Резервируемые блоки питания это
При проектировании любой системы безопасности объекта, будь то система охранно-пожарной сигнализации, охранного телевидения или контроля и управления доступом, всегда необходимо тщательно подходить к вопросу обеспечения ее гарантированного электропитания. Как бы проста или сложна ни была ваша система независимо от ее функций и возможностей, эффективность ее работы во многом зависит от электроснабжения. Электронное оборудование систем безопасности очень чувствительно к колебаниям и сбоям, которые часто присутствуют в стандартных питающих сетях. Это особенно актуально в условиях общего энергетического кризиса и снижения технологической дисциплины.
Последствия некачественного электроснабжения могут быть так же велики, как и его причины: от небольших сбоев и остановок в работе до серьезных поломок оборудования, порчи программного обеспечения и потери данных.
К сожалению, очень часто заказчики, проектные и монтажные организации относятся к вопросам обеспечения гарантированного электропитания систем безопасности достаточно формально, что связано, в первую очередь, с кажущейся незначительностью вопроса и отсутствием достаточно объективной информации по техническим характеристикам используемых источников питания и, как следствие, объективных критериев для их выбора.
Из всего многообразия аппаратуры, которая, так или иначе, применяется в системах безопасности, источники питания являются одними из самых функционально "простых" устройств. Именно эта кажущаяся простота и привела к появлению на рынке огромного количества производителей и не менее огромного количества источников питания. Правильный выбор источников вторичного питания существенно затрудняется отсутствием развитой базы нормативных документов, как на параметры самих источников, так и на их применение в составе систем безопасности объектов. Единственным параметром источников питания, фигурирующим в нормативных документах по оснащению объектов системами безопасности, является длительность резервирования электропитания систем охранно-пожарной сигнализации. Для особо важных объектов эта длительность составляет не менее 24 часов в дежурном режиме и не менее 3 часов в режиме тревоги. Кроме того, увидевшие свет в 2000 году Нормы Пожарной Безопасности НПБ 86-2000 определяют основные функции и параметры, которые должны быть реализованы в источниках питания для систем пожарной сигнализации.
Недостаток нормативных документов объясняет разнообразие мнений относительно критериев их выбора для конкретных систем безопасности. Негативную роль в этом играет и отсутствие единообразия в терминологии. Поэтому начнем с терминологии и классификации источников питания.
Все, что будет сказано ниже, относится ко вторичным источникам питания постоянного тока для питания низковольтных (12 В, 24 В) слаботочных цепей. Источники гарантированного питания на 220 В переменного тока - тема для отдельного разговора и здесь они не рассматриваются.
Уровень пульсаций на выходе
Уровень пульсаций — один из тех параметров, в котором допускается произвол в определении. При сравнении блоков надо внимательно смотреть, какой именно параметр пульсаций задан в паспорте. Для трансформаторных блоков наиболее объективным параметром является двойная амплитуда пульсаций.
Очень часто недобросовестные производители указывают в паспорте параметр «амплитуда пульсаций», который, естественно, оказывается в 2 раза ниже (т.е. лучше). А если для обычного трансформаторного блока указан параметр «эффективное напряжение пульсаций», то производитель обманывает вас примерно в 3 раза! С другой стороны, для блока с высоким уровнем ВЧ помех (для импульсных блоков), наоборот, параметр эффективного значения пульсаций является наиболее объективным, т.к. зачастую невозможно корректно померить амплитуду ВЧ импульсов.
И, конечно, важно, в каком режиме мерились эти пульсации. По всем правилам пульсации должны измеряться в самом жестком режиме — при минимально допустимом напряжении сети на входе (187В) и при максимальной нагрузке выхода блока. По всей видимости, не все производители блоков это знают, ибо проводимые нами испытания приборов различных производителей показывают, что у некоторых из них уровень пульсаций не соответствует заявляемым в документации именно при испытаниях в критических режимах.
Шаг I
Составьте список используемого оборудования (потребителей), разделив его на три категории:
- приборы, которые включены всегда, и не имеют своего штатного сетевого источника питания (датчики, камеры и т.п.);
- приборы, которые включены всегда, но имеют свой штатный источник питания (обычно это ППК, мониторы и т.п.);
- приборы, которые будут включаться периодически и кратковременно (сирены, узлы пожаротушения и т.п.).
Просуммируйте ток потребления приборов этих трёх категорий. Обозначим эти токи — I1, I2, I3.
Ток, который должен обеспечивать источник при наличии сети Iс=I1.
Ток, который должен обеспечивать источник при отключении сети от резервных батарей Iр= I1+I2.
Ток, который должен обеспечивать источник кратковременно (в зависимости от времени работы устройств третьего типа) Iк= I1+I2+I3.
Если у Вас довольно большая система, и ток Iс превосходит 2 А, попытайтесь проанализировать, существует ли возможность разделить питания аппаратуры по группам. Применение нескольких источников питания часто бывает удобно с точки зрения монтажа, особенно на объектах, имеющих большую протяженность (нельзя забывать о потерях на соединительных проводах), и существенно повышает надежность всей системы в целом. Разница в цене нескольких маломощных источников и одного мощного обычно бывает незначительной.
Разделение нагрузки на несколько источников также бывает целесообразно при необходимости обеспечить длительное время резервирования. Связано это с тем, что подавляющее количество источников рассчитано на работу с АКБ ёмкостью 7 или 11 Ач, а это означает, что ток 2 А в течении 6 часов уже получить не удастся. В таком случае стоит разбить нагрузку на два источника с током 1 А каждый и емкостью 7 Ач. Стоимость обеспечения питания при этом вырастет несущественно.
При разделении нагрузки на несколько групп указанные выше токи следует определить для каждой группы. При разделении на группы следует по возможности объединять потребителей с однотипными режимами потребления, прежде всего, выделять потребителей 2-й и 3-й группы. В этом случае их можно будет запитывать от недорогих резервных источников. Соответственно потребителей 1-й группы необходимо питать от более дорогих источников непрерывного питания.
Основные термины, используемые в разделе
- Бесперебойный (резервированный) источник питания - устройство, которое обеспечивает электропитание нагрузки всегда с указанными параметрами, т.е., одновременно выполняет функции основного и резервного источника питания, при этом при пропадании основного напряжения автоматически переходит на резервное питание.
- Емкость аккумулятора - произведение тока разряда аккумулятора на время разряда. Для герметичных АКБ емкость указывается из расчета 20-часового разряда. Т.е. АКБ 7Ач можно разряжать током 0,35А в течение 20 часов.
- Резервный источник питания - устройство, предназначенное для электропитания нагрузки при отсутствии входного напряжения.
- Совмещенный источник питания - бесперебойный источник питания, обеспечивающий несколько выходных напряжений.
- Стабилизированный источник питания - устройство, обеспечивающее стабилизированное выходное напряжение, но не имеющие встроенного аккумулятора для обеспечения бесперебойного питания в случае пропадания входного напряжения.
Основные параметры
Рассмотрим основные параметры вторичных источников питания.
Один из важнейших параметров - напряжение питания сети. В России стандарт на электросети допускает интервал напряжений от 187 до 242 В (220 В +10%, -15%). Зарубежные требования к сети более жесткие (интервал меньше), поэтому импортные вторичные источники бесперебойного питания не рекомендуется использовать в наших сетях. Более того, некоторые отечественные источники бесперебойного питания выпускаются с параметрами, гарантированными в диапазоне от 198 до 242 В (220 ± 10%), что не соответствует российскому стандарту на сети. Использование таких источников питания в реальных условиях чревато либо хроническим недозарядом АКБ, либо срывом стабилизации напряжения, что совершенно недопустимо для систем безопасности. В последнее время на рынке появились источники бесперебойного питания с расширенным диапазоном питающей сети: порядка 150. 250 В, т.к. во многих регионах России пониженное напряжение в сети является нормальным состоянием.
Отсутствие четких требований и стандартов на вторичные источники бесперебойного питания приводит к произволу в определениях и терминологии, что часто запутывает потребителя. Необходимо знать и помнить, что основным параметром вторичного источника бесперебойного питания является выходной номинальный ток. Это ток, который может отдаваться источником при сохранении заявленного уровня пульсаций, при любом допустимом напряжении в сети в интервале не хуже 187 - 242 В, при любом (в т.ч. разряженном) состоянии АКБ и во всем допустимом рабочем интервале температур. Только на этот ток вы можете рассчитывать при построении любой системы безопасности.
Очень часто производители вторичных источников бесперебойного питания в качестве основного параметра указывают ток, отдаваемый в нагрузку без подключенной АКБ (иногда его называют максимальный ток), но необходимо помнить, что часть этого тока отбирается для зарядки АКБ, и в нагрузку гарантировано может отдаваться только номинальный ток.
Все профессиональные вторичные источники бесперебойного питания имеют защиту от глубокого разряда АКБ. Некоторые источники питания позволяют подключать дополнительные источники резервного питания для увеличения времени работы в режиме резерва. Многие источники питания имеют повышенные выходные токи в режиме резерва (при отсутствии сети) или кратковременно, что позволяет существенно оптимизировать питание систем безопасности. В первую очередь, это касается систем оповещения и пожаротушения.
Выбирать вторичные источники бесперебойного и резервного питания следует только отечественного производства и от производителей, специализирующихся на их выпуске.
Развитие рынка безопасности, а так же появление НПБ 86-2000 привело к тому, что все выпускаемые источники можно разделить на три основные группы по применению - источники общего применения, источники для систем CCTV и источники для систем ОПС.
Источники общего применения - недорогие источники с упрощенным набором возможностей и параметров. Могут использоваться при построении простых систем СКУД, систем охранной сигнализации на неответственных объектах.
Профессиональные источники для ОПС - в первую очередь, отличаются наличием в них функций и возможностей, предусмотренных НПБ 86-2000 - таких как электронная защита от КЗ, определение наличия АКБ, индикация и информационные выходы об авариях источника и АКБ.
Источники питания для CCTV - многоканальные источники, специально разработанные для питания дорогостоящей аппаратуры CCTV. Имеют возможность поканальной регулировки напряжения для работы на длинных линиях, фильтры, защищающие камеры от перекрестных помех, дополнительные меры защиты оборудования и т.д. Помимо источников постоянного тока для питания CCTV применяются переменные напряжения 24 и 220В.
Последнее время заметное развитие получили источники с возможностью установки АКБ большой емкости, либо с возможностью подключения дополнительных внешних АКБ. Это позволяет обеспечивать длительную работу объекта при авариях основной сети.
Появившиеся не так давно в номенклатуре производителей источники бесперебойного питания уличного исполнения позволяют организовать питание распределенных периметральных систем или уличных систем видеонаблюдения. При применении источников питания на улице следует помнить, что емкость АКБ существенно падает при отрицательных температурах - в этом случае следует применять специальные термостаты для АКБ.
Помимо пропаданий сетевого электропитания, большой вред аппаратуре наносят скачки напряжения в сети и высоковольтные импульсы, возникающие при грозовых разрядах или коммутационных помехах. В этом случае хорошую службу сослужат стабилизаторы (для большинства применений в системах безопасности достаточно мощностей около 1 кВт) и устройства защиты от импульсных помех и перенапряжений.
Шаг III
Итак, Вам известны токи Iс, Iр, Iк и емкость АКБ А. Пора выбирать источник. В самом простом случае, а также, если Вы не можете разделить нагрузку по типам потребителей. Вы выбираете источник, который сможет обеспечить Iк — самый большой из токов.
Если система достаточно большая, и Вы хотите оптимизировать ее, то стоит применять два прибора — один бесперебойный, обеспечивающий ток Iс, и резервный источник питания, рассчитанный на ток (Iк — Iс).
Как выбрать блок бесперебойного питания?
ИБП интерактивного типа
Основным отличием ИБП интерактивного типа от ИБП резервного типа является наличие дополнительного встроенного стабилизатора напряжения. Источники бесперебойного питания интерактивного типа имеют следующую схему работы. Если напряжение в электрической сети есть, но оно ниже номинального или выше номинального, то ИБП интерактивного типа работает как стабилизатор напряжения. Если сетевое электропитание пропадает, или напряжение в электрической сети выходит за пределы возможности регулирования встроенного стабилизатора, то ИБП переходит в режим резервного питания.
Инверторы интерактивных ИБП могут выдавать в зависимости от схемы построения как правильную синусоиду напряжения, так и квази-синусоиду.
Схема работы ИБП интерактивного типа:
Преимущества ИБП интерактивного типа:
- невысокая стоимость ИБП;
- увеличение надежности электропитания за счет более редкого перехода на питание от АКБ;
- достаточно высокое значение коэффициента полезного действия;
- возможность регулирования напряжения в установленном диапазоне;
- простота в обслуживании и ремонте.
Недостатки ИБП интерактивного типа:
- наличие времени переключения режимов работы (примерно 0,01 с);
- отсутствие возможности регулировать частоту тока при работе в основном режиме;
- форма выходного сигнала при работе в резервном режиме может быть квази-синусоидной (зависит от модели ИБП);
- невозможность использования ИБП для электронных приборов, не допускающих даже минимальных сбоев питания.
ИБП резервного типа
Источники бесперебойного питания резервного типа имеют очень простую схему работы. Если напряжение в электрической сети есть, и оно находится в диапазоне допустимого входного напряжения, то питание нагрузки осуществляется от сети. Если сетевое электропитание пропадает, или напряжение в электрической сети выходит из установленного диапазона, то ИБП переходит в режим резервного питания. При этом в нормальном режиме работы ИБП может улучшать качество электропитания за счет встроенных сетевых фильтров.
При переключении источника в режим резервного питания он работает как инвертор, преобразовывая напряжение аккумуляторных батарей в выходное напряжение 220 Вольт. Длительность резерва при этом зависит от общей емкости используемых АКБ и величины полезной нагрузки. ИБП, построенные по этому принципу, имеют низкую себестоимость. Это и является главным преимуществом таких приборов.
Главным недостатком такой схемы является длительность переключения режимов работы. И хотя время переключения может составлять сотые доли секунды, этого может быть достаточно для нарушения работы чувствительной внешней нагрузки. Прекращение электропитания даже на доли секунды может вызвать сбои в работе некоторых электронных систем. В случае использования ИБП в сетях с постоянными колебаниями напряжения необходимо дополнительно использовать стабилизатор напряжения.
Схема работы ИБП резервного типа
Преимущества ИБП резервного типа:
- низкая стоимость ИБП;
- высокое значение коэффициента полезного действия;
- минимальные потери на тепловыделение;
- низкий уровень шума;
- простота в обслуживании и ремонте.
Недостатки ИБП резервного типа:
- наличие времени переключения режимов работы (примерно 0,01 с);
- отсутствие возможности регулировать напряжение и частоту выходного напряжения при работе в основном режиме;
- форма выходного сигнала при работе в резервном режиме может быть квази-синусоидной;
- невозможность использования ИБП для электронных приборов, не допускающих даже минимальных сбоев питания.
Схема защиты АКБ от глубокого разряда
Известно, что обычный свинцовый 12 В аккумулятор при глубоком разряде и падении напряжения ниже примерно 10 В выходит из строя из-за необратимых химических изменений. Однако этого недостатка лишены герметичные необслуживаемые АКБ с гелевым электролитом. Подобные батареи от нормальных производителей выдерживают до 200 циклов глубокого разряда, более того, 50-60 циклов являются хорошей тренировкой АКБ и несколько поднимают её ёмкость.
Тем не менее, считается правилом хорошего тона встраивать в источники бесперебойного питания схему отключения АКБ при достижении опасного порога глубокого разряда. Последнее время это стало особенно актуально в связи с появлением на рынке дешевых китайских АКБ, которые из-за применения при их производстве более дешевых технологий и материалов едва выдерживают несколько циклов, а то и вообще их не выдерживают. Для таких АКБ, бесспорно, необходимо применение схем защиты. Хотя лучше вообще не использовать подобные АКБ, тем более, что разница в цене между нормальным и «китайским» аккумулятором не такая уж и большая.
Проблема заключается в том, что, как и любые другие вещи, китайские производители АКБ часто подделывают известные марки АКБ. Единственный способ уберечься от подделки — это покупать АКБ в проверенных фирмах, в которых Вам наверняка скажут, что именно это за батарея.
Схемы защиты АКБ тоже бывают разными. Нормальные устройства выполнены на базе реле или на мощном дорогом полевом транзисторе. Применение дешевых биполярных транзисторов в качестве ключей приводит к дополнительному падению напряжения на ключе и, как следствие, к сокращению времени резервной работы.
Выбор источников питания
В заключение несколько советов по выбору вторичного источника питания.
- Всегда внимательно изучайте паспорта на источники питания или старайтесь получить дополнительную информацию у производителя.
- Старайтесь применять на одном объекте источники одного и того же производителя: это избавит вас от сложностей и проблем при последующем обслуживании.
- Не применяйте импортные вторичные источники бесперебойного питания. Как правило, они не предназначены для работы с нашими электросетями.
- Никогда не используйте источники питания, которые работают в диапазоне питающей сети от 198 до 242 В. Помните, что электросеть 220 В в России может, по ГОСТу, опускаться до 187 В, а реально и ниже.
- Старайтесь не использовать на ответственных объектах источники с высокочастотными преобразователями.
- Старайтесь использовать источники питания со схемой защиты АКБ от глубокого разряда.
- Не экономьте на дешевых АКБ неизвестных производителей и недобросовестных поставщиков.
- Никогда не полагайтесь при принятии решений на параметры, указанные в прайс-листах или рекламных проспектах. Источник питания - прибор не менее сложный и важный, чем извещатель или контроллер. Требуйте паспорт и внимательно изучайте характеристики изделия.
- При организации питания CCTV используйте специализированные источники.
- На объектах с проблемными электросетями используйте дополнительно стабилизаторы и устройства защиты от скачков напряжения.
По материалам статей М.Г. Яновского, опубликованных в журнале "Скрытая камера"
Типы источников
Все вторичные источники питания по типу использования можно разделить на два основных класса.
Первый - это вторичные источники, или блоки бесперебойного питания, или источники вторичного электропитания резервированные (ИВЭПР). Более понятно, но редко, их называют источниками непрерывного питания. Подобные устройства предназначены для питания аппаратуры, которая не имеет своего встроенного сетевого источника питания. Как следует из названия, такие источники обеспечивают питание нагрузки всегда с указанными на них параметрами. Подобные источники питания состоят из сетевого источника питания достаточной мощности, зарядного устройства для аккумуляторной батареи (АКБ) и схемы переключения нагрузки с сетевого источника на АКБ.
Второй - это вторичные источники (блоки) резервного питания. Они предназначены для обеспечения питания нагрузки при отсутствии основного источника (сети 220 В). Работают с аппаратурой, которая имеет сетевой преобразователь и входы под резервное питание. По своей сути они представляют собой сетевые зарядные устройства для АКБ и схемы защиты.
Понятно, что источник бесперебойного питания можно использовать как источник резервного питания, но никак не наоборот. Источники резервного питания существенно дешевле, т.к. в них отсутствует мощный сетевой преобразователь.
Шаг II
Следует определить, какое время резервирования Вам необходимо. Допустим, это время t, выраженное в часах. Тогда оптимальную ёмкость АКБ для обычных источников без преобразования напряжения батареи можно рассчитать по формуле:
А = 1.3 х Iр х t.
Коэффициент 1,3 следует применять, т.к. реально в нормальных режимах АКБ способна отдавать примерно не более 70 % емкости. Более того, подобное верно для АКБ хорошего качества. Если Вы используете дешевые «китайские» батареи, то стоит емкость увеличить еще примерно на 30 %.
В случае использования источников с преобразованием напряжения АКБ, необходимо указанную емкость умножить на коэффициент преобразования и дополнительно увеличить на 30 %, чтобы компенсировать потери при преобразовании. Например, если Вы используете источник с одной батареей 12 В, а на выходе получаете 24 В, 0.8 А (т.е. коэффициент преобразования =2), то для обеспечения 4 часов работы Вам нужно иметь емкость АКБ:
А = 1.3 х 0.8 А х 4ч х 2 х 1.3 = 10.8 Ач — для АКБ хорошего качества.
Для «китайской» АКБ я бы рекомендовал иметь 10.8 + 30% = 14 Ач.
Система бесперебойного питания. Терминология ИБП, ББП, БРП, ИВЭПР, РИП
Резервное (гарантированное) питание — это электропитание, при котором система или отдельный ее узел постоянно питаются от основного источника , а подключение резервного источника происходит лишь при пропадании напряжения в основной питающей цепи.
Бесперебойное питание — это электропитание, при котором источник одновременно выполняет функции и основного, и резервного. При пропадании напряжения в основной цепи источник бесперебойного питания автоматически переходит на резервное питание.
В общем случае, в технической литературе все источники с функцией резерва можно называть «источниками вторичного электропитания резервированные (ИВЭПР)». Для таких источников приняты так же названия: ББП (блок бесперебойного питания), БРП (блок резервированного питания) , РИП (резервированный источник питания), ИВП (источник вторичного питания). При этом термины «ИВЭПР», «РИП», «ИБП» чаще используют специалисты по построению ОПС, систем контроля доступа и систем безопасности. Термины «ББП», «БРП» обычно используются при построении систем связи, коммуникационных узлов, в системах домофонов и в системах оповещения. Источники бесперебойного питания для систем наблюдения CCTV обычно называются «ИБП», «ИВЭПР», «РИП». Автономные ИБП (источники бесперебойного питания), ИВЭПР ( источники вторичного электропитания резервированные), РИП (резервированные источники питания) как правило обеспечивают подачу электроэнергии на одно или несколько устройств или систем. Эти источники имеют как правило мощность до 500 Вт и обеспечивают необходимые выходные напряжения.
При построении системы бесперебойного питания объекта инженеры могут использовать принципа резервного и бесперебойного питания.
Выходное напряжение блока питания
Всем известно, что свинцовый аккумулятор с напряжением 12 В реально имеет напряжение на клеммах до 14,5 В в заряженном состоянии без нагрузки, которое может падать до 10 В и менее при разряженном аккумуляторе. Так же, когда мы говорим о ББП с напряжением 12 В, это вовсе не означает, что напряжение на выходе блока будет именно 12 В. Как правило, это напряжение немного меньше, чем напряжение заряженной АКБ в буферном режиме — 13,2-13,8 В. Существуют источники, у которых напряжение действительно поддерживается точно 12 В. Есть источники, в которых напряжение может регулироваться в некоторых пределах.
В зависимости от типа источника, при работе от АКБ (в резервном режиме) напряжение на выходе либо падает постепенно до 10,0-10,5 В (так устроены большинство блоков) по мере разряда АКБ, либо остается стабилизированным на уровне 12 В (такое встречается реже в сложных источниках с ШИМ-преобразователями).
Поэтому, прежде всего, Вам необходимо выяснить, в каком диапазоне напряжений способна работать ваша аппаратура. Как правило, современные 12 В камеры или датчики известных производителей сохраняют свою работоспособность в диапазонах от 9 до 15 В. Но известны случаи, когда «безымянные» корейские камеры горели при подаче на них напряжения порядка 14 В, что иногда встречается а ББП. Большинство производителей указывает в паспортах на ББП диапазон выходных напряжений при наличии сети и при работе от АКБ.
Выходной ток источника
И вот тут мы подошли к главному полю битвы за сердца (а точнее, кошельки) добросовестных монтажников ОПС. Полная неразбериха в терминологии дает возможность манипулировать цифрами в огромных пределах. Сразу хочу указать единственно справедливый и объективный параметр: номинальный ток нагрузки — это ток, который может отдаваться при питании от сети в нагрузку ВСЕГДА, независимо от обстоятельств, сколь угодно длительное время и при сохранении уровня пульсаций. При любом допустимом напряжении в сети, при любом состоянии АКБ, при любых климатических условиях в допустимом рабочем интервале температур.
Любые другие параметры носят либо дополнительный справочный характер, либо призваны задурить голову потребителю. Помните, если в паспорте на блок питания не указан этот параметр (или его синоним),— Вы держите в руках кусок железа. Даже если указан параметр типа «номинальный ток нагрузки без АКБ», это означает, что указанный ток блок может отдавать без установленной батареи, а с ней ток будет НИЖЕ, а иногда существенно ниже! Поясню с помощью сильно упрощенной блок-схемы ББП:
Iс — ток, который обеспечивает сетевой преобразователь, идет на зарядку АКБ Iз и на питание нагрузки Iвых. Когда в параметрах указывается что-либо типа «максимальный ток без АКБ», то это как раз ток сетевого преобразователя, т.к. в случае отсутствия АКБ Iз=0, и весь его ток пойдет в нагрузку. А вот если АКБ присутствует и разряжена, то часть тока будет уходить на зарядку АКБ, и только оставшаяся часть Iвых может отдаваться в нагрузку. Когда АКБ заряжена, то она не потребляет тока, а вот после некоторого времени работы в резервном режиме и последующем включении сети, АКБ может потреблять достаточно большой ток.
Так, например, один часто используемый источник, который, согласно рекламным материалам, обеспечивает ток 1 А и даже 1.6 А кратковременно, на самом деле обеспечивает гарантированно в нагрузку ток всего 0.35 А, что становится ясным после детального изучения паспорта на него. Т.е. в 3 раза ниже заявленного в рекламных материалах! При внимательном изучении паспорта на данный прибор выясняется, что при работе с АКБ максимальный ток 0.7 А, и из них 0.35 А идет на зарядку АКБ при сильно разряженной АКБ!
Схемотехнические решения
По схемотехническим решениям источники можно разделить на три категории. Основным критерием является способ построения мощного низковольтного стабилизатора.
Первая категория - это источники питания с высокочастотным импульсным стабилизатором. К достоинствам можно отнести высокий КПД, малые габариты и широкий диапазон входного сетевого напряжения, а также невысокую стоимость. Недостатки - высокий уровень помех и средний уровень надежности. Поэтому в системах безопасности пока применяются крайне редко, однако развитие элементной базы сулит со временем неплохие перспективы этому типу приборов.
Вторая категория - это трансформаторные источники питания с ШИМ-стабилизатором. Их достоинства - высокий КПД и невысокая цена. Недостатки - высокочастотные помехи на выходе. В последнее время, благодаря развитию современной элементной базы, эти источники получили большое развитие. Иногда ШИМ-стабилизаторы применяются для преобразования одного напряжения в другое при разработке источников питания с несколькими напряжениями на выходе или при необходимости получить на выходе напряжения, не равные напряжению АКБ.
Третья категория - это трансформаторные источники питания с линейным стабилизатором. Их достоинства - высокая надежность, низкий уровень помех, хорошая ремонтопригодность. Однако существенный недостаток - это постоянный рост стоимости, пропорциональный росту цен на цветные металлы, а также большая масса и габариты. Однако, учитывая специфику применения в системах безопасности, эти источники еще долго будут фаворитами.
Многолетний опыт оснащения объектов системами безопасности показывает, что при выборе вторичных источников питания для таких систем основной критерий - это надежность и запас прочности. С этой точки зрения, выбор, бесспорно, падает на классические линейные источники питания. По устойчивости к внешним воздействиям они не знают себе равных. Более того, они абсолютно не создают помех другой аппаратуре. При токах до 2 А эти блоки вполне конкурентоспособны по цене. При токах 2 А и выше последнее время все чаще используются ШИМ-стабилизаторы, которые при применении некоторых схемотехнических ухищрений по надежности и качеству выходного тока уже достигли уровня линейных стабилизаторов при меньшей стоимости.
Все блоки по типу использования можно разделить на 2 основных класса:
- ББП — блоки бесперебойного питания или блоки питания резервированные. Более понятно, но редко, их называют «блоками непрерывного питания». Подобные устройства предназначены для питания аппаратуры, которая не имеет своего встроенного сетевого источника питания. Как следует из названия, ББП обеспечивают питания нагрузки ВСЕГДА с указанными параметрами. Подобные блоки состоят из сетевого источника питания достаточной мощности, зарядного устройства для аккумуляторной батареи (АКБ) и схемы переключения нагрузки с сетевого источника на АКБ.
- БРП — блоки резервного питания. Предназначены для обеспечения питания нагрузки при отсутствии основного источника (сети 220 В). Работают с аппаратурой, которая имеет встроенный сетевой преобразователь и входы под резервное питание. По сути, представляют собой сетевые зарядные устройства для АКБ и схемы защиты.
Понятно, что блок бесперебойного питания можно использовать как блок резервного питания, но не наоборот. Блоки резервного питания существенно дешевле, т.к в них отсутствует мощный сетевой преобразователь.
Часто встречаются изделия, которые могут обеспечивать один ток в режиме ББП и гораздо больший ток в режиме БРП. Это совершенно понятно, т.к. в режиме отсутствия сети источником тока является аккумулятор, который, как известно, способен отдавать достаточно большие токи, и ограничением здесь являются только цепи защиты.
Наиболее типичны ситуации, когда ток источника в резервном режиме превышает в 2-3 раза ток в режиме бесперебойного источника. Для некоторых специфичных применений, таких, например, как системы оповещения или пожаротушения, иногда можно применять блоки резервного питания как основные источники питания, т.к. подобные системы характеризуются ничтожно малым током потребления в дежурном режиме и большими токами в момент срабатывания или активирования систем пожаротушения.
Расчет падения напряжения на проводах в зависимости от тока нагрузки
ΔU=2 x I x Rуд. x L/Sпр.
где:
ΔU - падение напряжения на проводах, В
I - ток, потребляемый нагрузкой, А
Rуд. - удельное сопротивление материала проводов (для меди – 0,07 Ом х мм 2 /м)
L - длина проводов, м
Sпр. - площадь сечения проводов (Sпр. = π d 2 /4 ), мм 2
d – диаметр провода, мм
π - 3,1415
При построении любой системы безопасности, будь то система ОПС, ССТV или СКУД, всегда необходимо тщательно подходить к немаловажному вопросу обеспечения гарантированного электропитания системы. К сожалению, очень часто проектные и монтажные организации относятся к этому достаточно формально, что связано, в первую очередь, с кажущейся незначительностью вопроса и с отсутствием достаточно объективной информации по техническим характеристикам используемых приборов и, как следствие, объективных критериев для выбора.
В данной статье я попытаюсь указать на те основные моменты, которые следует учитывать при принятии решения о выборе оборудовании и корректном расчете электропитания. Как заметил после выставки в Санкт-Петербурге один уважаемый мною человек, хорошо знающий рынок security: «Теперь только самый ленивый не делает блоки питания». И действительно, из всего многообразия аппаратуры, которая, так или иначе, применяется в охранных системах, блоки питания являются одними из самых функционально «простых» устройств.
Именно эта кажущаяся простота и привела к появлению на рынке огромного количества производителей и огромного количества блоков. А это, к сожалению, приводит к тому, что в пылу конкуренции производители сознательно идут на обман потребителя, приводя в рекламно-информационных материалах неверные и откровенно завышенные параметры своих источников. При этом очень трудно поймать их за руку, ибо не существует общепринятых стандартов и терминологии для систем гарантированного электропитания.
Сертификация оборудования в данном случае не является гарантом его качества, ибо при сертификации проверяется соответствие реальных параметров прибора заявленным в технической документации и не более того.
Начнем с терминологии и классификации блоков. Все, что будет сказано ниже, относится к блокам питания постоянного тока для питания низковольтных (12 В, 24 В) слаботочных цепей. Блоки гарантированного питания 220 В — тема для отдельного разговора.
Диапазон входных напряжений сети
Здесь потребителя ждет подвох. Согласно существующему ГОСТу на электросети, в РФ напряжение в сети установлено 220 +10% -15%. Т.е. в диапазоне от 187 до 242 В. Любой блок питания должен обеспечивать все свои указанные параметры в этом диапазоне входных напряжений во всем диапазоне рабочих температур. Обеспечить подобный интервал, особенно для мощных блоков — задача не самая простая. Потому что при минимальном напряжении и максимальном токе блок должен сохранить стабильность напряжения, а при максимальном уровне напряжения в сети и максимальном токе — не выйти из строя из-за перегрева при максимально допустимой температуре окружающей среды.
По схемотехническим решениям блоки можно разделить на 3 класса:
Основным критерием является способ построения мощного низковольтного стабилизатора.
- Блоки с импульсным бестрансформаторным стабилизатором. Имеют массу недостатков и очень сомнительные достоинства — малые габариты, массу и КПД. Поэтому применяются крайне редко. Имеют крайне низкую надёжность, плохую ремонтопригодность, высокий уровень помех. Подобные блоки применяются в современных телевизорах и компьютерах, но не нашли распространения в охранной технике, т.к. ни один телевизор, в отличие от охранной системы, не предназначен для работы в течение 5 лет не выключаясь. Хотя будущее наверняка за ними — по мере появления надёжной и недорогой комплектации для построения подобных узлов.
- Трансформаторные блоки с ШИМ-стабилизатором. Достоинства — высокий КПД и низкая цена при токах более З А. Недостатки — малая надёжность, плохая ремонтопригодность, ВЧ помехи в нагрузке. Последнее время они получают большое развитие, что, на мой взгляд, связано с появлением недорогой и надёжной комплектации. В любом случае, при токах менее 2 А применение подобных блоков нецелесообразно. Иногда ШИМ-стабилизаторы применяются для преобразования одного напряжения в другое при построении блоков с несколькими напряжениями на выходе или при необходимости получить напряжения, не равные напряжению АКБ.
- Трансформаторные блоки с линейными стабилизаторами. Достоинства — высокая надёжность, низкий уровень помех, отличная ремонтопригодность, дешевизна при токах менее 2 А. Недостатки — большая масса и габариты при больших токах, высокая стоимость при больших токах, низкий КПД.
Многолетний опыт работы показывает, что при выборе источника питания для систем безопасности основной критерий — это надежность и запас прочности. С этой точки зрения, выбор, бесспорно, падает на классические линейные источники.
По устойчивости к внешним воздействиям они не знают себе разных. Более того, они абсолютно не создают помех другой аппаратуре. При токах до 2-3 А эти блоки дешевле и по цене. При токах З А и выше последнее время все чаще используются ШИМ-стабилизаторы, которые при применении некоторых схемотехнических ухищрений по надежности и качеству выходного тока приближаются к линейным схемам при меньшей стоимости. С другой стороны существует общая тенденция к снижению токопотребления аппаратуры. Поэтому, на мой взгляд, ещё долго основными источниками для ОПС будут классические линейные источники.
Справочная информация
Основные преимущества ИБП, ИВЭПР компании «Бастион»
Для построения системы бесперебойного питания инженеры компании «Бастион» используют самые современные электронные технологии и надежную элементную базу для проектирования профессиональных источников питания.
Современные узлы импульсной схемотехники с высокой степенью интеграции обеспечивают за счёт быстродействия высокую надёжность и безопасность ИВЭПР в любых режимах работы.
Применение программируемого PIC — контроллера позволяет реализовать сложные алгоритмы контроля параметров, добиться высокой точности и стабильности выходных характеристик ИВЭПР.
Высокоэффективный преобразователь AC/DC, реализованный по топологии FLYBACK, обеспечивает надежное и качественное питание нагрузки в широком диапазоне сетевого напряжения.
Интеллектуальная система обслуживания АКБ производит мониторинг параметров батареи, оценивает её исправность. Применение передовых алгоритмов позволяет качественно провести заряд АКБ, предотвратить преждевременную порчу батареи. Многоступенчатая адаптивная система защиты выхода ИВЭПР позволяет надежно защитить прибор от долговременного аварийного замыкания выходных клемм и перегрузки.
Источники бесперебойного питания применяются для обеспечения качественного и бесперебойного электропитания различных электрических приборов и устройств. В зависимости от цели использования могут быть выбраны ИБП различных типов.
Основными характеристиками источников бесперебойного питания являются:
- длительность обеспечения резервного питания;
- скорость переключения режимов работы;
- точность регулирования выходных параметров тока.
В зависимости от способа построения источники бесперебойного питания можно классифицировать по типам:
- резервные (или off-line) ИБП;
- интерактивные (или Line-Interactive) ИБП;
- двойного преобразования (или on-line) ИБП.
ИБП двойного преобразования. ИБП «он-лайн»
Источники бесперебойного питания, построенные по схеме двойного преобразования энергии, являются наиболее совершенными и позволяют обеспечивать качественным электропитанием самые чувствительные системы и приборы. ИБП двойного преобразования имеют следующий принцип работы. Источник питания сразу преобразует входное сетевое напряжение в постоянный ток. Далее происходит два процесса: обратное преобразование тока в ток переменного напряжения 220 Вольт, заряд аккумуляторных батарей.
В случае снижения напряжения или повышения напряжения схема работы не изменяется, источник продолжает выдавать 220 Вольт на выходе. При этом, даже при очень низком напряжении в электрической сети, ИБП двойного преобразования не переходит на питание от аккумуляторных батарей. Это существенно увеличивает надёжность такой системы бесперебойного питания.
В случае полного пропадания входного напряжения ИБП переходит на питание от аккумуляторных батарей. При этом не происходит какого-либо переключения, так как АКБ постоянно включены в схему. Другими словами, время «переключения в резервный режим» равно «0».
Схема работы «он-лайн» ИБП двойного преобразования
Преимущества «он-лайн» ИБП двойного преобразования
- высокая надежность системы бесперебойного питания;
- полное отсутствие времени перехода на питание от АКБ;
- правильная синусоидальная форма графика выходного напряжения;
- эффективное регулирование напряжения и частоты входного сигнала;
- возможность работы при очень низком и очень высоком входном напряжении без использования энергии аккумуляторных батарей;
- возможность использования прибора для питания самых чувствительных электронных приборов и электродвигателей любой конструкции;
- возможность работы от электрогенераторов различных систем построения, при этом ИБП улучшает качество электроэнергии до нормативных показателей.
Недостатки «он-лайн» ИБП двойного преобразования
В качестве резервных источников питания в системах ОПС широко используются блоки бесперебойного питания со встроенными аккумуляторными батареями (АБ). К их основным техническим характеристикам, очевидно, можно отнести выходное напряжение источника при питании от сети и от АБ, номинальный и максимальный токи нагрузки, величину пульсаций. Необходимо также учитывать допустимый диапазон напряжения сети, диапазон рабочих температур и т.д.
Однако самой важной технической характеристикой, несомненно, является время резервирования питания при отключении сети. Однако нередко в документации оно вообще не указывается. А так как обычно источник питания поставляется без АБ, то за обеспечение времени резерва никто не отвечает, и его расчет производится простейшим образом, только исходя из номинальной емкости АБ, которая указывается как произведение тока разряда в амперах и времени разряда в часах. Иногда учитывается снижение емкости в процессе эксплуатации за счет старения АБ, например на 25%. Насколько точна полученная таким образом оценка?
Область применения источников бесперебойного питания
Обычно в документации указывается, что источники бесперебойного питания предназначены для работы практически с любыми средствами ОПС, то есть для питания охранно-пожарных приемно-контрольных приборов, охранных извещателей, систем контроля доступа и т.д. Так как относительно времени резервирования питания охранных систем жестких требований нет, то, исходя из экономии, источники рассчитываются на несколько часов резерва и на большие токи потребления – порядка нескольких ампер. Даже без проведения сложных расчетов можно сказать, что АБ с емкостью 7 Ач не обеспечит резерв питания СПС в течение 24 часов плюс 3 ч в условиях пожара при токе 2 А. Использование данного источника для питания СПС с током порядка 0,2 А нерационально, так как в этом случае имеется огромная избыточность по току. Кроме того, некоторые источники питания вообще неработоспособны при минимальных токах нагрузки, причем данная «особенность» обычно не указывается в документации.
Кстати, это является прямым нарушением требования ГОСТ Р 53325-2009:
«5.2.1.11 В ТД на ИЭ должны быть указаны значения его выходных параметров, к которым относятся:
-
— номинальное значение выходного напряжения;
— допустимое отклонение выходного напряжения от номинального;
— диапазон допустимых значений выходного тока;
— частота выходного напряжения (для ИЭ переменного тока);
— уровень пульсаций (для ИЭ постоянного тока) в соответствии с ГОСТ Р 51179″.
Допустимое отклонение выходного напряжения от номинального, да и номинальное напряжение определяются реализованным принципом построения источника, и прежде всего – способом зарядки АБ. В простейшем случае заряд производится с выхода источника, следовательно выходное напряжение при работе от сети устанавливается не 12 В, а примерно 13,8 В. Причем при работе АБ в буферном режиме напряжение заряда должно изменяться в зависимости от температуры окружающей среды (то есть от температуры в блоке). В более сложных структурах предусматривается отдельная схема заряда АБ с автоматической корректировкой режима, при этом выходное напряжение источника обеспечивается на уровне 12 В и исключается снижение тока нагрузки при заряде АБ после резерва.
Кроме того, при расчете эксплуатации системы ОПС в течение не менее 10 лет, необходимо учитывать сроки службы АБ, которые могут составить всего лишь несколько лет.
В блоках бесперебойного питания используются герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы по ГОСТ Р МЭК 61056-1-99 «Портативные свинцово-кислотные аккумуляторы и батареи (закрытого типа). Часть 1. Общие требования, функциональные характеристики. Методы испытаний». Они не требуют обслуживания в процессе эксплуатации, работоспособность обеспечивается в любом положении, выделяющийся газ рекомбинируется на 99%, а для исключения повышения давления во всех элементах установлены предохранительные клапаны, расположенные под верхней крышкой (рис. 1). Производители АБ отмечают, что для нормальной эксплуатации достаточно наличия естественной вентиляции.
Рис. 1. Предохранительные клапаны АБ
ГОСТ Р МЭК 61056-1-99 представляет собой полный аутентичный текст международного стандарта МЭК 61056-1 (1991), что позволяет однозначно трактовать характеристики АБ отечественных и зарубежных производителей. В маркировке АБ указывается производитель, тип, номинальное напряжение, равное удвоенному числу элементов АБ (nх2,0 В), гарантированная емкость С20 и дата выпуска. Например, АБ, состоящая из 6 элементов, имеет номинальное напряжение 12 В, а указанная емкость 7 Ач гарантирует, что при температуре +25 ° С свежеизготовленная АБ обеспечивает ток разряда 0,35 А в течении 20 часов, при этом снижение напряжения должно быть не более, чем до 10,5 В ( до nх1,75 В).
Необходимо учитывать, что емкость АБ значительно снижается при повышении тока разряда. На рис. 2 приведены зависимости выходного напряжения АБ емкостью 7 Ач при различных токах разряда. После подключения к АБ нагрузки в течение примерно 1 минуты происходит линейное снижение напряжения до уровня, величина которого зависит от тока разряда; далее в течение некоторого времени напряжение остается достаточно стабильным, а затем происходит его резкое снижение до защитного отключения. При повышении тока разряда АБ емкостью 7 Ач до 1,08 А, время разряда сокращается до 5 часов, что соответствует емкости 5,4 Ач, а при токе 4,4 А разряд происходит за 1 час, то есть емкость снижается до 4,4 Ач. Таким образом, если в резервированном источнике на 2 А используется АБ емкостью 7 Ач, то при таком токе разряда ее емкость составит примерно 5 Ач, что обеспечит резерв в течение 2,5 часов, а не 3,5 часа, как можно было предположить первоначально.
Рис. 2. Характеристики разряда АБ
Снижение емкости АБ в процессе эксплуатации
Большинство производителей указывает срок службы АБ 5 лет. При этом необходимо учитывать, что в процессе эксплуатации происходит постепенное снижение емкости АБ. На рис. 3 показано снижение емкости при температуре +25 °С при работе АБ в буферном режиме. Обычно производители приводят эту зависимость в виде трубки, что определяет значительный разброс параметров. При этом, естественно, не может гарантироваться поставка образцов с наилучшими параметрами, а в худшем случае за 3,5 года емкость АБ может снизиться примерно до 65% от первоначальной.
Рис. 3. Снижение емкости АБ в процессе эксплуатации
Влияние температуры на характеристики АБ
При работе источника питания происходит нагревание отдельных элементов и выделение тепла, что приводит к повышению температуры внутри блока и АБ эксплуатируется при повышенных температурах. Если конструкция источника содержит радиаторы значительных размеров, то можно предположить рассеяние больших мощностей, что снижает к тому же и КПД источника. Здесь можно отметить значительное преимущество импульсных источников с ШИМ-модуляцией на высоких частотах, по сравнению с линейными, в которых стабилизация выходного напряжения обеспечивается за счет изменения величины падения напряжения на проходном транзисторе. Например, при токе 3 А и падении напряжения 4 В на транзисторе рассеивается 12 Вт, что вызывает значительное повышение температуры в блоке. А срок службы АБ значительно сокращается в условиях повышенных температур: при исходной величине 5 лет в нормальных условиях срок службы снижается примерно до 1 года, если температура в источнике питания в процессе эксплуатации достигает +45 °С (рис. 4).
Рис. 4. Срок службы АБ в зависимости от температуры
Соответственно, при снижении температуры эксплуатации срок службы АБ может быть значительно увеличен: например, при температуре около 0 °С срок службы может достигать 10 лет. Однако замедление процессов старения неизбежно сопровождается снижением емкости АБ (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость емкости АБ от температуры
Кроме того, при изменении температуры АБ в процессе эксплуатации должно корректироваться напряжение заряда в буферном режиме. Если в нормальных условиях его величина выбирается около 13,8 В, то в диапазоне рабочих температур от -10 до +50 °С напряжение заряда должно корректироваться в пределах 14,4 – 13,2 В (рис. 6). Отсутствие этой функции в источнике, условия эксплуатации которого предполагают широкий диапазон температур окружающей среды, также приводит к снижению емкости и срока службы АБ.
Рис. 6. Напряжения заряда АБ при изменении температуры
Контроль работоспособности
По ГОСТ Р 53325-2009, в источнике I категории надежности электроснабжения введено требование «обеспечения возможности передачи информации во внешние цепи об отсутствии выходного напряжения и входного напряжения электроснабжения по любому входу». Данная формулировка подразумевает наличие двух источников питания с автоматическим переключением при обнаружении неисправности. А в рассматриваемом случае при обеспечении резерва за счет АБ, очевидно, необходимо периодически контролировать величину емкости, как это обеспечивается в источниках резервированного питания, отвечающих зарубежным требованиям. Так как в резервированном источнике питания АБ работает в буферном режиме, то нет особого смысла контролировать ее напряжение – это позволит обнаружить только полный отказ АБ. При этом реальное время резервирования не контролируется. Между тем известно несколько способов контроля емкости АБ. Например, производится отключение цепи заряда АБ, подключается нагрузка и анализируется процесс разряда, по которому с достаточной точностью вычисляется емкость АБ. Этот принцип реализован в универсальном тестере емкости АБ, ток разряда в амперах устанавливается примерно равным 0,1 от значения номинальной емкости АБ. Процесс измерения проводится в течение порядка 20 с и не приводит к значительному снижению емкости. Более сложный способ контроля емкости АБ путем анализа отклика сигналов на различных частотах позволяет проводить измерения без отключения АБ, что не допускается в некоторых системах.
Таким образом, в любом случае в затратах на техническое обслуживание систем ОПС необходимо учитывать расходы на периодический контроль емкости АБ и на их замену в процессе эксплуатации.
Читайте также: