonność) i zapewniają bardzo wysoką jakość połączeń. Niemniej wymaga posiadania oprzyrządowania, co przy małych seriach jest nieopłacalne. Złącza o małym rastrze wymagają też urządzeń o bardzo wysokiej precyzji, dlatego w tym przypadku elementy wiązek kablowych są bardzo użyteczne.

D o technologii szybkich połączeń należy zaliczyć też nowatorskie rozwiązania połączeń magnetycznych, w których gniazdo i wtyk mają wbudowane magnesy trwałe zapewniające silne połączenie mechaniczne po zetknięciu obu części. Rozwiązanie jest ciekawe, ale upowszechnia się powoli, z uwagi na liczne ograniczenia patentowe.

Jakość to najważniejszy termin w złączach

Bezsprzecznie jednym z ważniejszych zjawisk biznesowych na całym rynku elektroniki w ostatniej dekadzie jest ogromny wzrost presji na jakość, czyli na trwałość, powtarzalność, dokładność wykonania, zgodność produktów ze specyfikacją i zamówieniem itd. W złączach trend ten jest szczególnie istotny, bo jakość jest głównym orężem do walki z podróbkami, chińską tandetą, kiepskimi zamiennikami itd.

Wielu dostawców konkuruje ze sobą praktycznie tylko ceną i niestety walka o koszty zaopatrzenia dzieje się tutaj kosztem jakości. Skutkuje serią negatywnych konsekwencji, które specjaliści określają jako tzw. psucie rynku. Poza wpadkami jakościowymi (krótka trwałość, niestabilna konstrukcja, parametry wykraczające poza specyfikację, podatność na wpływ środowiska, kiepskie materiały pochodzące ze złomu, niedokładne wykonanie i podobne), takie elementy wypychają z rynku wyroby dobre.

Zainteresowanie jakością to splot wielu czynników, m.in. bogacenia się krajowych przedsiębiorców, coraz większej wymiany handlowej z zagranicą, dużego potencjału usług EMS realizowanych na zlecenie partnerów zagranicznych i rosnących wymagań klientów. Jakość to też wartość dodana do specjalistycznej produkcji oraz sposób na konkurowanie na rynku czymś więcej niż ceną. W przypadku złączy jest to szczególnie istotne, bo często są to elementy, które pełnią krytyczną funkcję konstrukcyjną i ich awaria oznacza całkowity brak działania.