Zasilacze na szynę DIN
Zasilacze na szynę DIN to jednostki, które wyróżniają się specjalną obudową, w której tylnej części umieszczony jest zaczep pozwalający na zamocowanie jej na metalowej szynie o szerokości 35 mm. Mocowanie polega na przyciśnięciu obudowy zasilacza do szyny. Jej specjalny kształt przypominający spłaszczoną literę U – tzw. top hat i zatrzask w obudowie powodują, że zamocowanie następuje automatycznie i nie wymaga narzędzi. Rozmiar szyny i kształt zatrzasku są znormalizowane (stąd właśnie nazwa DIN od Niemieckiego Instytutu Normalizacyjnego – Deutsches Institut für Normung), dzięki czemu zasilacze w takich obudowach pasują do każdej skrzynki instalacyjnej dowolnego producenta.
Na szynie DIN mocowane są także bezpieczniki, wyłączniki, kontrolki, przekaźniki i sterowniki. Asortyment takich produktów jest bardzo szeroki, ich wybór ogromny, przez co system montażu na szynie DIN stał się bardzo popularny w ostatnich latach w aplikacjach przemysłowych, automatyce domowej i budynkowej. Poszczególne jednostki zasilające tego typu mają przyłącze śrubowe w dolnej i górnej części obudowy, a podłączenie do instalacji odbywa się za pomocą przewodów.
Zasilacze o największym potencjale rynkowym
Z naszego badania ankietowego wynika, że największą popularnością na rynku cieszą się zasilacze w obudowie na szynę DIN, a także falowniki, ładowarki do akumulatorów. Obudowa przeznaczona do montażu na szynie to obecnie jedno z najpopularniejszych rozwiązań technicznych wykorzystywanych w instalacjach przemysłowych. W wersji "na szynę" dostępnych jest wiele typów aparatury i urządzeń, w tym także zasilacze o mocy nawet do 500 watów. Ten segment rynku jest ukierunkowany na aplikacje przemysłowe i budynkowe, i bardzo szybko się rozwija. W kolejnych latach będziemy mogli obserwować wiele nowych produktów o zaawansowanej funkcjonalności.
Szyna DIN służy przede wszystkim do czysto mechanicznego mocowania oraz łączenia elementów, nie pełniąc zazwyczaj żadnej elektrycznej funkcji w systemie. Największą siłą systemu montażowego opartego na szynie DIN jest wysoki poziom standaryzacji. Rozwiązanie to było projektowane oraz rozwijane z myślą o całkowitej kompatybilności urządzeń pochodzących od różnych producentów. Decydując się na skorzystanie z tej technologii, zarówno projektant układu, jak i jego instalator mogą mieć praktycznie stuprocentową pewność, że poszczególne elementy systemu montażowego będą ze sobą kompatybilne, bez względu na nazwę ich producenta. Dzięki temu z ogromną łatwością korzystać można z komponentów oferowanych przez różnych wytwórców, integrując je wszystkie w jeden system.
Sytuacja na rynku krajowym
Polski rynek zasilaczy jest bardzo zróżnicowany co do wymagań i funkcjonalności zasilacza. Widać na nim wiele procesów, które są skierowane przeciwstawnie do siebie i będących źródłem dużej dynamiki zjawisk. Z jednej strony specjaliści w branży zdają sobie sprawę, że coraz bardziej wyszukana elektronika i układy sterowania oraz transmisji danych wymagają pewnego i niezawodnego zasilania, z drugiej strony istnieje ciągła presja na cenę. Stąd można powiedzieć, że mamy dwa segmenty. Jeden to rynek świadomych inżynierów szukających zaawansowanych zasilaczy dopasowanych do konkretnej aplikacji pod względem: wyśrubowanych parametrów, dopuszczeń, możliwego zdalnego dostępu oraz ich trwałości i marki producenta. Z drugiej strony mamy rynek hurtowni i przetargów publicznych, którego podstawowym kryterium jest cena.
Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rynku zasilaczy
Czynniki pozytywnie wpływające na rynek to stale zwiększająca się presja na jakość i wzrost zaawansowania technicznego urządzeń elektronicznych. W dużej mierze jest to proces powiązany z rosnącymi wymaganiami klientów, którzy mają świadomość, jak wiele zależy od dobrego zasilacza lub mają już za sobą eksperymenty z produktami z dolnej półki. Drugim ważnym aspektem jest szeroki asortyment produktów katalogowych dostępnych na rynku, w tym także jednostek specjalizowanych, co umożliwia optymalne dobranie zasilacza do aplikacji bez sięgania po kompromisy.
Liczba odbiorników energii rośnie i z tematem zapewnienia zasilania w praktyce musi się zmierzyć każdy, ale zainteresowanie tematyką, poziom wiedzy dostawców i odbiorców nie idzie z tym w parze. Im zagadnienie dotyczy zasilaczy mniejszej mocy, tym niestety negatywnych zjawisk i problemów widać więcej.
Na rynku nadal dostępne są zasilacze niskiej jakości, które mogą stanowić zagrożenie dla stabilności i bezpieczeństwa systemów. Szeroka gama dostępnych modeli zasilaczy o różnych specyfikacjach i cenach może utrudniać konsumentom dokonanie odpowiedniego wyboru, zwłaszcza bez odpowiedniej wiedzy technicznej.
Czynniki o charakterze negatywnym dla rynku zasilania
Główne problemy rynku zasilania to silna konkurencja na rynku, brak pieniędzy na inwestycje i oszczędności zakupowe oraz tanie i kiepskie zasilacze dalekowschodnie, które konkurują cenowo z lepszymi produktami markowymi. Pierwsze dwa czynniki są ze sobą oczywiście powiązane, gdyż gorsza sytuacja na rynku i oszczędności inwestycyjne znacznie zaostrzają konkurencję. Negatywny wpływ na rynek kiepskiej jakości zasilaczy polega na tym, że bazują na tanich elementach, są słabo zabezpieczone przed stanami nieustalonymi, przez co są wrażliwe na uszkodzenia, a oszczędności na materiałach prowadzą do pracy na krawędzi możliwości i podatności na awarie. Sytuacje komplikuje to, że w Chinach produkowane są zasilacze kiepskie, dobre i te czołowe markowe jednostki o znakomitej funkcjonalności. Co więcej, tamtejsi producenci mają w ofercie lepsze zasilacze dla klientów wymagających i słabe dla tych, którzy są zainteresowani niską ceną. Utrudnia to znacznie ocenę jakości.
Zasilacze na szynę DIN – cechy charakterystyczne
W uproszczeniu można założyć, że asortyment takich jednostek daje się przyporządkować do jednej z trzech grup:
- plastikowe małe o wysokości 92 mm i mocy wyjściowej 5‒150 W. Szerokość tych zasilaczy zmienia się razem z mocą wyjściową od 17,5 mm do ok. 120 mm. Głębokość to ok. 58 mm.
- plastikowe średnie o wysokości 92 mm, ale większej głębokości tj. 100 mm. Moc wyjściowa to 10‒100 W.
- duże metalowe o wysokości 125 mm, mocy wyjściowej od 75 do 500 W.
Plastikowe małe przeznaczone są do systemów automatyki domowej i budynkowej, systemów alarmowych, pozostałe kierowane są do rozwiązań automatyki przemysłowej.
Oczywiście wymiary i typ obudowy tworzą pierwszą oś selekcji produktu. W dalszej kolejności trzeba zdefiniować parametry elektryczne (moc, napięcie) oraz funkcje użytkowe, takie jak sygnalizacja stanu, regulacja, zabezpieczenia. Zasilacze różnią się typem i liczbą zacisków przyłączy, obsługiwanym zakresem napięć sieci, zakresem temperatur pracy, deratingiem parametrów w skrajnych warunkach specyfikacji, bezpieczeństwem oraz parametrami elektrycznymi.
Dwa zasilacze o identycznej specyfikacji elektrycznej mogą się różnić typem przyłączy, które w omawianych produktach pełni ważną funkcję. Zasilacze na szynę DIN są montowane w skrzynkach instalacyjnych, stąd szybkość oraz jakość montażu okablowania jest istotnym wyróżnikiem tych produktów.
Najważniejsze cechy brane pod uwagę przy kupnie zasilaczy przez klientów
W zestawieniu najważniejszych kryteriów branych pod uwagę przez klientów przy selekcji zasilacza i dostawcy na szczycie uplasowała się cena ze wskazaniem 100%. Kolejne cztery kryteria z bardzo dużym udziałem w ankietach to parametry techniczne, jakość, termin dostawy oraz certyfikaty. Wykres stanowi doskonałe tło do tego, czym dzisiaj żyje rynek i jak podchodzi do wyboru produktu: wyłącznie utylitarnie "najlepszy zasilacz za najmniejszą cenę" i bez sentymentu do relacji ze sprzedawcą. Zestawienie pokazane na rysunku potwierdza też, że rynek zasilania ma już wyłącznie charakter katalogowy, bo zapotrzebowanie na zasilacze o indywidualnych właściwościach jest pomijalne.
Kolejnym ważnym aspektem jest sygnalizacja stanu. Omawiane jednostki działają w systemach automatyki, których działanie musi być nadzorowane. Zanik zasilania wywołany brakiem napięcia sieci lub przeciążeniem wyjścia bardzo często powinien wywołać alarm i interwencję służb utrzymania ruchu. Do tego zadania w zasilaczach instaluje się przekaźnik, którego styki są wyprowadzone na złącze wyjściowe i mogą zostać połączone z alarmem.
Standardem w jednostkach DIN jest możliwość regulacji napięcia wyjściowego w niewielkim zakresie, pozwalająca na kompensację spadku napięcia na okablowaniu. Im mniejsze napięcie wyjściowe zasilacza, tym taka regulacja jest bardziej potrzebna. W zasilaczach dużej mocy na szynę DIN pojawiają się możliwości poprawy niezawodności zasilania. Są na rynku dostępne jednostki pozwalające na podłączenie napięcia sieci z dwóch faz, na zasilanie napięciem międzyfazowym w bardzo szerokim zakresie lub na współpracę z siecią trójfazową. Zasilanie z dwóch faz jest ciekawą opcją poprawy niezawodności, gdyż przy zaniku jednej fazy dalej są w stanie dostarczać napięcie wyjściowe.
Automatycy docenią także możliwość chwilowego przeciążania ułatwiającą integrację zasilaczy z silnikami i napędami. Taka opcja pojawia się w zasilaczach większej mocy i jest to wyróżnik aplikacyjny. Wszystkie zasilacze konsumenckie i najprostsze jednostki na szynę DIN w obudowach plastikowych reagują na chwilowe przeciążenie sekundowym wyłączeniem napięcia wyjściowego. Przeciążenie aktywuje układ ochronny, który wyłącza zasilacz na moment, a potem uruchamia go ponownie z nadzieją, że przeciążenia już nie będzie.
Główne zjawiska techniczne w zasilaczach
Duża sprawność i miniaturyzacja są najważniejszymi trendami technologicznymi wyznaczającymi kierunek rozwoju branży zasilania. Duża sprawność determinuje w kolejności wiele ważnych parametrów użytkowych i technicznych zasilaczy: niższe opłaty za energię, mniejsze nagrzewanie itd. Małe wymiary to lepsza możliwość integracji jednostek, co zawsze jest w centrum zainteresowania klientów i pośrednio determinuje rozwój produktów. Duże znaczenie certyfikatów i świadectw potwierdzających spełnianie wymagań jest efektem tego, że na rynku jest wiele produktów o kiepskiej jakości, awaryjnych, niedostatecznie zabezpieczonych. Takie zasilacze konkurują cenowo z jednostkami jakościowymi, a potem stają się problemem. Stąd kupujący coraz częściej interesują się, czy zasilacz ma udokumentowaną jakość i specyfikację.
Ten tryb zabezpieczenia nazywa się terminem hiccup (czkawka), a po polsku "próbkowaniem". Zasilacze tolerujące chwilowe przeciążenie nie wyłączają się nawet na moment. Zamiast tego przechodzą w tryb stabilizacji prądu lub mocy i ich napięcie wyjściowe tylko trochę się zmniejsza. Utrzymują one ciągłość zasilania, co w automatyce bywa kluczowe.
Chwilowe przeciążanie o kilkanaście– kilkadziesiąt procent jest użyteczne przy sterowaniu maszynami wyposażonymi w silniki indukcyjne lub innymi odbiornikami, np. z dużą składową pojemnościową na wejściu. Pozwala to uniknąć przewymiarowana konstrukcji i kupowania zasilacza ze sporym zapasem mocy. Wiele aplikacji potrzebuje jej przez krótki czas, a przykładem mogą być zawory, rygle oraz siłowniki, i w takiej sytuacji niewielka jednostka zasilająca z możliwością przeciążania jest w rozrachunku znacznie tańsza. Gdy wymagane jest chwilowe silne przeciążanie zasilacza, w układzie najczęściej pojawiają się superkondensatory.
Taką funkcjonalność ma niewiele zasilaczy i można powiedzieć, że jest to cecha zaawansowanych jednostek średniej i dużej mocy na szynę DIN.
Sprawność zasilacza na szynę to najważniejszy parametr
Sprawność zasilaczy na szynę DIN jest bardzo istotnym parametrem tych jednostek z kilku powodów. Po pierwsze, im jest ona większa, tym zasilacz może dostarczać więcej mocy przy tych samych wymiarach (większa gęstość mocy), a wymiary zasilacza są w tym przypadku bardzo limitowane przez montaż. Duża sprawność jest też gwarancją niezawodności, bo warunki środowiskowe panujące w skrzynkach instalacyjnych nie są łagodne. Upakowanie komponentów, słaba wentylacja wywołują znaczący wzrost temperatury.
W klimatyzowanych halach produkcyjnych duża sprawność jest jeszcze bardziej istotna, gdyż wytwarzane ciepło wymaga usunięcia z obiektu za pomocą systemu klimatyzacji, co jest kosztowne.
Wysokosprawny zasilacz oznacza często też małą awaryjność, a więc pośrednio jakość. Takie jednostki mało się grzeją i ich podzespoły nie są tak obciążone cieplnie. Są mniejsze, a więc też mogą być tańsze w produkcji, bo nie potrzeba do nich dużych radiatorów. Mogą też działać w szerszym zakresie temperatur, nie wymagają chłodzenia wymuszonego. Także ograniczenia na moc wyjściową przy skrajnych temperaturach otoczenia stają się łagodniejsze (brak lub niewielki derating).
Główne problemy rynku zasilania
Głównym problemem rynku jest nienajlepsza sytuacja w gospodarce europejskiej i krajowej. Wpływ wojny na Ukrainie oraz niestabilna sytuacja w łańcuchach dostaw nie są w tym obszarze biznesu ważne. Rynek cierpi na brak popytu, wyhamowanie lub przesuwanie w czasie projektów i inwestycji oraz z powodu oszczędności. Warto dostrzec, że kiepska sytuacja w gospodarce europejskiej oceniona została oceniona jako czynnik sporo ważniejszy od rynku krajowego. Przez wiele lat sprzedaż usług i produktów na eksport, praca na rzecz kontrahentów z Europy Zachodniej były dla wielu polskich firm czynnikiem łagodzącym fluktuacje koniunktury w kraju, a dla wielu firm były osią działalności. Ten czynnik dzisiaj nie oddziałuje na rynek.
Zasilacze na szynę DIN nie są objęte wymaganiami Ekoprojektu i w praktyce sprawność minimalna nie jest wymuszana prawnie. Niemniej dla wielu jednostek tego typu i tak jest ona lepsza niż ustawowe minimum. Zasilacze o mocy ponad 100 W mają z reguły średnią sprawność 90%, a te o mocy ponad 250 W nawet 92%. Upowszechnienie się podzespołów mocy z azotku galu powinno jeszcze bardziej pozwolić na poprawę sprawności zasilaczy.
Derating – ważny termin
Derating to termin oznaczający konieczność zmniejszenia wartości znamionowych zasilacza w skrajnych warunkach działania. Chodzi o to, że znamionowe parametry, takie jak moc wyjściowa, w przypadku, gdy temperatura jest bardzo wysoka, napięcie sieci energetycznej jest niskie, są mniejsze. W przypadku zasilaczy na szynę DIN derating jest naturalną częścią specyfikacji i dotyczy bardzo wielu typów. Z reguły, im większa moc wyjściowa, tym derating jest silniejszy.
Ograniczenia deratingu podawane są w specyfikacji w różnej formie. Najczęściej są to wykresy, takie jak moc wyjściowa w funkcji temperatury otoczenia, ale zdarzają się też uwikłane wzory, np. –2% mocy znamionowej na każdy stopień temperatury otoczenia ponad 60°C.
Korekcja współczynnika mocy
Korektor współczynnika mocy jest dzisiaj częścią większości zasilaczy o mocy powyżej 100 watów, zasilaczy teleinformatycznych oraz wybranych jednostek napięciowych średniej i dużej mocy do zastosowań profesjonalnych. O konieczności korekcji kształtu prądu pobieranego z sieci decydują wymagania prawne, nakładające obowiązek minimalizacji poziomu zaburzeń (harmonicznych) wprowadzanych do sieci energetycznej oraz potrzeba minimalizacji mocy biernej, za którą się płaci dodatkowo w rachunku za prąd. Dla jednostek zasilaczy na szynę DIN korekcja PFC jest więc ważna, bo działają one w obiektach niekategoryzowanych jako prywatne, czyli tam, gdzie się za moc bierną płaci i często nie są to małe sumy.
Korekcja PFC w zasilaczach pomaga też opanować stabilność sieci energetycznej pod kątem progów i typów zabezpieczeń, co jest ważne w miejscach, w których pracuje wiele zasilaczy. Innymi słowy, jest to funkcjonalność cenna i stanowi wyróżnik produktów w zakresie zaawansowania. Minusem PFC jest większa komplikacja układowa zasilacza, co niestety przekłada się na wielkość takiej jednostki i cenę. Stąd na rynku są zasilacze z PFC lub bez. Do 100 watów mocy wyjściowej można założyć, że PFC raczej nie będzie, powyżej 150 watów można oczekiwać, że korekcja z dużym prawdopodobieństwem będzie.
Jakość zasilaczy – po czym ją poznać?
Jakościowo dobry zasilacz to taki, który się nie grzeje, jest zabezpieczony skutecznie przed przepięciami i ma dobrze działające filtry przeciwzakłóceniowe, dobre (markowe) kondensatory i trwałe złącza. Dobry zasilacz ma zabezpieczenia wyjścia przed odwrotną polaryzacją, blokadę możliwości niekontrolowanego wzrostu napięcia w czasie uszkodzenia, dodatkowe kondensatory blokujące wyjście, które obniżają poziom szumów i zakłóceń.
Zasilacze jakościowe wyposaża się dzisiaj we wszechstronne układy zabezpieczające, rozbudowane filtry wejściowe, sterowniki zapewniające sygnalizację stanu zasilacza i podobne obwody działające na tyle skutecznie, że awaria na skutek przeciążenia, stanu nieustalonego lub zwykłego błędu podczas montażu instalacji staje się praktycznie niemożliwa.
Dobry zasilacz ma też zabezpieczenie termiczne, które chroni jego działanie przed uszkodzeniem bądź przez czasowe wyłączenie lub przez derating, czyli obniżenie prądu wyjściowego do bezpiecznego poziomu.
Użyteczne są zwielokrotnione zaciski wyjściowe lub też możliwość podłączenia dwóch dodatkowych przewodów pomiarowych bezpośrednio do zacisków obciążenia w zasilaczach niskonapięciowych wysokoprądowych (tzw. czteroprzewodowe połączenie kelwinowskie).
Najbardziej zaawansowane jednostki, wyposażone w interfejsy cyfrowe, pozwalają nie tylko na wszechstronne monitorowanie aktualnego stanu czy sterowanie włączaniem/wyłączaniem, ale również ustawienie i odczyt wielu parametrów pracy, takich jak napięcie, prąd wyjściowy czy progi zadziałania zabezpieczeń. Niemniej 99% asortymentu rynkowego takich możliwości nie ma.
Więcej funkcjonalności przy większej gęstości mocy
Zasilacze impulsowe montowane na szynie DIN dostarczają energii dla wrażliwych układów i systemów, pomiarowych i przemysłowych, w tym do rozproszonych instalacji zasilanych z różnych sieci. W takich obszarach ważna jest wzmocniona izolacja, gwarantująca mały prąd upływu i niski potencjał resztkowy na masie. Zasilacz o wzmocnionej izolacji jest w stanie zapewnić stabilność i jakość działania układów pomiarowych i wiele jednostek ma dzisiaj izolację dwukrotnie bardziej odporną w stosunki do wymagań norm, a prąd upływu mniejszy od maksymalnego dopuszczalnego nawet 2…3-krotnie.
Szeroki zakres napięcia wejściowego to kolejny parametr, który wiele mówi o jakości zasilacza. Standard większości jednostek to 100‒240 V AC, te lepsze działają w zakresie 85‒265 V AC , a najlepsze w jeszcze szerszych widełkach napięcia, po to, aby można było zasilać je napięciem międzyfazowym, nawet do 500 V AC. Nawet jeśli nie korzystamy z sieci innej niż 230 V AC, to gdy zakres dopuszczalnych napięć jest szeroki, korzystnie przekłada się to na odporność zasilacza na krótkotrwałe zaniki napięcia i przepięcia.
Zasilacze na szynę DIN do zasilania gwarantowanego
Pojęcie "zasilanie gwarantowane" odnosi się w uproszczeniu do systemów, w których zanik głównego napięcia sieci energetycznej nie prowadzi do wyłączenia systemu. Zwykle takie zasilanie jest realizowane za pomocą zasilacza UPS, który jest specjalizowaną przetwornicą z akumulatorem zdolną do podtrzymania napięcia sieci. Drugi popularne rozwiązanie to zasilacz napięcia stałego, który ma na wyjściu dodany akumulator podtrzymujący stałe napięcie wyjściowe. Jest to zasilacz buforowy, który typowo dostarcza 12 V napięcia stałego i współpracuje z kwasowo-ołowiowym akumulatorem żelowym. Takie zasilacze występują też w wersji do montażu na szynie DIN. Pozwalają one w razie potrzeby dołączyć akumulator i stworzyć podtrzymanie napięcia wyjściowego. Takie specjalistyczne zasilanie gwarantowane zyskuje na popularności, bo z jednej strony rośnie liczba urządzeń wymagających podtrzymania zasilania (np. elementy infrastruktury teleinformatycznej takie jak switche lub modemy), a z drugiej strony moc pobierana przez takie urządzenia jest coraz mniejsza. Nierzadko też wymagany czas podtrzymania zasilania nie musi być długi.
Zasilacze współpracujące z akumulatorem mają rozbudowane funkcje kontrolne i sygnalizacyjne. Są to wskaźniki naładowania i rozładowania, obecności napięcia sieci, wyjścia przekaźnikowe do załączania alarmów oraz podobne.
Co do zasady akumulator jest w takim układzie elementem osobnym, dołączanym do zasilacza buforowego za pomocą kabla. To jedyne sensowne rozwiązanie przy małej ilości miejsca w obudowie na szynę i przy dość wysokiej temperaturze panującej w skrzynce instalacyjnej.
W temacie zasilania gwarantowanego na szynie DIN warto jeszcze wspomnieć o modułach redundantnych. Są to sumatory energii na diodach idealnych wykonanych na MOSFET- ach. Do sumatora można podłączyć dwa lub więcej zasilaczy. Gdy jeden przestanie działać, energię zapewni alternatywne źródło. Takie rozwiązanie może być użyteczne w instalacjach przemysłowych, gdzie mamy kilka sieci energetycznych, a więc trzy fazy. Zanik jednej linii nie musi wówczas wyłączyć krytycznej infrastruktury. Jedyny problem z takimi modułami sumującymi polega na tym, że trzeba mieć koncept na ich wykorzystanie, aby była z tego wymierna korzyść dla instalacji. Wcale nie jest to takie proste, jak się pozornie wydaje.
