Spínané napájacie zdroje sú bezpochyby jedny z najobľúbenejších štandardných komponentov na trhu používaných na realizáciu elektronických napájacích systémov. Každé zariadenie si vyžaduje pre svoju prevádzku napájanie, ktoré je zabezpečované najčastejšie z elektrickej siete, preto sa dnes napájacie zdroje používajú prakticky vo všetkých odvetviach modernej techniky bez ohľadu na odvetvie, typ zariadenia a aplikáciu. V oblasti technológií pre vysokovýkonné jednotky sa technologické preteky zameriavajú na účinnosť, malé rozmery s vysokým výstupným výkonom a spoľahlivosť. Na strane distribúcie je dôležité, aby bol výrobok dostupný, poskytoval dobrý pomer cena/výkon a aby sortiment verzií a typov umožňoval výber optimálnej jednotky z hľadiska elektrického výkonu, inštalácie a funkčnosti.

Hlavnými technickými trendmi sú miniaturizácia a vysoká účinnosť

Najdôležitejšou technickou otázkou v oblasti vysokovýkonných zdrojov je miniaturizácia, pretože umožňuje výrobu účinných, ale malých, ľahšie integrovateľných a mobilnejších zariadení. Menšie napájacie zdroje môžu byť aj lacnejšie na výrobu, pretože nepotrebujú veľké chladiče. Kľúčom k miniaturizácii je požadovaná vysoká účinnosť, ktorá zabezpečuje úsporu energie v zdrojoch napájania, čím sa dosahujú nižšie účty a dlhšia životnosť. Napájací zdroj s vysokou účinnosťou sa veľmi málo zahrieva, takže môže pracovať aj v širšom rozsahu teplôt a celá konštrukcia môže byť miniaturizovanejšia, pretože nie je potrebné odvádzať toľko vyprodukovaného tepla, používať vetraný kryt, aktívne chladenie atď.

Vysoká účinnosť často znamená aj nízku poruchovosť napájacích zdrojov, teda nepriamo aj ich dobrú kvalitu. Takéto napájacie zdroje sa nezahrievajú, takže ich komponenty nie sú tak tepelne namáhané. Aj limity výstupného výkonu pri vysokých teplotách okolia sú vyššie. Vysoká účinnosť napájacích zdrojov alebo potreba korekcie účinníka pri vysokom výstupnom výkone je navyše zákonnou požiadavkou pre čoraz viac výrobkov. Najviac sa to týka spotrebiteľských verzií, ale súčasťou tohto trendu sú aj väčšie jednotky.

Výsledkom je, že každá ďalšia generácia napájacích zdrojov, ktoré prichádzajú na trh, má stále vyššiu účinnosť, pričom najlepšie výrobky dosahujú 95 - 96 %, čo je približne o 10 % viac ako pred desiatimi rokmi. Rozširovanie výkonových komponentov na báze nitridu gália by malo ďalej umožniť miniaturizáciu napájacích zdrojov.

Najobľúbenejšími zdrojmi na trhu sú zdroje napájania na lištu DIN, ako aj meniče, nabíjačky batérií a modulárne zdroje napájania. Skriňa z možnosťou osadenia zariadenia na lištu DIN je v súčasnosti jedným z najobľúbenejších technických riešení používaných v priemyselných, ale aj spotrebiteľských inštaláciách. V prevedení "na lištu" sú k dispozícii mnohé typy prístrojov a zariadení vrátane napájacích zdrojov s výkonom do 150 W.

Kvalita napájacích zdrojov je stále aktuálnou témou

Kvalitatívne dobrý napájací zdroj je taký:

• ktorý sa nezahrieva, je účinne chránený proti prepätiu a má dobre fungujúce šumové filtre, dobré kondenzátory a primerané prierezy vodičov vinutých komponentov a výstupných káblov pre výstupný prúd.
• Dobrý napájací zdroj má aj výstupnú ochranu proti prepólovaniu, blokovanie možnosti nekontrolovaného nárastu napätia pri poškodení, prídavné výstupné blokovacie kondenzátory na zníženie šumu a rušenia.
• Dobrý napájací zdroj má aj tepelnú ochranu, ktorá chráni jeho prevádzku pred poškodením buď dočasným vypnutím, alebo znížením výkonu, t. j. znížením výstupného prúdu na bezpečnú úroveň pri vyššej teplote.

Medzi užitočné funkcie, ktoré sa dnes často objavujú v moderných napájacích zdrojoch, patria aj také doplnky, ako je možnosť nastavenia výstupného napätia v malom rozsahu pomocou trimra, aby sa kompenzoval úbytok napätia na výstupných kábloch. Na rovnaký účel slúžia aj multiplexované výstupné svorky alebo možnosť pripojenia dvoch ďalších testovacích vodičov priamo k záťažovým svorkám (tzv. štvorvodičové Kelvinovo zapojenie). Po systémovej stránke sú dnes dobré napájacie zdroje vybavené komplexnými ochrannými obvodmi, rozsiahlymi vstupnými filtrami, regulátormi zabezpečujúcimi indikáciu stavu napájania a podobnými ochrannými obvodmi tak účinnými, že porucha v dôsledku preťaženia, prechodového javu alebo jednoduchej chyby pri inštalácii je prakticky nemožná.

Najpokročilejšie jednotky vybavené digitálnymi rozhraniami umožňujú nielen komplexné monitorovanie aktuálneho stavu alebo ovládanie zapnutia/vypnutia, ale aj nastavenie a odčítanie mnohých prevádzkových parametrov, ako sú napätie, výstupný prúd alebo prahové hodnoty vypnutia ochrany. Niektoré zdroje umožňujú zaznamenávanie poruchových stavov a skutočného prevádzkového času, a dokonca aj predpovedanie zostávajúcej životnosti. Na záver je potrebné zdôrazniť funkcie, ktoré si vyžadujú nové aplikácie a nové požiadavky platných noriem. Patria k nim čoraz sofistikovanejšie systémy korekcie účinníka, aby ste nemuseli platiť dodatočný účet za jalový výkon. K ďalším patrí schopnosť krátkodobo dodávať vysoký prúd potrebný na rozbeh čoraz bežnejších indukčných záťaží, ako sú motory, alebo absorbovať prúd na pomoc pri ich brzdení vrátane vrátenia získanej energie do siete. Patria sem aj riešenia pre čoraz väčšie napájacie zdroje s tichým a bezporuchovým pasívnym chladením a nízkou hlučnosťou, únikovými prúdmi a zvýšeným galvanickým oddelením, ktoré sa vyžadujú v lekárskych aplikáciách.

Ako dôležité sú výkonné napájacie zdroje a nabíjačky pre firmy?

Pre väčšinu spoločností sú vysoko výkonné napájacie zdroje a nabíjačky len jedným z mnohých ponúkaných produktov. Hoci je trh s napájacími zdrojmi veľký a každé zariadenie potrebuje napájací zdroj, veľký počet výrobcov týchto jednotiek sa prejavuje v obrovskej konkurencii, ktorá bráni úzkej špecializácii. Okrem toho sú dnes napájacie zdroje zvyčajne katalógovým produktom, jedným z mnohých komponentov potrebných na zostavenie systémov, ktoré sa kupujú spolu s niečím iným, a preto musia byť súčasťou ponuky mnohých dodávateľov, vrátane tých, ktorí s témou napájania nemajú veľký vzťah. Napájacie zdroje sú súčasťou každej aplikácie a s vývojom elektroniky je potrebných čoraz viac týchto zariadení. Inými slovami, napájacie zdroje dávajú každému šancu uspieť, čo je zároveň výhodou (šírka trhu) aj nevýhodou (vysoká konkurencia).

Elektromobilita podporujúca trh s elektrickou energiou

Elektromobilita je dôležitým nastupujúcim trendom, ktorý mení trh s elektrickou energiou, a stojí za zmienku, že nejde iba o elektromobily. Elektrické sú skladové vozíky vrátane riešení, ktoré fungujú autonómne, roboty a dopravné riešenia menšieho kalibru, ako sú kolobežky, skútre či bicykle. Všetky tieto zariadenia sú napájané batériami a musia mať nabíjačky, t. j. špeciálne zdroje energie.

Podrobnosti o tom, ako prebieha proces nabíjania, závisia od konkrétneho riešenia, ale primárnou súčasťou nabíjačky je vždy napájací zdroj. Nabíjačka by mala byť malá a rýchla, pretože všetkým používateľom záleží na rýchlom nabíjaní a mnohé aplikačné a ekonomické aspekty priamo súvisia s tým, či sa zariadenie dá rýchlo nabiť.

Čoraz viac napájacích zdrojov sú špecializované jednotky

Napájací zdroj je v zásade univerzálny výrobok, ale na trhu sa objavuje čoraz viac verzií s funkciami alebo parametrami zameranými na konkrétne aplikácie. Ide o elektrické vlastnosti, ako je izolačná pevnosť a unikajúci prúd, inštalačné vlastnosti, ako sú konektory, mechanické vlastnosti (kryt, montáž) a funkčné vlastnosti (komunikácia, signalizácia a monitorovanie stavu). Príkladom môže byť vyrovnávací zdroj vybavený batériou, ktorý slúži ako núdzový zdroj energie pre poplašný systém, núdzovú rádiovú komunikáciu atď. Vo všeobecnosti sú špecializované napájacie zdroje doménou priemyselných aplikácií, automatizačných systémov a systémov neprerušovaného napájania v systémoch požiarnej ochrany. Výborným príkladom špecializovaného zdroja napájania je zdravotnícka jednotka napájania, alebo zdroj pre LED osvetlenie.

Ten obsahuje obvod stabilizácie prúdu, ale aj ďalšie riadiace obvody (napr. jas, komunikácia DALI) a ochranu - samotného zdroja, ale aj pripojeného výstupného zariadenia. V prípade LED napájacích zdrojov sa často používajú aj iné kryty a konektory, ktoré sú prispôsobené konkrétnej inštalácii v svietidle alebo elektrických skrinkách. Takéto kryty sú zvyčajne hermetické. Ďalším príkladom špecializovaného napájacieho zdroja je verzia na lištu DIN. Špecializovanými napájacími zdrojmi sú aj laboratórne jednotky používané pri meraniach na napájanie zariadení a na nastavenie signálov predzásobenia. Používajú sa aj vo výrobnej sfére, pri testovaní kvality a automatických skúškach, kde plnia podobnú funkciu ako vysokovýkonné generátory, generátory sieťových porúch a časť testerov zodpovedných za testovanie vyrábaných zariadení na interakciu so zdrojom napájania. Takéto napájacie zdroje umožňujú voľné programovanie parametrov výstupného priebehu "za chodu", a preto sú vhodnou súčasťou meracích systémov a testerov ATE. Tieto jednotky sa vyznačujú najmä tým, že umožňujú reguláciu výstupných napätí a prúdov v širokom rozsahu (napr. štyri kvadranty), majú veľmi dobrú stabilizáciu výstupného napätia a parametre čistoty, často obsahujú niekoľko nezávislých výstupných kanálov a možno ich ovládať z počítača, ktorý funguje ako súčasť meracieho systému.

Korekcia účinníka je čoraz bežnejšia

Korekcia účinníka je už súčasťou väčšiny napájacích zdrojov pre LED osvetlenie (nad 20 W), zdrojov IKT a vybraných jednotiek stredného a vysokého napätia. V prvých dvoch prípadoch sú rozhodujúcim faktorom zákonné požiadavky, v poslednom prípade potreba zabezpečiť nízku úroveň rušenia vnášaného do elektrickej siete. Právne požiadavky predstavujú obmedzenia úrovne harmonických vnášaných do siete. Na splnenie týchto požiadaviek musí byť v napäťových zdrojoch s výkonom nad 100 W v zásade prítomný korektor účinníka.

Samozrejme, spôsobuje to dodatočnú zložitosť obvodu a náklady, pretože implementácia si vyžaduje ďalší tranzistor a tlmivku, regulátor. Keďže aktívna korekcia sa realizuje impulznou metódou na vstupe zdroja, takéto zdroje majú v zásade rozsiahlejší vstupný filter ako analogické jednotky bez PFC.

Výhodou používania napájacích zdrojov s PFC je, že elektrická inštalácia je menej zaťažená nerovnomerným odberom prúdu. Nevzniká problém s kapacitným jalovým výkonom, a teda ani ďalší príplatok na účte za elektrinu. Súkromní používatelia za jalový výkon neplatia, takže sa ich to netýka, ale v prípade tovární, kancelárií, veľkých zariadení, kde je veľa zariadení napájaných zdrojmi bez PFC, sa na účte objaví poplatok za jalový výkon. Často to nie sú malé sumy.

Nové polovodičové materiály v napájacích zdrojoch

Mnohé novinky v oblasti konverzie elektrickej energie zahŕňajú použitie komponentov na báze nových polovodičových materiálov, ako je napríklad nitrid gália (GaN) alebo karbid kremíka (SiC). Takéto komponenty sa používajú v moduloch meničov, konvertoroch a nabíjačkách v oblasti výkonovej elektroniky, e-mobility a podobných aplikáciách. Účinnosť a výkonnosť takýchto jednotiek má kľúčový vplyv na dôležitý výkon vozidla, čas nabíjania a prevádzkové náklady. Preto v takýchto aplikáciách, kde sa životnosť počíta na mnoho rokov, tieto komponenty ponúkajú veľké úspory.

Napriek tomu je väčšina komerčne dostupných napájacích jednotiek a meničov skonštruovaná s použitím kremíkových tranzistorov MOSFET a IGBT. V mnohých aplikáciách tieto pracujú v blízkosti maximálnych prípustných prevádzkových parametrov a vo vysokovýkonných jednotkách sa musia kombinovať paralelne, aby sa zvýšila zaťažiteľnosť. Je preto veľmi pravdepodobné, že táto technológia nebude schopná splniť požiadavky budúcej generácie vozidiel a strojov, pretože zvládanie stále vyšších výkonov bude problematické.

Široké využitie polovodičov, ako je GaN, v napájacích zdrojoch je preto len otázkou času, ale ešte je pred nami dlhá cesta, kým sa tento typ napájacích zdrojov stane masovým produktom.

Tranzistory GaN majú polovičný zapínací odpor RDS(ON) v porovnaní s kremíkovými štruktúrami, čo zase znamená dvojnásobné straty pri vedení. V dôsledku toho sa znižuje aj množstvo tepelnej energie generovanej počas prevádzky obvodu a návrh chladiaceho systému sa môže zjednodušiť. V porovnaní s kremíkovými tranzistormi sa však GaN spínače ťažšie ovládajú. Pri použití GaN je tiež potrebné prekonať problémy, ktoré vznikajú pri vysokej rýchlosti spínania týchto prvkov v súvislosti s prítomnosťou parazitných reaktancií, ktoré sú zdrojom oscilácií, čo si vyžaduje ďalší čas a náklady na návrh. Strmé sklony (vysoké hodnoty dV/dt) vyvolávajú vysokofrekvenčné oscilácie, ktoré spôsobujú elektromagnetické rušenie (EMI), ktoré sa musí odfiltrovať a utlmiť, aby sa zabránilo poškodeniu prepätiami. Okrem toho rýchle spínanie GaN sťažuje ich ochranu proti preťaženiu, pretože môžu zlyhať rýchlejšie, ako stihnú reagovať ochranné obvody.

Sú tiež drahšie ako kremíkové verzie, čo na vysoko konkurenčnom trhu s napájacími zdrojmi obmedzuje mieru ich rozšírenia v napájacích zdrojoch. Paradoxne je dnes jednoduchšie kúpiť si nízkovýkonný napájací zdroj v technológii GaN, napríklad nabíjačku telefónu, ako vysokovýkonný napájací zdroj, pretože pre takéto aplikácie boli vyvinuté špeciálne integrované radiče s takýmito komponentmi. Je zrejmé, že technológiu GaN čaká svetlá budúcnosť, ale potrvá ešte dlho, kým sa riešenia stanú bežnými.

Vyššia bezpečnosť pri všetkých typoch napájania

Spínané napájacie zdroje zabezpečujú napájanie čoraz citlivejších systémov a sústav, napr. zdravotníckych prístrojov, meracích zariadení, pre distribuované inštalácie napájané z rôznych sietí. Otázky spojené so zabezpečením ochrany pred nebezpečným sieťovým napätím sú preto veľmi dôležité.

Napájacie zdroje sa vyrábajú v dvoch triedach izolačnej ochrany: základná I a zosilnená II. Zo strany utility sa to prejavuje tak, že verzie s vyššou izolačnou pevnosťou boli doménou spotrebných adaptérových zdrojov, tie so základnou izoláciou pokrývali všetko ostatné vrátane všetkých vyšších výkonových jednotiek. Zosilnená izolácia, pre ktorú sa v požiadavkách uvádza, že vydrží skúšobné napätie 3 000 V AC, umožňuje pripojenie zdroja k sieti bez uzemnenia, a teda s dvoma vodičmi. Ak je izolácia triedy I (skúšobné napätie 1500 VAC), napájací zdroj sa pripája tromi vodičmi (L, N, PE).

S pribúdajúcimi rokmi toto pravidlo čoraz viac prestáva platiť. Mnohé vysokovýkonné napájacie zdroje sa vyrábajú v izolačnej triede II bez ohľadu na to, že sú určené na trojvodičové pripojenie. Tento trend možno vnímať aj ako zvyšovanie kvality napájacích zdrojov po stránke elektrickej bezpečnosti. Okrem toho má množstvo napájacích zdrojov izoláciu, ktorá odoláva aj vyšším skúšobným napätiam a má nízky zvodový prúd, hlboko pod hraničnými hodnotami stanovenými príslušnými normami. Aj to je znakom toho, že na bezpečnosti záleží čoraz viac. Nie je ťažké si všimnúť, že štandardom je aj to, že prevažná väčšina malých a stredných napájacích zdrojov pracuje v širokom rozsahu vstupných napätí, od 100 do 240 VAC a často 90-265 VAC. Aj to možno chápať ako zvýšenú bezpečnosť používania.