Komponenty indukcyjne
Podzespoły indukcyjne determinują osiągi urządzeń z zakresu konwersji mocy, a więc dążenie do minimalizacji strat energii, ułatwiają miniaturyzację urządzeń, a także zapewniają zgodność z wymaganiami norm w zakresie EMC. Stąd rozwój elektromobilności, systemów energii odnawialnej, elektroniki użytkowej sprzyja znacząco temu segmentowi rynku. Zapotrzebowanie na komponenty o wysokiej jakości i stabilności płynie ponadto z aplikacji IT, telekomunikacji, energoelektroniki i oczywiście sektorów specjalnych: wojska, lotnictwa.
Najważniejsze czynniki negatywne
Listę najważniejszych czynników negatywnych dla rozwoju rynku otwierają tanie produkty dalekowschodnie, czyli głównie standardowe dławiki i cewki do układów mocy i filtrów, których niska cena ogranicza możliwość rozwoju rozwiązań zaawansowanych. Tanie wersje standardowe są kłopotem dla firm dystrybucyjnych, natomiast producenci komponentów indukcyjnych zmagają się z rosnącymi kosztami pracy, cenami materiałów oraz zapewne koniecznością stałego inwestowania w maszyny do produkcji. Dla wszystkich problemem jest silna konkurencja, bo omawiany sektor rynku przyciąga coraz to nowych graczy. Długie czasy dostaw nadal są wskazywane jako czynnik negatywnie oddziałujący na rynek, a asortyment omawianych produktów jest na tyle ogromny, że wyklucza możliwość m
Wymagania jakościowe stale się zwiększają
Wymagania w elementach indukcyjnych są bardzo istotne z kilku powodów. Po pierwsze, narażenia mechaniczne, a więc wibracje i udary, wywołują naprężenia w uzwojeniach i rdzeniu, i prowadzą do pękania, rozklejania rdzeni oraz rozszczelnienia zalew i uszkodzeń izolacji. Elementy te mają nierzadko dużą masę, przez co przeciążenia mechaniczne wynikające z drgań są problemem dla jakości w aspekcie długoterminowym. Podobnie negatywnie na konstrukcję oddziałują zmiany temperatury i wilgotności, które dodatkowo są w stanie pogorszyć z czasem jakość izolacji. Zjawisk fizycznych, które w perspektywie są w stanie negatywnie wpłynąć na jakość, jest wiele, na przykład obciążenie dużą mocą uzwojeń, bo płynące duże prądy powodują nagrzewanie, wysokie napięcia niszczą izolację na skutek mikrowyładowań oraz wyładowań niezupełnych (koronowych), a wysokie wartości indukcji magnetycznej na skutek efektu magnetostrykcji mogą wywołać piski. Takie problemy są codziennością dla producentów podzespołów indukcyjnych, ale szczęśliwie coraz większa świadomość projektantów elektroniki pomaga w rozwoju rynku w kierunku tak rozumianej długoterminowej jakości.
Oczywiście im większa moc, większe upakowanie elementów, im ciaśniejszy montaż oraz dłuższy projektowany czas eksploatacji, tym zagadnienia jakościowe są bardziej istotne. Niestety nie da się wielu aspektów skontrolować podczas kupowania, bo danych na temat żywotności długoterminowej nie ma w dokumentacji lub są to zagadnienia niezweryfikowane. Efekty starzeniowe dotyczą wszystkich materiałów, niemniej niejednakowo i w różnym nasileniu, stąd estymacja matematyczna jest bardzo kłopotliwa. Zamiast niej stosuje się testy starzeniowe, a więc eksploatuje sprzęt przez pewien czas w warunkach stresu (wysoka temperatura, maksymalna moc, wilgotność, promieniowanie), a potem przelicza godziny pracy w stresie lub czas do pierwszej awarii na "zwykłe" warunki pracy.
Trendy techniczne w podzespołach indukcyjnych
Główne trendy techniczne w elementach indukcyjnych to miniaturyzacja i wynikające z niej coraz większe zaawansowanie techniczne. Widać to najbardziej w dławikach mocy w obudowach SMD, w których nie ma karkasu ani też widocznego podziału na rdzeń i uzwojenie. Taki element jest zaprasowaną jednolitą konstrukcją o dobrym ekranowaniu, rozpraszaniu ciepła przy najmniejszych możliwych gabarytach. Podobnie nowoczesne materiały magnetyczne także sprzyjają miniaturyzacji, gdyż umożliwiają osiągnięcie większych gęstości mocy oraz działają przy wyższych częstotliwościach. Z kolei dostępność wielu gotowych rozwiązań katalogowych upraszcza konstrukcję wielu aplikacji i zmniejsza ryzyko projektowe przez dostępność scharakteryzowanych i przetestowanych elementów. Komponenty dostępne "z półki" są tańsze i można je kupić bez konieczności długiego czekania na realizację zamówienia. Dają też lepsze możliwości wyboru i zmiany dostawcy.
Takie podejście pozwala ocenić kompleksowo jakość projektu elektroniki, wskazać najsłabsze punkty konstrukcyjne, w tym także dokonać oceny jakości materiałów i komponentów. Niemniej jest to spory wysiłek, któremu może podołać producent podzespołów lub urządzenia. Badania starzeniowe urządzeń stają się w elektronice coraz bardziej powszechne i popularne, a wiele firm inwestuje w komory klimatyczne, potwierdzając zainteresowanie jakością.
Warto zauważyć, że jeśli mówimy o wpływie temperatury na działanie urządzenia, to zwykle mamy na myśli jej wysoką wartość. Pełne badania klimatyczne i ocena jakości komponentów i urządzeń wymaga jednak obserwacji działania także przy temperaturach ujemnych. Już –20ºC dla wielu kiepskich materiałów chemicznych i tworzyw jest problemem, bo wywołuje utratę plastyczności i sztywność połączeń, pękanie izolacji. W dalszej kolejności badania jakości obejmują narażenia na UV, kurz, aerozole, narażenia mechaniczne itd. Jak widzimy, kompleksowa ocena jakości to wielki wysiłek badawczy.
Elementy na zamówienie
Im bardziej wymagająca aplikacja, większa moc, poziomy napięć i prądów, tym większe znaczenie dla zapewnienia dużej funkcjonalności mają elementy indukcyjne produkowane według indywidualnej specyfikacji. Zapewniają one najlepsze parametry użytkowe poprzez dopasowanie do warunków montażu w obudowie i do wymagań elektrycznych. Elementy na zamówienie są także najmniejszym kompromisem projektowym. Głównie chodzi o transformatory impulsowe, w mniejszym stopniu, ale dalej w istotnej części o dławiki mocy. Dla większości krajowych firm produkcyjnych jest to oś aktywności biznesowej.
Standardowe elementy indukcyjne są produkowane w dużej części automatycznie, za pomocą specjalistycznych urządzeń, drogich i złożonych, ale bardzo wydajnych. Na skutek dużej konkurencji marże przy sprzedaży elementów typowych są niskie, co wymusza działanie na dużych seriach i sprzedaż w skali globalnej. Z kolei produkcja na zamówienie opiera się na małych i średnich seriach, na wyrobach niestandardowych, a więc wymaga parku maszynowego o mniejszym stopniu automatyzacji. Od strony inwestycyjnej jest to rozwiązanie tańsze, czyli znajduje się w zasięgu inwestycyjnym także mniejszych firm, bo jak wiadomo, ceny wszystkich urządzeń produkcyjnych są bardzo wysokie. W przypadku tych całkowicie automatycznych ceny liczone są w milionach i to nie złotych.
Zjawiska pozytywne dla rozwoju rynku
Za najważniejszy czynnik prorozwojowy dla rynku elementów indukcyjnych uznano presję na jakość i zaawansowanie techniczne w branży, co sprzyja popytowi na elementy kastomizowane i projektowane pod aplikację, wykorzystujące nowoczesne materiały magnetyczne i techniki nawijania. Takie wersje stanowią awangardę produktową rynku, są cenniejsze od typowych produktów katalogowych. Znajdująca się na drugim miejscu impulsowa konwersja energii elektrycznej jest standardem i podwaliną wielu nowoczesnych aplikacji, a rozwój tego obszaru techniki jest wprost pochodną dostępności zaawansowanych indukcyjności, stąd jej wysoka pozycja jest naturalna w takim zestawieniu. W dalszej kolejności na wykresie uplasował się szybki rozwój rynku elektroniki i związana z nim większa komplikacja, gęstość upakowania, parametry (wydajność) podzespołów indukcyjnych.
Przez lata taki pomysł na biznes dobrze się sprawdzał i zapewniał szybki rozwój, zwłaszcza że producenci krajowi równoważyli mniejszy potencjał produkcyjny większymi kompetencjami inżynierskimi. Dopiero w ostatnich dwóch latach na skutek rosnących kosztów pracy, ograniczonej dostępności kadry i dużej konkurencji na rynku ta koncepcja działalności daje nieco gorsze wyniki. Nie bez znaczenia jest to, że asortyment wersji katalogowych bardzo się rozrósł i w większej liczbie przypadków daje się użyć czegoś z półki.
W naszym kraju nawijanie transformatorów i dławików na zamówienie dostępne jest również w przypadku zamawiania małych ilości, również pojedynczych sztuk przeznaczonych do układów prototypowych, co też jest jakimś elementem przewagi, bo wiele urządzeń kierowanych na rynek przemysłowy jest z definicji małoseryjna.
Wsparcie techniczne jest bardzo istotne
W przypadku systemów konwersji energii elektrycznej bardzo istotne jest kompetentne wsparcie techniczne, faktycznie pełniące funkcję konsultacji i weryfikacji inżynierskich pomysłów. Nie da się ukryć, że osiągnięcie wysokich parametrów w przypadku systemu zasilania, przy niskim koszcie, łatwości produkcji od strony technologicznej, a także w takim aspekcie, aby projekt bazował na dostępnych bez kłopotu materiałach, nie jest łatwe. O pomyłkę, przeszacowanie lub niedopatrzenie projektowe jest bardzo łatwo, bo niezawodne przełączanie dużych mocy wymaga uwzględnienia wielu zjawisk, w tym zapanowania nad stanami nieustalonymi wynikającymi z niesymetrii, reaktancji pasożytniczych oraz pracy na krawędzi możliwości materiałów magnetycznych.
Wsparcie techniczne zawsze było i jest czynnikiem wspierającym sprzedaż w każdym sektorze, niemniej w tym obszarze jego znaczenie jest szczególne, bo tematy związane z impulsowymi systemami zasilania, materiałami magnetycznymi i zjawiskami zachodzącymi w elementach indukcyjnych są bezsprzecznie trudne.
Ważne i poszukiwane wersje
W zakresie elementów indukcyjnych za najbardziej poszukiwane wersje wykonania uznano elementy "małe, ale wydajne", a więc przeznaczone do montażu powierzchniowego, bazujące na nowoczesnych materiałach magnetycznych, które mają dużą indukcję nasycenia i mogą pracować z dużymi prądami roboczymi. Takiego typu dławiki i transformatory przeznaczone są do elektroniki dużej mocy, konwerterów, ładowarek, napędów i podobnych urządzeń, gdzie liczy się duża gęstość mocy. Na drugiej pozycji uplasowały się wersje zalewane i impregnowane, a więc odporne na czynniki środowiskowe, czyli zapewniające poszukiwaną na rynku trwałość. Zalewanie i impregnowanie poprawiają ponadto odprowadzanie ciepła i znakomicie ograniczają emisję akustyczną wywołaną efektem magnetostrykcyjnym oraz drganiem uzwojenia, co jest bardzo istotne w układach oświetleniowych. Trzeci czynnik, płaskie i upakowane, to podzbiór kryterium pierwszego, jeszcze bardziej uwypuklający znaczenie miniaturyzacji.
Miniaturyzacja
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 rośnie. Nowoczesne elementy indukcyjne są bardzo istotnym elementem takich zmian, gdyż 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.
Poza układami konwersji energii cała reszta elementów indukcyjnych też jest coraz mniejsza. Dotyczy to filtrów, cewek w.cz., dławików lub transformatorów sygnałowych, które nie mogą górować gabarytami nad resztą elektroniki. Dążenie do miniaturyzacji widać w tym, jak wiele mamy dzisiaj na rynku kształtek ferrytowych o płaskiej i zwartej konstrukcji oraz karkasów z końcówkami do montażu SMT.
Miniaturyzacja zaciera też typowy podział konstrukcyjny na rdzeń, karkas i uzwojenie. Karkas i wyprowadzenia integruje się z rdzeniem, a uzwojenie umieszcza w środku zamkniętej konstrukcji magnetycznej po to, aby poprawić stopień ekranowania oraz odporność środowiskową. Tym samym wiele nowoczesnych podzespołów indukcyjnych wizualnie wygląda tak, jakby składały się wyłącznie z rdzenia. Jest to ważne z punktu zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej, gdyż niewielkie, ale wydajne aplikacje dużej mocy działają przy dużych częstotliwościach. Pozwala to użyć mniejszych elementów indukcyjnych, ale jednocześnie wymusza zapewnienie lepszej ochrony przed emisją zaburzeń.
Kompatybilność elektromagnetyczna
Poza miniaturyzacją na rynek pozytywnie oddziałują zagadnienia związane z kompatybilnością elektromagnetyczną. W układach impulsowych panowanie nad emisją jest ważną i niełatwą częścią pracy inżynierskiej, dlatego każde rozwiązanie układowe lub komponent, które wyraźnie w tym pomaga, jest w tych działaniach cenną pomocą. Widać to między innymi po tym, że konstrukcja elementów indukcyjnych staje się zwarta i zabudowana materiałem magnetycznym, a uzwojenia są ukrywane we wnętrzu, bo ogranicza to zaburzenia. Konstrukcje otwarte, takie jak dławiki szpulkowe, są wypierane przez rozwiązania na rdzeniach toroidalnych, można też powiedzieć, że mamy renesans rdzeni o kształtach podobnych do kubkowych – patrz też ramka.
Cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu elementów indukcyjnych
Zestawienie najważniejszych czynników ofert branych pod uwagę przez klientów poszukujących elementów indukcyjnych otwiera oczywiście cena, co jest standardem we wszystkich takich rankingach dotyczących podzespołów elektronicznych. Drugą pozycję na wykresie zajęła jakość wykonania, a trzecią termin dostawy komponentów. Kolejne pola o wskazaniu już poniżej 50% uwypuklają znaczenie wersji na zamówienie, co jest cechą szczególną rynku elementów indukcyjnych i podstawą biznesu dla producentów krajowych, znaczenie długotrwałej współpracy z dostawcą, jego kompetencje techniczne i zapewniane wsparcie techniczne. Za praktycznie nieistotne uznano kryteria takie jak długoletnia współpraca z dostawcą lub możliwość kompleksowego zaopatrzenia w jednym miejscu, co przekonuje, że nie ma dzisiaj miejsca na sentymenty. Może to być też sygnał, że dostawcy wykorzystują stałe relacje i warunki handlowe w ten sposób, że dla nowych klientów są często lepsze.
Wysoka sprawność
Postęp w miniaturyzacji urządzeń elektronicznych, w tym także systemów zasilających (zasilaczy, ładowarek, przetwornic, falowników, napędów silników), powoduje, że rośnie zainteresowanie technologiami i rozwiązaniami zapewniającymi wysoką sprawność konwersji energii elektrycznej. Im jest ona lepsza, tym mniej wydziela się ciepła i całość może być mniejsza i bardziej upakowana. Ponadto przy dużej sprawności łatwiej jest zapewnić działanie w szerokim zakresie temperatur, bez wymuszonej konwekcji itd. Duża sprawność jest też kluczem do długiego czasu działania urządzeń zasilanych z baterii oraz na drugim biegunie do ograniczenia kosztów eksploatacji systemów dużej mocy.
Sprawność to także klucz do efektywnej miniaturyzacji, gdyż im mniej wydziela się ciepła w elementach, tym ciaśniej można je umieszczać. Kluczem do uzyskania małych strat są nowoczesne półprzewodniki oraz elementy indukcyjne wykonane na małostratnych materiałach magnetycznych pracujących na wysokich częstotliwościach.
Co z transformatorami sieciowymi?
Transformatory sieciowe były i będą potrzebne we współczesnej technice, bez względu na moc wyjściową, ale bez żadnych wątpliwości ich znaczenie maleje. Ze sprzętu konsumenckiego zniknęły całkowicie, bo nie są w stanie spełnić wymagań w zakresie minimalnej sprawności i mocy standby wymaganej przez regulację prawną dotyczącą Ekoproduktu. Obecnie zapotrzebowanie rynku pochodzi z aplikacji wymagających wysokiej jakości i niezawodności oraz długoterminowej dostępności źródeł zasilania, czego przykładem mogą być systemy alarmowe, zasilacze buforowe do akumulatorów, systemy kontroli dostępu do obiektów. W takich aplikacjach transformatory zapewniają dużą odporność na zaburzenia pojawiające się w sieci zasilającej (zwłaszcza na przepięcia podczas burz) i potrafią pracować bezawaryjnie przez długie lata. Druga grupa urządzeń, która w dużej części bazuje na tradycyjnych zasilaczach z transformatorami, to wszelkiego rodzaju precyzyjna aparatura pomiarowa lub sprzęt medyczny, gdzie elementy te wybiera się z uwagi na to, że nie generują zaburzeń elektromagnetycznych i pozwalają na znaczące ograniczenie prądu upływu i potencjału dotykowego. Elementy te sprawdzają się też tam, gdzie trzeba zapewnić dobrej jakości separację galwaniczną obwodów od sieci lub zapewnić kilka separowanych od siebie obwodów zasilających. Są też używane w urządzeniach audio.
Oczywiście nie są one aplikowane we wszystkich wymienionych obszarach, tylko raczej tam jeszcze mają szansę na użycie, bo formalnie jest to już produkt niszowy.
======
