Z tematem zasilania dzisiaj musi się umieć zmierzyć każdy inżynier, co powoduje, że obojętnie jaką się ma specjalizację, trzeba mieć rozeznanie w tym, co jest dostępne na rynku, jakie parametry charakteryzują zasilacze oraz wiedzieć, jak spośród dziesiątek typów, setek wersji, marek, ofert producentów i importerów wybrać ten najlepszy i optymalny pod względem jakości i ceny. Wybór zasilacza jest niełatwy także dlatego, że na rynku jest dużo tandety, a wiele jednostek nie spełnia podstawowych parametrów, nie mówiąc już o zapewnieniu długoterminowej jakości.
Zasilacz to pojemny termin, za którym kryją się tysiące rozwiązań różniących się parametrami, budową, przeznaczeniem i wykonaniem. Dwa takie same zasilacze w tym ujęciu mogą być inne, jeśli chodzi o konstrukcję wewnętrzną, jakość i funkcjonalność. Mało widoczną dla użytkownika cechą jest też nowoczesność konstrukcyjna tych jednostek.
Nowoczesny zasilacz to taki, którego budowa opiera się na najnowszych dostępnych na rynku technologiach konwersji mocy, materiałach i komponentach. Z tym bywa różnie – wystarczy otworzyć obudowę, aby przekonać się, że wiele jednostek dostępnych na rynku to konstrukcje, w których takich nowinek się nie znajdzie. Powodów tego jest wiele. Przede wszystkim chodzi o cenę, która jest ważnym kryterium wyboru produktu przez klienta. Nowe komponenty i materiały zwykle są droższe od tych popularnych, dlatego musi minąć sporo czasu, zanim nowości trafią do wnętrza zasilaczy dostępnych w handlu. Można nawet pokusić się o stwierdzenie, że im zasilacz popularniejszy, tańszy i bardziej standardowy, tym jego wewnętrzna konstrukcja opiera się na rozwiązaniach znanych od lat. Inercja w adaptacji nowych technologii daje się zauważyć na wielu rynkach, ale w przypadku zasilaczy ma ona bardzo realny wymiar ekonomiczny. Z tych przyczyn w zasilaczach małej mocy jest ona najsłabiej zarysowana i dotyczy najczęściej sterownika scalonego, a najrzadziej elementów magnetycznych i podzespołów pasywnych. W jednostkach dużej mocy, rozwiązaniach specjalizowanych i niszowych bywa znacznie większa, bo cena tych rozwiązań ma mniejsze znaczenie, a funkcjonalność i parametry techniczne są bardziej brane pod uwagę.
SPRAWNOŚĆ JEST BARDZO ISTOTNA
Sprawność zasilaczy staje się ważna z kilku powodów. Po pierwsze, im jest ona większa, tym zasilacz może dostarczać więcej mocy przy tych samych wymiarach. Czyli wysoka sprawność jest przepustką do miniaturyzacji. Bezsprzecznie wysoko sprawny zasilacz kojarzy się również z produktem nowoczesnym i zaawansowanym technicznie.
Po drugie, wysoka sprawność oznacza niższe koszty eksploatacji urządzeń. Ponieważ energia elektryczna stale drożeje, w rozwiązaniach przemysłowych, teleinformatycznych oraz innych obszarach, gdzie urządzenia pracują non stop przez długie lata, koszt energii się liczy. W wielu przypadkach do kosztu pobieranej z sieci energii elektrycznej trzeba doliczyć koszt usunięcia ciepła z obiektu za pomocą systemu klimatyzacji (np. w serwerowniach, stacjach telekomunikacyjnych).
Po trzecie, wysoka sprawność oznacza też często małą awaryjność zasilaczy, a więc pośrednio dużą jakość. Bo wysoko sprawne 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. Dzięki wysokiej sprawności zasilacze mogą działać w szerszym zakresie temperatur, nie wymagają chłodzenia wymuszonego. Także ograniczenia na moc wyjściową przy dużych temperaturach otoczenia stają się łagodniejsze. To zagadnienie określa się terminem derating, co oznacza, że z uwagi na ograniczenia cieplne, przy wysokich temperaturach otoczenia, moc maksymalna dostarczana przez zasilacz maleje.
Po czwarte, wysoka sprawność zasilaczy, mała moc standby lub konieczność korekcji współczynnika mocy jest coraz częściej wymogiem prawnym.
Sprawność najbardziej zaawansowanych jednostek dawno już przekroczyła 90%, a wartości rzędu 95% wcale nie są jakimś wyjątkiem. Z reguły im zasilacz mniejszej mocy, tym sprawność średnia jest mniejsza, ale mimo to bez problemu można kupić dzisiaj zasilacze wtyczkowe lub biurkowe do sprzętu konsumenckiego osiągające średnią sprawność 88‒90%.
Warto dodać, że w produktach konsumenckich wysoka sprawność idzie w parze z małym poborem mocy bez obciążenia. Ograniczenie wielkości energii pobieranej przez zasilacz na własne potrzeby to także wymogi narzucane przez regulacje unijne, gdyż nawet jeśli pobierana przez pojedynczy zasilacz moc standby nie wydaje się duża to jednak takich zasilaczy jest bardzo dużo i sumarycznie stanowią one już poważne obciążenie dla sieci. Bezsprzecznie w temacie mocy standby sporo się ostatnio dzieje, a producenci półprzewodników, czyli układów sterujących i zasilaczy, wkładają wiele wysiłku w to zagadnienie, co chwila bijąc rekordy oszczędności i ekologiczności. Zapewnienie niskiego poboru mocy bez obciążenia jest łatwiejsze w przypadku sterowania cyfrowego, bo implementacja technik sterowania z gubieniem impulsów, zmianą topologii konwersji w takim stanie w ten sposób jest łatwiejsza do osiągnięcia. Jednostki zgodne z Energy Efficiency Level VI lub CoC 5 pobierają z sieci w tym stanie poniżej 0,1 W.
CYFRYZACJA ZASILACZY
Cyfryzacja zasilaczy jest bezdyskusyjnym faktem, niemniej jest to proces pod każdym względem ewolucyjny i niekoniecznie dotyczący dzisiaj obwodów konwersji mocy. Cyfrowa jednostka może mieć cyfrowy sterownik bazujący na procesorze DSP lub wydajnym mikrokontrolerze lub też być zrealizowana w wersji klasycznej z procesorem zarządzającym działaniem sterownika.
Najczęściej cyfryzacja zasilaczy dotyczy tego drugiego przypadku. Procesor realizuje wówczas komunikację cyfrową, nadzoruje działanie sterownika, pozwala na ustawienie progów zabezpieczeń, poziomów napięć, zarządza równomiernym podziałem mocy przy połączeniu równoległym, dokonuje kompensacji spadku napięcia na przewodach zasilających itd. Pełna cyfryzacja zapewnia jeszcze możliwość programowania topologii konwersji mocy, a więc większą elastyczność działania. W zasilaczu całkowicie cyfrowym topologia konwersji energii może się zmieniać płynnie w zależności od obciążenia lub napięcia wejściowego, po to, aby zmaksymalizować sprawność przetwarzania lub ograniczyć straty mocy, gdy zasilacz jest nieobciążony. Rozwiązania cyfrowe pomagają też w realizacji złożonych systemów zasilających, na przykład tzw. dwukierunkowych, czyli takich, które mogą dostarczać energię do obciążenia lub ją pobierać, przesyłając z powrotem do sieci. W takich przypadkach zmiana topologii konwersji energii w locie jest niezbędna.
W obszarze przemysłu, elektroniki konsumenckiej cyfryzacja zasilaczy to cały czas przyszłość, niemniej patrząc na tempo zmian w przemyśle elektronicznym, nie wydaje się, aby była ona tak bardzo odległa.
INTERFEJS KOMUNIKACYJNY
Coraz więcej jednostek zasilających ma możliwość komunikacji za pomocą interfejsu cyfrowego. Jest to także wymowny znak postępującej cyfryzacji, ale i obraz zmieniających się wymagań klientów.
Interfejs cyfrowy daje możliwość odczytu stanu zasilacza, a więc napięcia wyjściowego i prądu, temperatury, parametrów napięcia sieci energetycznej oraz informacji nt. liczby przepracowanych godzin lub wcześniejszych zdarzeń, takich jak zaniki napięcia lub przeciążenia. Takie informacje mogą być wykorzystane do zarządzania działaniem systemu, planowania obsługi technicznej lub prognozowania awarii.
W drugą stronę interfejs pozwala na ustawianie parametrów takich jak wartości napięć i prądów oraz progów zadziałania zabezpieczeń. Programować można też działanie korektora spadku napięcia na długich przewodach, który podbija lekko napięcie przy wzroście prądu obciążenia. Interfejs jest też niezbędnym elementem przy łączeniu wielu jednostek w systemy pracujące równolegle lub typu N+1, a więc z redundancją i hot swapem.
Zasilacz z interfejsem cyfrowym staje się obecnie komponentem komunikacyjnym i takim samym elementem jak np. switch sieciowy, bo łącze cyfrowe nierzadko obsługuje standardowy protokół sieciowy jak Modbus, a konstrukcja oprogramowania pozwala na zdalne zarządzanie. Nie tylko chodzi tu o wygodę, ale także o możliwość zapanowania nad złożonymi systemami zasilającymi, gdzie poza siecią energetyczną jest też akumulator lub agregat prądotwórczy, panel fotowoltaiczny itd. Systemy zasilania stają się coraz bardziej złożone i możliwość programowania zasilaczy to w pewnej mierze skutek tych procesów.
Warto zwrócić uwagę jeszcze na ekonomiczne aspekty możliwości programowania parametrów zasilania. Im w szerszym zakresie jest ono możliwe, tym mniej jednostek może mieć producent w ofercie. Mniej typów to niższe koszty magazynowania i większa skala produkcji dla danej jednostki. Nawet jeśli dodanie programowania odbywa się kosztem wzrostu komplikacji układowej, po uwzględnieniu wszystkich korzyści jest to opłacalne dla producentów i klientów. I dlatego rynek zasilania profesjonalnego zmierza w tym kierunku.
Zainteresowanie innowacjami w zasilaczach na rynku polski |
---|
ZASILANIE GWARANTOWANE W WERSJI "MNIEJSZEJ"
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.
W ostatnim okresie na rynku pojawiają się zasilacze, których funkcjonalność znajduje się pomiędzy tymi UPS-ami i zasilaczami buforowymi. Pozwalają one dołączyć akumulator i stworzyć w razie potrzeby podtrzymanie napięcia wyjściowego. Inne rozwiązania zasilaczy tego typu zawierają superkondensatory zapewniające podtrzymanie zasilania, dzięki czemu mają dużą trwałość i pracują w szerszym zakresie temperatur. 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. Klasyczne UPS- y stają się tym samym dla nich "za duże". W takich sytuacjach akumulatory w zasilaczu buforowym zastępuje się dzisiaj superkondensatorami i to wystarcza. Czas podtrzymania jest zwykle znacznie mniejszy, ale tę niedogodność rekompensuje szeroki zakres temperatur pracy, niewielki ciężar, brak konieczności wymiany okresowej akumulatorów (a więc jest pełna bezobsługowość). Cena takich rozwiązań jest wyższa, ale w aspekcie długoterminowym inwestycja w takie rozwiązanie ma sens, tym bardziej, że akumulator zdolny do pracy w szerokim zakresie temperatur też wcale nie jest tani. Zasilacze z superkondensatorami to propozycja głównie do zastosowań w przemyśle i aplikacji instalowanych na zewnątrz budynków.
JEDNOSTKI O SPECJALNYM PRZEZNACZENIU
Zasilacz to produkt uniwersalny, ale na rynku coraz częściej producenci tworzą wersje specjalizowane – ukierunkowane na specyficzne zastosowania. Uwalniają one projektantów od konieczności dodawania dodatkowych układów pomocniczych, płytek realizujących specyfikę aplikacyjną, które zostają zaszyte wewnątrz obudowy. Takie specjalizowane wersje spełniają wymagania branżowe od strony elektrycznej i mechanicznej.
Są to wykonania aplikacyjne: do oświetlenia LED, do ładowania akumulatorów o stałym prądzie wyjściowym, wersje medyczne o wzmocnionej izolacji i małym prądzie upływu izolacji, wysokonapięciowe itd. W przypadku zasilaczy do LED stosowane są inne obudowy i złącza, takie, które są dopasowane do specyfiki montażu w oprawie oświetleniowej lub puszkach elektroinstalacyjnych. Obudowy takie są najczęściej hermetyczne.
Asortyment dostępnych na rynku zasilaczy poszerza się także o wersje wyposażone we wzmocnioną izolację o niskiej upływności. Do niedawna były one rzadkością i wykorzystywane tylko w aplikacjach medycznych, niemniej poszerzająca się oferta wskazuje, że takie jednostki trafiają także do aplikacji przemysłowych, precyzyjnej aparatury pomiarowej oraz rozbudowanych systemów, gdzie łączone są obwody na różnych potencjałach. W takich przypadkach zasilacz o wzmocnionej izolacji jest w stanie zapewnić stabilność i jakość działania układów pomiarowych. Problemy są coraz częstsze, bo nie zawsze zasilacz pracuje ze stabilnym obciążeniem, stabilną siecią energetyczną i uziemioną obudową. Duży prąd upływu może wywołać wzrost potencjału na wyjściu w stosunku do ziemi przy połączeniu do sieci dwoma przewodami i przy niewielkim obciążeniu, co może zakłócać działanie obwodów kondycjonujących, wejściowych przetworników itp.
Są też zasilacze dwukierunkowe, a więc takie, które są w stanie odwrócić kierunek konwersji energii i dostarczać zasilanie do wejścia z wyjścia. Inne rozwiązania to zasilacze czteroćwiartkowe, czyli takie, które mogą płynnie zmieniać funkcję z dostarczania energii do obciążenia na jej odbieranie (jak obciążenie elektroniczne). Takich rozwiązań pojawia się coraz więcej.
ELEKTROMOBILNOŚĆ
Bez względu na to, ile samochodów elektrycznych jest już w użyciu, ile ich będzie w najbliższych trzech latach i czy będą one produkowane w Polsce zgodnie z wolą polityków, elektromobilność jest ważnym trendem zmieniającym rynek zasilania już dzisiaj. To dlatego, że na samochodach elektrycznych świat się nie kończy i poza nimi jest wiele sprzętu o napędzie elektrycznym. Po stronie profesjonalnej wystarczy wymienić wózki magazynowe, w tym rozwiązania działające autonomiczne, roboty oraz rozwiązania transportowe mniejszego kalibru, takie jak skutery, hulajnogi, rowery. Te wszystkie urządzenia są zasilane z akumulatorów i muszą mieć ładowarki, czyli specjalne zasilacze.
Szczegóły realizacji procesu ładowania zależą od konkretnego rozwiązania, ale zawsze podstawowym komponentem ładowarki jest zasilacz. Ładowarka powinna być mała i szybka, bo wszystkim użytkownikom zależy na szybkim ładowaniu, a wiele aspektów aplikacyjnych i ekonomicznych jest wprost powiązane z tym, czy sprzęt będzie można szybko naładować.
Wysoko sprawny zasilacz pozwala zapewnić dużą moc wyjściową przy niewielkich wymiarach i dlatego trend elektromobilności będzie pozytywnie oddziaływał na rynek zasilania w kolejnych latach. Co więcej, wydaje się, że ładowarki takie będą budowane w oparciu o najnowsze rozwiązania technologiczne, a więc materiały magnetycznie i podzespoły indukcyjne oraz półprzewodniki z GaN. Wskazują na to konstrukcje, które się pojawiają na rynku. Ładowarki bazujące na tranzystorach z GaN zapewniają wyraźnie widoczną dla użytkownika większą gęstość mocy. Małe rozwiązania, wielkości pudełka zapałek do telefonów, osiągają 25 W, odrobinę większe do laptopów ok. 60‒80 W, zasilacze o mocy jednego kilowata są dzisiaj wielkości szkolnego piórnika.
ZASILACZE DO SYSTEMÓW POMIAROWYCH, BADAŃ I MIERNICTWA
Zasilacze to też jednostki laboratoryjne wykorzystywane przy pomiarach do zasilania sprzętu i zadawania sygnałów wymuszeń. Są wykorzystywane także w sferze produkcji, podczas testowania jakości i badań automatycznych, gdzie pełnią funkcję podobną do generatorów arbitralnych dużej mocy, generatorów zaburzeń w sieci zasilania oraz części testerów odpowiedzialnej za badania wytwarzanych urządzeń pod kątem współpracy ze źródłem zasilania. Zasilacze takie pozwalają na swobodne programowanie parametrów wyjściowego przebiegu "w locie" i tym samym są wygodnym elementem systemów pomiarowych i testerów ATE. Jednostki te różnią się głównie tym, że pozwalają na regulację napięć i prądów wyjściowych w szerokim zakresie (np. czterech ćwiartkach układu współrzędnych z płynnym przejściem przez zero w każdym kierunku), mają bardzo dobre parametry stabilizacji i czystości napięcia wyjściowego, zawierają często kilka niezależnych kanałów wyjściowych i mogą być sterowane z komputera, pełniąc funkcję elementu systemu pomiarowego.
LICZNE UŻYTECZNE DODATKI
Użyteczna funkcjonalność, jaka pojawia się dzisiaj często w zaawansowanych jednostkach zasilających, obejmuje takie dodatki, jak np. możliwość regulacji wyjściowego napięcia w niewielkim zakresie trymerem, po to, aby skompensować spadek napięcia na przewodach wyjściowych. Do tego samego celu służą zwielokrotnione zaciski wyjściowe lub też możliwość podłączenia dwóch dodatkowych przewodów pomiarowych bezpośrednio do zacisków obciążenia (tzw. połączenie kelwinowskie czteroprzewodowe). Taki sposób zapewnia znakomite parametry napięcia wyjściowego (statyczne i dynamiczne) w zasilaczach dużej mocy i o niskim napięciu wyjściowym, np. 5 V/100 A.
Kolejne przydatne funkcje to wyjście sygnalizacji zaniku zasilania, gotowości zasilacza, możliwość chwilowego przeciążania, która przydaje się przy zasilaniu odbiorników takich jak silniki indukcyjne lub promienniki halogenowe. 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. Przeciążanie najczęściej bazuje na wbudowanych superkondensatorach.
Od strony układowej zasilacze wyposaża się dzisiaj we wszechstronne układy zabezpieczające, rozbudowane filtry wejściowe, sterowniki zapewniające sygnalizację stanu zasilacza i podobne obwody ochronne na tyle skuteczne, że awaria na skutek przeciążenia, stanu nieustalonego lub zwykłego błędu podczas montażu instalacji staje się praktycznie niemożliwa.
SZEROKI ZAKRES NAPIĘCIA WEJŚCIOWEGO
Pięć lat temu nowością na rynku zasilania impulsowego były wersje pozwalające na zasilanie dowolną wartością napięcia sieciowego występującą na całym świecie, a więc od ok. 86 do 240 VAC, w tym także odpowiadającą jej wartością napięcia stałego. Nietrudno zauważyć, że szybko stało się to standardem i dzisiaj w zasadzie ogromna większość zasilaczy małej i średniej mocy nie wymaga przełączania zakresu zasilania. Wyjątkiem są wersje zdolne do pracy jeszcze w szerszym zakresie, a więc także z zasilaniem napięciem międzyfazowym (ok. 400 VAC), niemniej ich obszar aplikacyjny jest znacznie ograniczony.
Zobacz więcej w kategorii: Rynek - archiwum
Zobacz więcej w temacie: Komponenty
Świat Radio
14,90 zł Kup terazElektronika Praktyczna
18,90 zł Kup terazElektronika dla Wszystkich
18,90 zł Kup terazElektronik
15,00 zł Kup terazIRE - Informator Rynkowy Elektroniki
0,00 zł Kup terazAutomatyka, Podzespoły, Aplikacje
15,00 zł Kup terazIRA - Informator Rynkowy Automatyki
0,00 zł Kup teraz