Urządzenia elektryczne i elektroniczne wymagają zastosowania odpowiedniego zasilacza, który ma dostarczyć najczęściej niskie (do kilkudziesięciu V) napięcie stałe do odbiorników, takich jak układy sterujące cyfrowe i analogowe, pomiarowe, kontrolne, jak również silników, przekaźników, siłowników itp. Warto zauważyć, że zapotrzebowanie na zasilacze rośnie, ponieważ coraz częściej w wielu urządzeniach pojawiają się również elementy związane z przemysłowym internetem rzeczy (IoT). Poza stabilizacją napięć ważne jest zapewnienie izolacji pomiędzy siecią zasilającą i obwodami niskich napięć wyjściowych ze względu na bezpieczeństwo urządzeń i ochronę przed porażeniem prądem elektrycznym. Zwraca się coraz większą uwagę na oszczędzanie energii w każdym dziale gospodarki, dlatego od kilku lat obserwujemy stały postęp w konstrukcjach zasilaczy przemysłowych, a na rynek trafiają urządzenia o wysokich gęstościach mocy. Na światowym rynku działa bardzo wielu dostawców zasilaczy przeznaczonych do zastosowań w przemyśle. W opublikowanym przez firmę Detailed Analysis w sierpniu 2017 roku raporcie „Global Switching Mode Power Supply Market Research Report 2017-2022” wymieniono wśród znaczących na świecie producentów zasilaczy takie firmy, jak: Schneider, Siemens, Omron, PHOENIX, TDK -Lambda, DELTA, ABB, Puls, 4NIC, UPBRIGHT, Digipartspower, MOSO, MEAN WELL, DELIXI, China Electronics Technology Group Corporation i CHNT. Oczywiście jest wielu innych uznanych producentów oferujących na naszym rynku nowoczesne rozwiązania, na przykład takie marki jak Finder czy Astraada. Obecnie wiele aplikacji wymaga zastosowania zasilaczy i według niektórych szacunków rynek tych urządzeń na świecie do 2020 roku przekroczy wartość 35 mld dolarów.

Zasilacze

Stosowane dziś zasilacze można podzielić na dwie podstawowe grupy. Są to zasilacze ciągłe (liniowe) i impulsowe. Pierwsza grupa, pomimo prostej konstrukcji, niskiego poziomu zakłóceń napięcia wyjściowego, ma niską sprawność energetyczną i ograniczony zakres parametrów napięcia wejściowego zasilania. Dlatego przewagę zyskały zasilacze impulsowe. W nowych konstrukcjach coraz skuteczniej ogranicza się ich niedoskonałości, takie jak złożona konstrukcja czy też generowanie zakłóceń elektromagnetycznych do sieci zasilającej itp. Również tętnienia i szumy, jakie są generowane przez zasilacze impulsowe, w większości zastosowań nie mają dużego znaczenia. Specjaliści przyjmują, że w automatyce nie mają one wpływu na większość wykorzystywanych urządzeń i mogą one pracować przy tętnieniach do 500 mVpp, a zazwyczaj w obecnych zasilaczach ten parametr jest na poziomie od 40 do 200 mVpp. Zwraca się uwagę, że – poza prostymi, sprawdzonymi konstrukcjami – dla użytkowników zasilaczy przemysłowych liczą się zastosowane technologie, dzięki którym można zapewnić im dużą sprawność energetyczną. Nie chodzi tu tylko o oszczędzanie energii, ale fakt, że urządzenia wydzielają wtedy mniej ciepła, co ułatwia jego skuteczne odprowadzanie i wpływa na wskaźniki niezawodności takie jak intensywność uszkodzeń – IRF lub średni czas pomiędzy uszkodzeniami – MTBF. Obecnie stosowane systemy zasilania same są też źródłem zakłóceń wprowadzanych do sieci zasilającej (zasilacze impulsowe). Dlatego jakość stosowanych w nich filtrów i zabezpieczeń ma tu duże znaczenie. W zestawieniu zasilaczy przygotowanym przez firmę Finder porównano wydajności dostępnych na rynku zasilaczy. Nowa linia Finder 78.2E na poziomie 93% należy do liderów. Im wyższa wydajność, tym niższa energia rozproszona w zasilaczu, niższe zużycie prądu i większe oszczędności. Oczywiście wydajności powyżej 80% uznaje się za bardzo dobre, ale jeśli porównać wydajność rzędu 82% z wydajnością 93% to w pierwszym przypadku tracimy 18% mocy wejściowej, a tylko 7% w drugim. Nie wszystkie stosowane przez producentów rozwiązania są bezpośrednio widoczne dla użytkownika, ale mają wpływ na niezawodność lub kompaktową budowę urządzenia. Na przykład technologia „Other PLUS points”, czyli dwustronnego lutowania stosowana przez firmę Finder, zwiększa wytrzymałość i stabilność połączeń w przypadku drgań i cykli termicznych. Producenci zasilaczy impulsowych powinni stosować układy Power Factor Correction ( PFC), nawet jeśli klienci uważają, że ich nie potrzebują. Często też nie widzi się związku pomiędzy współczynnikiem mocy i harmonicznymi prądu. Jednak prąd absorbujący (bez układu PFC) odkształca napięcie zasilania i wprowadza harmoniczne do sieci, powodując prądy reaktywne w przewodzie zasilającym i grzanie się urządzenia, co może spowodować zadziałanie zabezpieczenia termicznego. W zasilaczach przemysłowych serii 78 firmy Finder układ PFC pozwala znacznie ograniczyć zakłócenia generowane na obwodzie wtórnym i uzyskać wartość znamionową tętnień napięcia na poziomie 50 mv. To bardzo dobry wynik, którym pochwalić się może tylko niewielu producentów. Na jakie inne elementy zwraca się jeszcze dziś uwagę? Ogranicza się pobór mocy przy zerowym obciążeniu. Przyspiesza czas reakcji i jej dokładność na szybkie zmiany obciążenia – w odpowiedzi na to stosuje się sterowniki cyfrowe. W przypadku zasilaczy przemysłowych ważna jest też możliwość stosowania ich w ciężkich warunkach pracy, również w strefach zagrożonych wybuchem. Zwraca się coraz większą uwagę na: kompaktową budowę, możliwość montażu na szynie DIN i modułowość. Nas przykład, jak podaje firma Relpol (polski producent), jej zasilacze impulsowe w obudowach modułowych serii RZI...P przeznaczone do zastosowań w automatyce przemysłowej mogą pracować w szerokim zakresie temperatur otoczenia (od -20°C do +80°C). Zastosowane w nich kondensatory elektrolityczne mają długi okres trwałości (nawet do 10 lat). Natomiast powłoka konformalna PCBA (conformal coating) zabezpiecza elektronikę zasilacza impulsowego przed przepięciami i powstawaniem dendrytów przy pracy w zakurzonym i wilgotnym środowisku oraz chroni przed negatywnym oddziaływaniem wibracji.

Na rynku stale pojawiają się nowe produkty. Firma Finder rozszerzyła niedawno gamę produktów z serii 78 o zasilacze impulsowe o wysokiej wydajności. Nowe typy 78.1C, 78.1D i 78.2E, wszystkie z wyjściem 24 V, osiągają obecnie 240 W mocy wyjściowej. Ich unikalną cechą jest ochrona obwodu wejściowego przez wymienny, łatwo dostępny w przednim panelu bezpiecznik. Wszystkie zasilacze impulsowe Findera mają mocowanie na szynę 35 mm, a wiele modeli również funkcję ładowania baterii. Ważne jest stosowanie przez producentów zaawansowanych zabezpieczeń przeciążeniowych i zwarciowych. Przykładem jest ASTRAADA AS10PWR12024, zasilacz o mocy 120W. Jak podaje firma Astor, jest on wyposażony w zabezpieczenie przeciążeniowe z automatycznym wznowieniem zasilania po usunięciu przeciążenia. Zabezpieczenie nadnapięciowe (wymaga ręcznego zresetowania urządzenia) oraz zabezpieczenie zwarciowe z automatycznym wznowieniem zasilania po usunięciu zwarcia. Posiada certyfikaty CE i RoHS i jest zgodny z dyrektywą 2006/95/WE oraz 2014/30/EU. Firma Phoenix podkreśla, że w oferowanych obecnie zasilaczach z serii Contact zastosowano innowacyjne rozwiązania, takie jak technologia SFB (Selective Fuse Breaking), ACB (Auto Current Balancing) i IQ Technology (monitoruje i optymalizuje przechowywanie energii w zasilaczach awaryjnych). SFB pozwala na 6-krotny prąd nominalny przez 15 ms, wyłącza wadliwe ścieżki prądowe w przypadku zwarcia, przy czym ważne części systemu działają bez przerwy. Natomiast technologia ACB umożliwia równomierne rozłożenie obciążenia zasilaczy redundantnych. Dzięki temu uzyskać można niższe obciążenie termiczne dla obu zasilaczy i wydłużyć okres ich użytkowania. Promując zasilacze STEP POWER, zwrócono uwagę na niskie straty na biegu jałowym, wysoki stopień sprawności oraz elastyczną konfigurację przy montażu (szyna DIN lub przykręcenie do płaskiej powierzchni) i możliwość montażu na zewnątrz dzięki szerokiemu zakresowi temperatur pracy wynoszącemu od -25°C do +70°C. Wartość MTBF tych urządzeń to ponad 500 tys. godzin przy +40°C i charakterystyce U/I dla zasilania pojemnościowego. To również pokazuje, na co zwracają dziś uwagę użytkownicy.

Nowoczesne technologie

Proces zmniejszenia wielkości i wartości wyjściowych kondensatorów elektrolitycznych pozwala oszczędzać w zasilaczach miejsce i koszty, ale w złych projektach ograniczać ich żywotność (obwody typu flyback generują wysoki prąd tętnienia). Upowszechnienie i dostępność tanich procesorów sygnałowych DSP umożliwia zastosowanie cyfrowej pętli sterowania i poprawia wydajność w czasie rzeczywistym oraz tworzenie skomplikowanych topologii zasilania. Cyfrowa konwersja energii pozwala budować zasilacze o coraz większej gęstości i wydajności. To rozwiązania z tego zakresu budzą obecnie największe oczekiwania wśród producentów i użytkowników zasilaczy przemysłowych. W nowoczesnych urządzeniach wykorzystuje się węglik krzemu (SiC), azotek galu (GaN) i nowoczesne materiały magnetyczne ferrytowe (niemetaliczne materiały ceramiczne), które pozwalają zmniejszyć rozmiar rdzenia i ograniczyć straty energii. Dziś to podstawowe technologie i materiały, które pozwalają na tak duży postęp osiągany w nowych konstrukcjach. Wydaje się, że będziemy pokonywali kolejne bariery technologiczne. Z punktu widzenia użytkownika liczy się niezawodność zasilania nie tylko urządzeń elektronicznych, bo w „Przemyśle 4.0” wrażliwe elementy elektroniczne spotykamy praktycznie wszędzie. Obecnie, dzięki zastosowaniu metod statystycznych można dość dokładnie przewidywać poziom niezawodności poszczególnych komponentów i całych złożonych z nich urządzeń. Dlatego znaczący producenci zasilaczy przemysłowych podając coraz wyższe wartości MTBF i oferują długie okresy gwarancji – nawet do kilku lat. W miejscach krytycznych dla procesu produkcyjnego warto stawiać na urządzenia trwałe i wysokiej jakości. Przy doborze zasilacza specjaliści radzą wybrać model impulsowy, jeśli przewidujemy wahanie napięcia sieci w zakresie od 90 do 246 VAC. Sprawdzi się wszędzie tam, gdzie zależy nam na małych stratach mocy, rozproszeniu ciepła, małych rozmiarach i wadze. W przypadku wszystkich zasilaczy ważne jest bezpieczeństwo użytkowników i spełnianie wymaganych norm. Normy i dyrektywy obowiązujące w Unii Europejskiej i dotyczące zasilaczy to na przykład norma: PN-EN 60950-1:2007 (Urządzenia techniki informatycznej – Bezpieczeństwo – Część 1: Wymagania podstawowe), PN-EN 55011:2016-05 (Urządzenia przemysłowe, naukowe i medyczne – Charakterystyki zaburzeń o częstotliwości radiowej – Poziomy dopuszczalne i metody pomiaru) czy PN-EN 610003-2:2014-10 (Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 3-2: Poziomy dopuszczalne – Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu – fazowy prąd zasilający odbiornika ≤ 16 A) czy PN-EN 61000-4-6:2014-04 (Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 4-6: Metody badań i pomiarów – Odporność na zaburzenia przewodzone, indukowane przez pola o częstotliwości radiowej) itp.

Jak mówi Mateusz Zajchowski, specjalista ds. systemów sterowania w firmie ASTOR – zasilacze przemysłowe wykorzystywane w układach automatyki są niezmiernie istotnymi, jednak bardzo często niedocenianymi komponentami. To właśnie zasilacz odpowiedzialny jest za dostarczanie energii do wszystkich innych układów zasilanych napięciem stałym i od jakości jego pracy zależeć będzie poprawność pracy całego projektowanego układu, także w sytuacjach awaryjnych. Wszystkie te czynniki sprawiają, że niepozorny zasilacz można uznać za podstawowy komponent układu automatyki, a wykorzystanie urządzeń wysokiej klasy może oszczędzić (w trakcie eksploatacji obiektu) bardzo dużo problemów i przede wszystkim kosztów, jakie mogłoby wygenerować urządzenie słabej jakości. W przeciwnym razie awaria pozornie taniego komponentu może pociągnąć za sobą lawinę uszkodzeń elementów układu automatyki o wiele bardziej wartościowych, takich jak sterowniki PLC, urządzenia komunikacyjne itp. Między innymi z tych względów należy wybierać urządzenia posiadające odpowiednie zabezpieczenia przeciążeniowe i zwarciowe, które mogą uchronić przed spaleniem sam zasilacz, a co za tym idzie, również inne, o wiele droższe komponenty układu automatyki – dodaje Zajchowski. Trudno nie zgodzić się z tą opinią.