Elementy indukcyjne i transformatory sieciowe poprawiają osiągi elektroniki

Dławiki, cewki, filtry, transformatory impulsowe i sieciowe determinują osiągi urządzeń w wielu sektorach elektroniki, wspierają najważniejsze trendy rozwojowe, a więc dążenie do minimalizacji strat energii, ułatwiają miniaturyzację urządzeń, a także zapewniają zgodność z wymaganiami norm w zakresie EMC.

Są one kluczowym podzespołem dla rynku zasilania impulsowego, będącego podstawą elektroniki przenośnej, systemów oświetlenia ledowego i centralnego podzespołu wielu aplikacji stacjonarnych, zarówno tych konsumenckich, jak i profesjonalnych.

Charakterystyczną cechą rynku elementów indukcyjnych jest duże rozproszenie, zarówno jeśli chodzi o produkty, jak i ich dostawców. Asortyment jest bardzo szeroki, a producentów wielu, co widać przede wszystkim w zakresie produktów typowych, jak np. dławiki (sygnałowe i mocy) oraz filtry. Ten obszar rynku obsługują głównie dystrybutorzy, którzy mają silną pozycję, zwłaszcza jeśli chodzi o rozwiązania małosygnałowe.

Z kolei krajowi producenci działają w obszarze głównie komponentów do systemów mocy i transformatorów impulsowych i zajmują się przede wszystkim wytwarzaniem elementów na zamówienie, do prototypów, małych i średnich serii produkcyjnych oraz rozwiązań, gdzie liczy się spełnienie wymagań jakościowych i norm bezpieczeństwa.

MINIATURYZACJA JEST NAJWAŻNIEJSZYM CZYNNIKIEM PROROZWOJOWYM

Nie trzeba robić wielkich badań, aby przekonać się, że współczesne urządzenia elektroniczne są z generacji na generację coraz mniejsze, a znaczenie elektroniki mobilnej stale się zwiększa. Trend miniaturyzacji dotyczy też systemów zasilania i przemysłowych urządzeń energoelektronicznych, których gęstość mocy sukcesywnie z każdą kolejną generacją rośnie.

Nowoczesne półprzewodniki i elementy indukcyjne są niezbędne do takich zmian, bo za postępem technicznym kryją się bardzo często 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.

Branże o największym potencjale zakupowym dla elementów indukcyjnych i transformatorów sieciowych

 

Podzespoły indukcyjne mają na tyle szerokie spektrum zastosowań, że pojawiają się praktycznie w każdej branży elektroniki. Wartościowo za najcenniejszy sektor został uznany obszar automatyki przemysłowej, zapewne z uwagi na wysokie wymagania klientów i ich oczekiwania co do jakości, a także gdy poziom zaawansowania technicznego i mocy układów kierowanych do takich zastosowań jest relatywnie większy niż gdzie indziej. Warto zauważyć, że w tym obszarze wykorzystuje się cały czas transformatory sieciowe, przez co słupek dla tej kategorii jest zapewne nieco wyższy. Poza tym reszta branż ma mniej więcej wyrównane wskazania, proporcjonalne do potencjału rynkowego, co jeszcze raz potwierdza ogólne spostrzeżenia, że transformatory i dławiki mają charakter uniwersalny.

Mały płaski transformator z uzwojeniami nawiniętymi licą lub płaskownikiem miedzianym z rdzeniem otaczającym praktycznie całe uzwojenie jest rozwiązaniem, do którego się dąży we współczesnych rozwiązaniach systemów zasilania.

Poza układami konwersji energii cała reszta elementów indukcyjnych też musi być coraz mniejsza. Dotyczy to filtrów, cewek w.cz., dławików lub transformatorów sygnałowych, które nie mogą górować gabarytami nad resztą elektroniki. Miniaturyzacja ma nawet wpływ na transformatory sieciowe, tyle że niewielki i daleki od spektakularnych osiągnięć widocznych w rozwiązaniach do aplikacji impulsowych.

EMC TO KOLEJNY ISTOTNY CZYNNIK PROROZWOJOWY DLA RYNKU

Poza miniaturyzacją na rynek elementów indukcyjnych pozytywnie oddziałują zagadnienia związane z kompatybilnością elektromagnetyczną. Spośród wielu innych czynników na ten warto zwrócić uwagę, ponieważ wymagania w zakresie emisji zaburzeń są dzisiaj elementem zapewnienia jakości, a nie bezsensownym i niepotrzebnym wymogiem, którego spełnienia się unika lub obchodzi. Panowanie nad emisją jest ważną i niełatwą częścią pracy inżynierskiej i każde rozwiązanie układowe lub komponent, które wyraźnie w tym pomaga, jest w tych działaniach cenną pomocą.

WYMAGANIA JAKOŚCIOWE STALE SIĘ ZWIĘKSZAJĄ

Szybki rozwój rynku elektroniki i to, że rozwiązania na niej bazujące pojawiają się w coraz to nowych obszarach techniki i branżach, prowadzą do wzrostu wymagań jakościowych stawianych przed urządzeniami elektronicznymi, a w konsekwencji przed wszystkimi wchodzącymi w ich skład elementami.

Zależność ta wynika też z tego, że sprzęt elektroniczny pełni w naszym życiu coraz bardziej odpowiedzialną funkcję, np. jest instalowany w energetyce, telekomunikacji, medycynie, a straty, do jakich dochodzi w przypadku niedostępności usług lub awarii sprzętu w takich obszarach, są coraz wyższe.

Dotyczy to także trudno dostępnych miejsc instalacji, w jakich elektronika się pojawia i gdzie nie zawsze ma dobre warunki środowiskowe podczas działania. Przykładem może być oświetlenie ledowe, gdzie wzrost temperatury wywołany kiepską wentylacją w miejscu instalacji jest w stanie zdegradować w krótkim czasie konstrukcję.

W elementach indukcyjnych zagadnienia te 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.

Główne trendy techniczne w elementach indukcyjnych

 

W zestawieniu najważniejszych czynników technicznych odpowiedzialnych za rozwój rynku elementów indukcyjnych na szczycie ulokowała się miniaturyzacja, niemniej pozostałe dwie kategorie, a więc wysokie zaawansowanie techniczne oraz wersje do montażu SMT, także są z nią silnie powiązane. Podobnie nowoczesne materiały magnetyczne także sprzyjają miniaturyzacji, gdyż umożliwiają osiągnięcie większych gęstości mocy oraz działają przy wyższych częstotliwościach. Z kolei dostępność wielu gotowych rozwiązań jest cenna w tym obszarze, bo upraszcza konstrukcję wielu aplikacji i zmniejsza ryzyko projektowe przez dostępność scharakteryzowanych i przetestowanych elementów. Komponenty do systemów impulsowych dostępne „z półki” są tańsze i można je kupić bez konieczności długiego czekania na realizację zamówienia. Dają one też lepsze możliwości wyboru i zmiany dostawcy. Widać to przede wszystkim w dławikach, gdzie liczba typów szybko się zwiększa i dobranie do danej aplikacji czegoś gotowego jest coraz łatwiejsze.

Podobnie negatywnie na konstrukcję oddziałują zmiany temperatury i wilgotności, które dodatkowo są w stanie pogorszyć z czasem jakość izolacji, niemniej zjawisk fizycznych, które w długiej perspektywie wpływają na jakość elementów, jest więcej.

Ich wpływ na jakość zwiększa się też wraz z obciążeniem mocą, bo płynące duże prądy powodują nagrzewanie, wysokie napięcia niszczą izolację na skutek mikrowyładowań oraz wyładowań niezupełnych (koronowych), a duże wartości indukcji magnetycznej na skutek efektu magnetostrykcji mogą wywołać przykre dla ucha piski.

Takie problemy są codziennością dla producentów podzespołów indukcyjnych, ale coraz większa świadomość projektantów elektroniki pomaga w rozwoju rynku w kierunku długoterminowej jakości, bo wiadomo, czego można wymagać i za co się płaci.

WIĘKSZA ŚWIADOMOŚĆ RYNKU

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.

Na jakie transformatory sieciowe jest największy zbyt na rynku polskim?

 

Największy popyt na rynku w zakresie transformatorów sieciowych jest na wersje zalewane małej mocy oraz na transformatory o średniej mocy. Te pierwsze są relatywnie niedrogie i dostępne do montażu na PCB. W przypadku transformatorów sieciowych zapotrzebowanie rynku kreują aplikacje wymagające 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 wysokoenergetyczne 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.

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.

KRAJOWI PRODUCENCI

 

Przegląd ofert dostawców podzespołów indukcyjnych

Podzespoły indukcyjne to obszar biznesowy, w którym mamy kilku producentów krajowych, jak na przykład Feryster, AET, Neotech, Telzam, Elsit lub Polfer PI, wytwarzające cewki, dławiki, transformatory. Ich pozycja rynkowa i widoczny na przestrzeni ostatnich lat rozwój, w sytuacji gdy na rynku dystrybucji jest mnóstwo katalogowych wyrobów gotowych, z pewnością daje do myślenia.

Podstawą ich biznesu jest szybka produkcja komponentów na zamówienie, wysoka jakość usług zapewniająca wysokie parametry użytkowe w wymienionych zastosowaniach po to, aby trafić z produkcją do wymagających aplikacji np. przemysłowych.

W Polsce produkuje się głównie małe i średnie serie, różnorodne wyroby i wielowariantowe rozwiązania, dlatego krajowi producenci często wygrywają z dystrybucją szybkością realizacji zamówień liczoną w dniach, a nie w tygodniach.

Drugi czynnik sprzyjający producentom kryje się w szerokim asortymencie podzespołów indukcyjnych. Jest ich wiele, nawet gdy ograniczymy się do typowych dławików, niemniej jakościową zmianę dla biznesu zapewniają transformatory impulsowe. W większości przypadków uzyskanie dobrych parametrów aplikacyjnych wymaga użycia transformatora o indywidualnych właściwościach w zakresie kształtu i materiału rdzenia, układu uzwojeń (liczby zwojów, indukcyjności oraz liczby uzwojeń).

W dalszej kolejności są to wymagania w zakresie odporności środowiskowej, zakresu temperatur pracy, jakości izolacji, układu wyprowadzeń, ekranowania, montażu i podobne. Jak widać, liczba parametrów, które charakteryzują transformatory impulsowe jest wyjątkowo duża w porównaniu do innych podzespołów elektronicznych oraz także elementów elektromechanicznych, jak złącza lub przekaźniki.

W takich warunkach nie da się stworzyć oferty katalogowej, no może poza paroma najpopularniejszymi typami, które nie zmieniają tego obrazu relacji rynkowych, a w praktyce są jedynie wyjątkiem potwierdzającym regułę.

W transformatorach impulsowych na rynku krajowym rządzą więc producenci, którzy zapewniają dobrą jakość i dostępność usług oraz 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 banalne.

Najważniejsze dla klientów cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu elementów indukcyjnych

 

Zestawienie najważniejszych cech ofert handlowych w zakresie podzespołów indukcyjnych na pierwszej pozycji zawiera cenę, co z pewnością nie jest zaskoczeniem, gdyż podobnie jest dla większości produktów w naszym kraju. Drugą pozycję na wykresie zajął termin dostawy, a trzecią jakość komponentów. Dawniej znaczenie terminu realizacji zamówień było mniej istotne i kryterium to było na trzecim miejscu w poprzednich naszych badaniach rynku, ale teraz mamy takie czasy, że przy szybko rozwijającym się rynku, m.in. na skutek zapotrzebowania ze strony motoryzacji, tworzą się kolejki, a klienci zwracają baczną uwagę na terminy. Jest to także specyfika tego, że w Polsce produkuje się głównie małe i średnie serie, różnorodne wyroby i wielowariantowe rozwiązania. W takim przypadku produkcja jest realizowana po uzyskaniu zamówienia, stąd szybkość jest zawsze pożądana. Jak widać, poza wymienionymi czynnikami cała reszta kryteriów ma podobne, ale wyraźnie mniejsze znaczenie. Dalej jednak znaczenie certyfikatów, marki producenta, a nawet wsparcia technicznego podkreśla wagę zagadnień związanych z jakością.

Wsparcie techniczne zawsze było i jest czynnikiem wspierającym sprzedaż, niemniej w tym obszarze jego znaczenie jest szczególnie istotne, bo tematy związane z impulsowymi systemami zasilania, połączone w całość z wiedzą o materiałach magnetycznych i zjawiskach zachodzących w elementach indukcyjnych, to bezsprzecznie trudny i mało popularny obszar kompetencji, można powiedzieć, że niszowy. Stąd, w tym przypadku pomoc techniczna producentów jest ważnym czynnikiem minimalizacji ryzyka projektowego.

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 realia rynku krajowego są takie, że takich możliwości poszukują krajowe małe i średnie firmy. Niski koszt indywidualizacji i wyraźne korzyści z dobrego dopasowania podzespołu do projektu są wartością dodaną.

NA TRANSFORMATORY SIECIOWE CAŁY CZAS JEST POPYT

W przypadku transformatorów sieciowych zapotrzebowanie rynku kreują obecnie aplikacje wymagające wysokiej jakości i niezawodności oraz długoterminowej dostępności źródeł zasilania, czego przykładem mogą być systemy alarmowe, zasilacze buforowe do akumulatorów, systemy kontroli dostępu do obiektów oraz sprzęt audio i estradowy wysokiej klasy.

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. Elementy te sprawdzają się też tam, gdzie trzeba zapewnić dobrej jakości separację galwaniczną obwodów od sieci lub wykonać kilka separowanych od siebie obwodów zasilających bez pływającego potencjału między poszczególnymi wyjściami.

Transformatory sieciowe są też wybierane do zasilania urządzeń, gdzie jakość napięcia w sieci jest niska, np. są przepięcia, przy jednoczesnych wymaganiach w zakresie niezawodności i braku konieczności obsługi (np. transport szynowy).

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rynku elementów indukcyjnych

 

Listę najważniejszych czynników pozytywnie wspierających rozwój rynku podzespołów indukcyjnych w Polsce otwiera presja na jakość i zaawansowanie techniczne, widoczna w ostatnich latach w branży elektroniki, która stała się wspólnym mianownikiem wielu działań biznesowych firm oraz siłą sprawczą do rozwoju nowych produktów. Druga w kolejności kategoria na wykresie to szybki rozwój rynku elektroniki, co zapewnia chłonność oraz duży popyt na innowacyjne elementy. Trzeci pod względem ważności czynnik pozytywnie wpływający na rozwój rynku to szybka elektronizacja całej techniki, która zapewnia duże tempo wzrostu rynku. Dzięki niej znaczenie silnej konkurencji, dyktatu ceny w ofertach i podobnych zagadnień, które zwykle s problemem w biznesie, staje się słabsze i nie przeszkadza tak, jak w innych sektorach.

Takich niszowych aplikacji nadal jest sporo, a dodatkowo dokłada się do tego inżynierska inercja. Wiele osób w swojej pracy zawodowej stawia na rozwiązania znane i wypróbowane przez lata, takie, które rozumie i im ufa.

Klasyczny transformator sieciowy bezsprzecznie kojarzy się z niezawodnością i latami działania liczonymi w dekadach. W wielu systemach i urządzeniach nie ma też problemu z dostępnością miejsca ani konieczności minimalizacji wagi, a aspekt cenowy nie zawsze jest głównym wyznacznikiem działań. Dlatego cały czas jest na nie popyt.

Transformatory sieciowe małej mocy w wersji zalewanej do montażu na PCB skutecznie konkurują ceną z rozwiązaniami impulsowymi, bo są produkowane na urządzeniach automatycznych w dużej skali. Elementy takie pojawiają się w nowych urządzeniach AGD i komponentach automatyki budynkowej, co przekonuje, że aspekt niezawodności (odporności) liczy się na rynku.

NOWOŚCI

W zakresie transformatorów sieciowych jak zwykle nowości jest niewiele. Dużo więcej dzieje się w obszarze rozwiązań impulsowych bazujących na ferrytach, bo nowe materiały magnetyczne pracują przy częstotliwościach do ok. 0,5 MHz, mają małe straty, przez co transformatory mogą być mniejsze niż kiedyś. Są też dostępne rdzenie zdolne do pracy przy temperaturze powyżej 100°C (także przewody nawojowe).

Nowości rynku elementów indukcyjnych to też kształty wykonania rdzeni i karkasów. Ogólnie da się powiedzieć, że są one coraz bardziej płaskie i w coraz większym stopniu opasają materiałem magnetycznym uzwojenia tak, aby w jak najbardziej zamknąć pole magnetyczne wewnątrz i ułatwić spełnienie wymagań w zakresie EMC.

Karkasy z kolei mają wyprowadzenia do montażu SMT, a ich konstrukcja jest dzielona na sekcje. Warto też dostrzec, że na rynku jest dzisiaj więcej rdzeni małych. Nowością są też elementy bez karkasu, gdzie cewka ma konstrukcję samonośną nawijaną taśmą miedzianą (tzw. krawędziowe) lub drutem i całość jest stabilizowana mechanicznie żywicą.

Prezentacje przykładowych firm powiązanych z tematyką tej analizy znajdują się na stronie: