Источники резервного и бесперебойного питания
При построении любой системы безопасности необходимо обеспечить гарантированное электропитание системы.
Блоки питания делятся на 2 типа:
- Блок резервированного (бесперебойного) питания
Предназначен для питания оборудования, не имеющего встроенного сетевого источника питания. Резервированный блок питания состоит из сетевого источника питания, зарядного устройства и схемы переключения нагрузки с сетевого источника на аккумуляторную батарею.
- Блок резервного питания
Предназначен для обеспечения питания нагрузки при отсутствии основного источника питания. Работает с оборудованием, имеющим встроенный сетевой преобразователь и вход для резервного питания.
Блок резервированного питания можно использовать как блок резервного питания, но не наоборот.
По техническим решениям блоки делятся на 3 класса:
Основной критерий - способ построения мощного низковольтного стабилизатора.
- С импульсным бестрансформаторным стабилизатором.
Достоинства: малые габариты, масса и производительность
Недостатки: низкая надёжность, высокий уровень помех и плохая ремонтопригодность.
- Трансформаторные блоки с ШИМ-стабилизатором.
Достоинства: высокая производительность и низкая цена при токах более ЗА.
Недостатки: высокочастотные помехи в нагрузке, малая надёжность и плохая ремонтопригодность.
При токах менее 2А применение подобных блоков нецелесообразно. В некоторых случаях ШИМ-стабилизаторы применяют для преобразования одного напряжения в другое при построении блоков с разными напряжениями на выходе или при необходимости получить напряжения, не равные напряжению аккумуляторной батареи.
- Блоки с линейным стабилизатором.
Достоинства: низкий уровень помех, высокая надёжность, отличная ремонтопригодность, низкая цена при токах менее 2 А.
Недостатки: низкая производительность, большая масса и габариты при больших токах, высокая стоимость при больших токах.
Основные критерии при выборе источника питания для систем безопасности: надежность и запас прочности.
Входное напряжение
Согласно существующему ГОСТу на электросети, в РФ напряжение в сети установлено 220В +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. Обеспечивать подобный интервал, особенно для мощных блоков питания не просто, т.к. при минимальном напряжении и максимальном токе блок питания 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.
Некоторые производители указывают в документации более узкий диапазон входных напряжений — 198-242 В (т.е. не - 15%, а - 10%). При этом формально они правы, поскольку указали допустимый диапазон, работоспособность прибора обеспечена. В большинстве регионов 190В в сети — это норма, поэтому АКБ не будет полностью заряжаться и не будет обеспечивать расчетного времени работы, также возможен срыв стабилизации (резкий рост пульсаций) при токах, близких к максимальному, что скорее всего спровоцирует ложное срабатывание системы безопасности.
Выходное напряжение
Свинцовый аккумулятор с напряжением 12В реально имеет напряжение на клеммах до 14,5В в заряженном состоянии без нагрузки, которое падает до 10В и менее при разряженном аккумуляторе. Если указано напряжение 12В, это вовсе не означает, что напряжение на выходе блока будет именно 12В. Как правило, напряжение немного меньше, чем напряжение заряженной аккумуляторной батареи (АКБ) в буферном режиме — 13,2-13,8В. Некоторые источники питания, действительно поддерживающие именно 12В. Также существуют источники питания с регулируемым напряжением в некоторых пределах.
В зависимости от типа источника питания, при работе в резервном режиме (от АКБ) напряжение на выходе либо падает постепенно до 10,0-10,5В по мере разряда АКБ, или остается стабилизированным на уровне 12В (реже встречается в источниках с ШИМ-преобразователями).
Прежде всего, необходимо выяснить, в каком диапазоне напряжений работает оборудование. Как правило, видеокамеры 12В и извещатели известных производителей сохраняют свою работоспособность в диапазонах от 9 до 15В. Большинство производителей в паспортах, прилагаемых к блокам питания, указывают диапазон выходных напряжений при наличии сети и при работе от АКБ.
Уровень пульсаций на выходе
Уровень пульсаций — параметр, в котором допускается произвол в определении. При сравнении блоков питания нужно узнать, какой параметр пульсаций указан в паспорте. Для трансформаторных блоков наиболее объективный параметр - двойная амплитуда пульсаций.
Недобросовестные производители в паспорте указывают параметр «амплитуда пульсаций» в 2 раза ниже (то есть лучше). Если у трансформаторного блока указан параметр «эффективное напряжение пульсаций», то производитель нагло обманывает Вас! Но для импульсных блоков питания с высоким уровнем высокочастотных помех, параметр эффективного значения пульсаций наоборот является наиболее объективным, т.к. зачастую невозможно корректно померить амплитуду высокочастотных импульсов.
Также важен режим измерения пульсаций, они должны измеряться в самом жестком режиме — при минимально допустимом напряжении сети на входе (187В) и при максимальной нагрузке выхода блока питания. Как показывают испытания в критических режимах, уровень пульсаций блоков питания от некоторых производителей не соответствует показателям, указанных в паспорте.
Выходной ток источника
При выборе блока питания нужно обратить внимание на самый справедливый и объективный параметр— номинальный ток нагрузки — это ток, который выдается при питании от сети в нагрузку, независимо от обстоятельств (при любом состоянии АКБ, климатических условий в допустимом рабочем интервале температур), неограниченное время и при сохранении уровня пульсаций. При любом допустимом напряжении в сети.
Дополнительные параметры носят справочную информацию. Но если в паспорте не указан этот параметр, лучше выбрать блок питания другого производителя. Параметр «номинальный ток нагрузки без АКБ» означает, что указанный ток блок может отдавать без установленной батареи, а с ней ток будет ниже, а в некоторых случаях на много ниже.
Iс — ток, обеспечивающий сетевой преобразователь, идет на заряд АКБ Iз и на питание нагрузки Iвых. Параметр «максимальный ток без АКБ» означает ток сетевого преобразователя, т.к. в случае отсутствия АКБ Iз=0, и весь его ток пойдет в нагрузку. А если АКБ разряжена, часть тока будет уходить на заряд АКБ, и оставшаяся часть Iвых может отдаваться в нагрузку. Заряженная АКБ не потребляет ток, но после некоторого времени работы в резервном режиме и последующем включении сети, АКБ может потреблять достаточно большой ток.
Например, источник питания, обеспечивающий ток 1А и даже 1,6А кратковременно (согласно рекламе), на самом деле обеспечивает гарантированно в нагрузку ток всего 0,35А, что выявляется после детального изучения паспорта, т.е. в 3 раза ниже заявленного! При работе с АКБ максимальный ток 0,7А, и из них 0,35А идет на заряд АКБ при сильно разряженной АКБ.
Защита АКБ от глубокого разряда
Обычный свинцовый 12В аккумулятор при глубоком разряде и падении напряжения ниже примерно 10В выходит из строя из-за необратимых химических изменений. Этого недостатка лишены герметичные необслуживаемые АКБ с гелевым электролитом. Подобные батареи от добросовестных производителей выдерживают до 200 циклов глубокого разряда.
В источники бесперебойного питания встроена схема отключения АКБ при достижении опасного порога глубокого разряда. Это стало актуально в связи с появлением на рынке дешевых китайских АКБ, которые из-за применения дешевых технологий и материалов едва выдерживают несколько циклов или не выдерживают вовсе. Для таких АКБ необходимо применение схем защиты, но вообще лучше не использовать подобные АКБ.
Китайские производители часто подделывают известные марки АКБ. Единственный способ уберечься от подделки — покупать АКБ проверенных производителей.
Схемы защиты АКБ бывают разные. Нормальные устройства выполнены на базе реле или на мощном дорогом полевом транзисторе. Использование бюджетных биполярных транзисторов в качестве ключей приводит к дополнительному падению напряжения на ключе и сокращению времени резервной работы.
Рекомендации для выбора блока питания:
- Составьте список используемого оборудования, разбив на категории:
- приборы, включенные всегда без штатного сетевого источника питания (видеокамеры, извещатели)
- приборы, включенные всегда, имеющие штатный источник питания (приёмно- контрольные приборы, мониторы)
- приборы, включающиеся периодически и кратковременно (узлы пожаротушения, сирены)
Суммируйте ток потребления приборов этих категорий. Отметим эти токи — I1, I2, I3.
Ток, обеспечивающий источник при наличии сети Iс=I1.
Ток, обеспечивающий источник при отключении сети от резервных батарей Iр= I1+I2.
Ток, обеспечивающий источник кратковременно Iк= I1+I2+I3.
Питание оборудования большой системы безопасности, у которой ток Iс превосходит 2А, разделить на группы. Использование нескольких источников питания удобно для монтажа, особенно на объектах большой протяженности (учитывая потери на соединительных проводах) и значительно повышает надежность всей системы.
Разделение нагрузки на несколько источников питания также целесообразно при необходимости обеспечить длительное время резервирования. Так как большинство источников питания рассчитано на работу с АКБ ёмкостью 7 или 11Ач, соответственно ток 2А в течении 6 часов получить не удастся. В этом случае нужно разделить нагрузку на 2 источника питания с током 1А и емкостью 7Ач каждый.
При разделении нагрузки на несколько групп токи следует определить для каждой группы, также нужно объединить оборудование с однотипными режимами потребления, прежде всего, 2 и 3 категории. В таком случае их можно запитать от недорогих резервных источников питания. А оборудование 1 категории необходимо питать от более качественных источников непрерывного питания.
2. Нужно определить необходимое время резервирования. Формула расчета оптимальной ёмкости АКБ для обычных источников питания без преобразования напряжения:
А = 1,3 х Iр * t
t- время, выраженное в часах.
Коэффициент 1,3 следует применять, т.к. реально АКБ способна отдавать не более 70% емкости в нормальном режиме (это учитывая АКБ хорошего качества). Для дешевых АКБ емкость стоит увеличить еще на 30%.
При использовании источников питания с преобразованием напряжения АКБ, необходимо указанную емкость умножить на коэффициент преобразования и дополнительно увеличить на 30% для компенсации потери при преобразовании. Например, источник с одной батареей 12В, на выходе получает 24В - 0,8А (коэффициент преобразования =2), то для обеспечения 4 часов работы нужна следующая емкость АКБ:
А = 1,3 * 0,8 А * 4ч * 2 * 1,3 = 10,8 Ач (для АКБ хорошего качества).
Для дешевых АКБ: 10,8 + 30% = 14Ач
Излишняя осторожность и завышение коэффициентов для сохранения работоспособности систем безопасности уместны, т.к. емкости аккумуляторов никогда не бывает много.
3. При выборе источника питания, если Вы не можете разделить нагрузку по типам потребителей, Вы выбирайте источник, который сможет обеспечить Iк — самый большой из токов.
Для оптимизации большой и мощной системы стоит применять 2 прибора — бесперебойный, обеспечивающий ток Iс и резервный, рассчитанный на ток (Iк — Iс).
Несколько советов:
- Внимательно изучайте паспорта на блоки питания.
- На одном объекте используйте источники питания одного производителя, что избавит Вас от сложностей при последующем обслуживании.
- Не рекомендуется применять импортные блоки питания, т.к. они не предназначены для работы в наших электросетях.
- Не используйте источники питания, работающих в диапазоне 198-242В. Сеть 220В в РФ может, по ГОСТу, опускаться до 187В.
- Для испытания блока Вам понадобится ЛАТР для регулировки сети, осциллограф и тестер. Подайте на блок 187В (без наличия АКБ) и подключите ко входу нагрузку, соответствующую суммарному току нагрузки и зарядки АКБ (зачастую именно этот параметр указывают производители). При этом осциллографом сравните размах пульсаций на выходе (они не должны превышать указанных в паспорте). После чего поднимите входное напряжение до 242В и подождите 20-30 минут. Если за это время блок питания не сгорит, и температура корпуса не поднимется выше 70°С, значит все в порядке.
- Используйте блоки питания со схемой защиты АКБ от глубокого разряда.
- Не экономьте, используйте качественные АКБ.
- Не полагайтесь на параметры, указанные в рекламе. Внимательно изучайте характеристики, указанные в паспорте прибора.