Napájacie zdroje sú kritickou súčasťou každého systému priemyselnej automatizácie

Čo je napájací zdroj?

Napájací zdroj je zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu z jednej formy na druhú, aby dodával energiu záťaži. V obvode automatizácie sa napájací zdroj používa na premenu prichádzajúceho striedavého napätia na jednosmerné napätie, ktoré je vhodné na napájanie elektronických komponentov obvodu, ako sú snímače, riadiace systémy či akčné členy.
Napájací zdroj musí byť navrhnutý tak, aby poskytoval stabilné a spoľahlivé jednosmerné napätie, ktoré spĺňa požiadavky komponentov v obvode. Napájacie zdroje pre riadiace obvody môžu mať rôzne funkcie, ako je regulácia napätia, ochrana proti preťaženiu, ochrana proti skratu a potlačenie šumu, aby sa zabezpečilo, že komponenty v obvode dostanú čisté a stabilné napájanie.

Význam napájania v automatizačných systémoch

Napájacie zdroje sú kritickou súčasťou PLC (Programmable Logic Controller) a automatizačných systémov. Aby tieto systémy správne fungovali, potrebujú stabilný a spoľahlivý zdroj energie a akékoľvek prerušenie alebo kolísanie výkonu môže spôsobiť vážne problémy, ako napr. sú:

• Odstávka – ak zlyhá napájanie PLC, systém sa zvyčajne vypne. To môže mať za následok značné prestoje, stratu výroby a dokonca poškodenie zariadenia alebo produktov.
• Strata údajov – ak počas zapisovania údajov do pamäte alebo úložiska zlyhá napájanie, údaje sa môžu stratiť alebo poškodiť. To môže spôsobiť vážne problémy, najmä v kritických aplikáciách, ako sú riadenie procesov alebo bezpečnostné systémy.
• Poškodenie prvkov – napäťové špičky alebo iné výkyvy napájania môžu poškodiť citlivé elektronické komponenty v systéme, ako sú mikroprocesory, pamäťové čipy alebo V/V moduly. To môže viesť k nákladným opravám alebo nákladom na výmenu.
• Bezpečnostné riziká – v niektorých aplikáciách, ako sú systémy kritické z hľadiska bezpečnosti alebo nebezpečné prostredie, môže výpadok napájania alebo iné prerušenie spôsobiť vážne bezpečnostné riziká pre personál a zariadenia.

Preto je spoľahlivý a kvalitný zdroj napájania nevyhnutný na zabezpečenie správnej a bezpečnej prevádzky PLC systémov. Navyše, mnohé PLC a automatizačné systémy majú špecifické požiadavky na napájanie, ako je rozsah napätia, prúdová kapacita a certifikácie, ktoré musia byť splnené, aby sa zabezpečila správna prevádzka a súlad s bezpečnostnými normami.

Dimenzovanie napájacích zdrojov pre systémy priemyselnej automatizácie

Aj keď sa priemyselné inštalácie môžu líšiť z hľadiska vyhotovenia alebo účelu, vždy musia obsahovať jeden komponent – napájací zdroj. Bez správneho napájacieho zdroja nebude fungovať ani ten najdokonalejší rozvádzač. Keď si chcete vybrať napájací zdroj pre rozvádzač, musíte si byť vedomí niekoľkých faktorov, ktoré môžu pomôcť vášmu riešeniu bezproblémovo fungovať. Ak chcete vybrať zdroj napájania, ktorý vyhovuje vášmu systému, musíte zvážiť niekoľko faktorov:

• Vstupné napätie – určite rozsah vstupného napätia, ktorý váš systém vyžaduje. To sa môže líšiť v závislosti od konkrétnych komponentov systému a požiadaviek.
• Výstupné napätie a prúd – určite požiadavky na výstupné napätie a prúd vášho systému. To bude závisieť od typu a počtu napájaných komponentov, ako aj od aktuálneho odberu každého komponentu. Uistite sa, že ste si vybrali napájací zdroj, ktorý dokáže poskytnúť dostatočné napätie a prúd pre váš systém.
• Účinnosť – napájacie zdroje s vyššou účinnosťou budú menej plytvať energiou a generovať menej tepla.
• Bezpečnosť a súlad – skontrolujte napájací zdroj z hľadiska príslušných certifikácií, ako napríklad CE alebo UL, aby ste sa uistili, že spĺňa vaše požiadavky.
• Prostredie – zvážte prostredie, v ktorom bude systém nainštalovaný. Ak bude systém inštalovaný v náročnom alebo prašnom prostredí, možno budete potrebovať napájací zdroj s ochranou proti vplyvom prostredia. Nadmerné množstvo nečistôt môže spôsobiť predčasné poruchy a koncový používateľ napájacieho zdroja môže od dodávateľa požadovať analýzu zlyhania z dôvodu straty výroby.

Jednou z metód určenia, či je výrobok vhodný na aplikáciu v náročnom prostredí, je odkázať na jeho klasifikáciu stupňa znečistenia (SZ) podľa tab. 1. Uvedené špecifikácie možno nájsť v medzinárodných normách, ako sú napr. IEC 60601-1, IEC 62368-1 a IEC 61010-1.

Tab. 1 Klasifikácia a príklady kategórií stupňov znečistenia

Jedným z problémov, ktorým čelia návrhári, je nájsť vhodný zdroj napájania, klasifikovaný ako SZ-3. Aby mohol byť napájací zdroj klasifikovaný do tejto kategórie, môže byť potrebné vytvoriť väčšiu vzdialenosť medzi medenými spojmi na doske plošných spojov aj medzi komponentmi. To môže zväčšiť celkovú veľkosť a zvýšiť cenu napájacieho zdroja, čím sa stane nekonkurencieschopným voči bežným produktom. Keďže koncový systém nemusí spĺňať tieto požiadavky, návrhári sa často rozhodnú vybrať napájací zdroj klasifikovaný ako SZ-2. Existuje niekoľko spôsobov, ako zachovať spoľahlivosť produktu. Ďalej uvádzame niektoré z nich.

Povlak dosky s plošnými spojmi (konformný náter) môže poskytnúť ochranu pred vodivým znečistením a občasnou kondenzáciou. Potravinársky priemysel často špecifikuje napríklad povrchovú úpravu dosiek napájacích zdrojov. Hlavným záujmom zákazníkov je, aký typ náteru sa používa, ako sa nanáša na dosky a ako sa následne kontroluje. Pri laku nanášanom ručne štetcom je väčšia pravdepodobnosť problémov s opakovateľnosťou.

Konvekčne alebo kondukčne chladené napájacie zdroje nevyžadujú na svoju prevádzku nútené chladenie vzduchom, či už vnútorným ventilátorom, alebo vzduchom systému. Akékoľvek vnútorné tepelné straty sú prirodzene rozptýlené alebo odvádzané do šasi systému alebo chladiacej dosky. Použitie tohto typu konštrukcie znižuje vystavenie produktu kontaminantom vo vzduchu, ktoré sa nasávajú, časom sa hromadia a neskôr spôsobujú poruchu. Utesnené puzdro je ďalšou možnosťou pre chladený napájací zdroj.

Napájacie zdroje s vnútorným ventilátorom s nízkou alebo premenlivou rýchlosťou nasávajú nečistoty alebo prach s menšou pravdepodobnosťou ako zdroj s vysokorýchlostným ventilátorom alebo viacerými ventilátormi. Je to spôsobené nižším objemom vzduchu, ktorý prechádza produktom.

Uistite sa, že napájací zdroj vypúšťa horúci vzduch z krytu systému. Výrobcovia napájacích zdrojov môžu poskytovať možnosti „reverzného vzduchu“. Môže to znamenať dodatočné zníženie teploty, preto si pozorne prečítajte návod na použitie. Použitie priehradiek v kryte systému môže nasmerovať prúd vzduchu s nečistotami mimo zdroja napájania.

Ďalšou možnosťou je výmena zdroja počas plánovanej údržby. Prekvapivo veľký počet výrobcov považuje napájacie zdroje s nižším príkonom za jednorazovú položku, najmä ak sa používa v drsnom prostredí so zvýšenou teplotou. Pri zvýšenej teplote majú komponenty, ako sú elektrolytické kondenzátory, dramaticky zníženú životnosť – s každým zvýšením teploty o 10 °C sa životnosť kondenzátora skráti na polovicu. Vzhľadom na cenu servisného hovoru to môže byť nákladovo efektívna možnosť.

• Montáž – zvážte, ako bude napájací zdroj namontovaný a zabezpečený v rámci systému. Pri výbere napájacieho zdroja pre priemyselný rozvádzač siahajú technici a vývojári zvyčajne po špecializovaných napájacích zdrojoch, ktoré sú namontované na DIN lištu. Je to dané priemyselným charakterom takýchto konštrukcií a všestrannosťou DIN lišty. Okrem napájacieho zdroja to môže byť miesto na montáž ďalších komponentov priemyselnej automatizácie, ako sú adekvátne ochranné/bezpečnostné komponenty, stýkače a riadiace systémy PLC.
• Rozpočet – zvážte rozpočet dostupný pre napájanie. Rôzne napájacie zdroje sú dostupné s rôznymi funkciami a cenami, takže je dôležité nájsť rovnováhu medzi kvalitou, výkonom a cenou.
• Redundancia – pri kritických systémoch je dobré zvážiť nasadenie redundantného napájania. To zahŕňa použitie dvoch napájacích zdrojov paralelne, takže ak jeden napájací zdroj zlyhá, druhý môže prevziať úlohu napájania. To môže pomôcť minimalizovať prestoje a zabrániť poškodeniu zariadenia.
• Vyberte napájací zdroj s adekvátnou rezervou – pri výbere napájacieho zdroja je dôležité zvoliť ten, ktorý má rezervu z hľadiska kapacity, než akú vyžaduje váš systém. Pomôže to zabezpečiť, že napájací zdroj zvládne akékoľvek dočasné výkyvy dopytu po energii, ktoré sa môžu vyskytnúť.
• Skontrolujte zašumenie a zvlnenie – pri výbere napájacieho zdroja nezabudnite skontrolovať špecifikácie na zašumenie a zvlnenie. Ide o nechcené kolísanie napätia alebo prúdu, ktoré môže spôsobiť rušenie iných komponentov vo vašom systéme. Hľadajte napájací zdroj s nízkym šumom a takými špecifikáciami zvlnenia, ktoré minimalizujú riziko rušenia.

Zohľadnenie týchto faktorov vám pomôže vybrať zdroj, ktorý spĺňa špecifické požiadavky vášho systému a zaistí spoľahlivú a bezpečnú prevádzku.

Trendy v technológii napájania

Predstavte si svet, kde elektronike nikdy nebude chýbať elektrická energia, kde efektivita a udržateľnosť idú ruka v ruke a kde sa energetické prostredie neustále vyvíja, aby vyhovovalo našim neustále sa meniacim potrebám. Vitajte vo vzrušujúcej oblasti technológie napájania! Zatiaľ čo stredobodom pozornosti sú často najnovšie smartfóny alebo špičkové medicínske zariadenia, neospevovanými hrdinami týchto inovácií sú napájacie zdroje, ktoré zabezpečujú ich funkčnosť.

V nasledujúcej časti predstavíme šesť trendov, ktoré sú motormi rozvoja elektronického priemysel. Od vyššej účinnosti a kompaktnejších návrhov napájacích zdrojov až po bezdrôtové nabíjanie, nositeľné zariadenia a vysokonapäťové zariadenia je táto oblasť plná vzrušujúcich vylepšení.

Trend 1: Energetická efektívnosť

S rastúcou chuťou po čoraz väčšom počte elektronických zariadení sa do popredia dostáva aj problematika vyššej efektivity. V reakcii na to sa zdroje energie vyvíjajú tak, aby spotrebovávali menej energie, generovali menej tepla a v konečnom dôsledku predlžovali životnosť zariadení. Dva žiarivé príklady týchto inovácií zameraných na efektivitu sú spínané napájacie zdroje a rozšírené používanie Power over Ethernet (PoE).

Spínané napájacie zdroje prinášajú revolúciu v spotrebe energie rýchlym zapínaním a vypínaním, čím sa riadi tok energie. To nielen šetrí energiu, ale tiež znižuje tvorbu tepla. Ich popularita vzrástla vďaka vysokej účinnosti a kompaktným rozmerom, vďaka ktorým sú ideálne pre aplikácie od spotrebnej elektroniky až po priemyselné zariadenia.
Power over Ethernet predstavuje zmenu v napájaní zariadení internetu vecí (IoT), pretože umožňuje súčasný prenos energie a údajov cez jeden ethernetový kábel. PoE zefektívňuje inštalácie tým, že eliminuje potrebu samostatných napájacích káblov a zjednodušuje proces inštalácie zariadení na ťažko dostupných miestach. Výsledkom je, že PoE sa stalo nenahraditeľným nástrojom v snahe o energeticky efektívnejšiu budúcnosť.

Trend 2: Miniaturizácia a prenosnosť

Keďže sa elektronické zariadenia stále zmenšujú a stávajú sa všestrannejšími, nasleduje dopyt po menších a kompaktnejších zdrojoch napájania. Táto neúnavná snaha o miniaturizáciu splodila novú generáciu malých DC/DC meničov s nízkou spotrebou a AC/DC napájacích zdrojov, ktoré napriek svojej maličkej veľkosti disponujú silným výkonom.

Hnacou silou tohto trendu je rýchle rozšírenie nositeľnej technológie a flexibilnej elektroniky. Tieto špičkové aplikácie vyžadujú flexibilné a ľahké napájacie zdroje, ktoré možno integrovať do nositeľných zariadení bez kompromisov z hľadiska výkonu. Táto výzva podnietila vývoj tenkých prispôsobivých batérií a napájacích zdrojov, ktoré sa bez námahy spájajú s nositeľnými zariadeniami, čo umožňuje vytváranie prelomových produktov, ktoré hladko spájajú technológiu a módu.

Trend 3: Bezdrôtové nabíjanie

Bezdrôtové nabíjanie síce nie je žiadnou novinkou, no do hlavného prúdu sa začalo dostávať len nedávno. Zariadenia, ako sú smartfóny a notebooky, teraz možno nabíjať bez potreby káblov, čo poskytuje bezkonkurenčné pohodlie. Bezdrôtové nabíjacie riešenia zahŕňajú široké spektrum technológií, od jednoduchých nabíjacích podložiek až po pokročilejšie techniky, ako je rezonančná magnetická indukcia a rádiofrekvenčné získavanie energie.

Rezonančná magnetická indukcia funguje tak, že generuje oscilačné magnetické pole medzi dvoma cievkami – jednou v nabíjacej podložke a druhou v nabíjanom zariadení. Táto technológia zvyšuje pohodlie a poskytuje efektívnejšie a presnejšie nabíjanie v porovnaní s tradičnými metódami indukčného nabíjania.

Získavanie rádiofrekvenčnej energie (RF) zase posúva bezdrôtové nabíjanie o krok ďalej tým, že zachytáva okolitú RF energiu zo zdrojov, ako sú signály Wi-Fi, mobilné veže a vysielanie. Táto energia sa potom premieňa na použiteľný jednosmerný prúd, čo umožňuje zariadeniam nabíjať bezdrôtovo aj na diaľku. Ďalší vývoj tejto technológie môže zásadne zmeniť spôsob, akým napájame a nabíjame naše elektronické zariadenia.

Trend 4: Obnoviteľné zdroje energie

Keďže svet koná na základe kritickej potreby začlenenia obnoviteľnej energie do nášho každodenného života, zdroje energie, ktoré sa integrujú s obnoviteľnými zdrojmi energie, ako sú solárne panely a veterné turbíny, sú čoraz častejšie súčasťou rôznych projektov. Tieto inovatívne napájacie zdroje uchovávajú prebytočnú energiu generovanú obnoviteľnými zdrojmi, vďaka čomu je v prípade potreby ľahko dostupná.

Vzhľadom na to, že elektromobilita sa čoraz viac stáva každodennou realitou, prvoradá je potreba efektívnej nabíjacej infraštruktúry a systémov premeny energie. To urýchľuje vývoj pokročilých zdrojov energie schopných premeniť solárne, veterné a iné obnoviteľné zdroje energie na využiteľnú elektrinu pre nabíjacie stanice pre elektromobily.

Vzostup inteligentných sietí zrýchlil dopyt po napájacích zdrojoch, ktoré dokážu komunikovať a prispôsobovať sa neustále sa meniacemu energetickému prostrediu. Tieto napájacie zdroje umožňujú správu energie v reálnom čase, optimalizujú spotrebu energie a uľahčujú hladkú integráciu obnoviteľných zdrojov s tradičnými energetickými sieťami.

Trend 5: Vysokonapäťové napájacie zdroje

Keďže elektronické zariadenia napredujú a sú čoraz sofistikovanejšie, vysokonapäťové napájacie zdroje sú čoraz viac žiadané pre celý rad aplikácií vrátane LCD displejov, LED osvetlenia a elektromobility. Tieto napájacie zdroje poskytujú potrebnú energiu na pohon špičkových technológií pri zachovaní vysokej účinnosti a spoľahlivosti. Napríklad DC-DC meniče ponúkajú niekoľko výhod, ako je vysoká účinnosť, široký rozsah vstupného napätia a výnimočná hustota výkonu. Vďaka týmto vlastnostiam sú obľúbenou voľbou na napájanie pokročilej elektroniky, ako sú lekárske zariadenia, priemyselné stroje a telekomunikačná infraštruktúra.

Okrem toho rastúci dopyt po elektrických vozidlách podnietil výraznú inováciu vysokonapäťových napájacích zdrojov. Pokročilé systémy správy batérií, palubné nabíjačky a vysokonapäťové DC-DC meniče boli vyvinuté na zaistenie bezpečnej a efektívnej premeny, distribúcie a skladovania energie v rámci elektrických vozidiel.

Trend 6: Inteligentné napájacie zdroje

V dobe, keď sú elektronické zariadenia čoraz viac prepojené a inteligentnejšie, sa vyvíjajú aj samotné napájacie zdroje. Inteligentné napájacie zdroje vybavené zabudovanými mikroprocesormi a pokročilými komunikačnými schopnosťami menia spôsob, akým riadime a monitorujeme spotrebu energie. Tieto inteligentné napájacie zdroje dokážu komunikovať s inými zariadeniami a systémami, aby optimalizovali spotrebu energie, zvýšili celkovú efektivitu a poskytovali údaje o spotrebe energie v reálnom čase. Údaje môžu byť neoceniteľné pre zlepšenie výkonu systému, identifikáciu potenciálnych problémov a prijímanie informovanejších rozhodnutí o hospodárení s energiou.

Pohľad do budúcnosti

Oblasť technológií napájacích zdrojov sa bude naďalej vyvíjať a budú sa objavovať stále efektívnejšie a pohodlnejšie riešenia. Miniaturizácia napájacích zdrojov bude neustále napredovať a umožní bezproblémovú integráciu aj do tých najmenších zariadení. Vzostup internetu vecí a neukojiteľný dopyt po energeticky efektívnej elektronike podnietia vývoj inteligentných napájacích zdrojov, ktoré sa dokážu bez námahy prispôsobiť premenlivosti dostupnosti a dodávky elektrickej energie v reálnom čase.

Úspech týchto inovácií v konečnom dôsledku závisí od kolektívneho úsilia výskumníkov, technikov a vedúcich predstaviteľov priemyslu, aby prijali a podporili vývoj technológií napájania. Rozpoznaním a investovaním do potenciálu týchto vylepšení môžeme zabezpečiť, že napájacie zdroje zajtrajška budú čeliť výzvam neustále sa vyvíjajúcej elektroniky.

Literatúra

[1] Fleischer, A.: Powering Ahead: 6 Trends in Power Supply Techno-logy. Octopart. [online]. Publikované 24. 4. 2023.
[2] Choosing the right industrial power supply. TDK-Lambda. [online]. Publikované 29. 11. 2022. 
[3] Salama, M.: Power Supply Sizing for Industrial Automation Systems. Inst Tools. [online]. 
[4] Choosing a power supply for reliable operation in dirty environments. TDK-Lambda Americas Blog. [online]. Publikované 25. 7. 2022. 

-tog-