Источники вторичного питания
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.
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.
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.
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.
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.
Выбор 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.
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.
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.
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.
Выбор источников питания
В заключение несколько советов по выбору вторичного источника питания.
1) Всегда внимательно изучайте паспорта на источники питания или старайтесь получить дополнительную информацию у производителя.
2) Старайтесь применять на одном объекте источники одного и того же производителя: это избавит вас от сложностей и проблем при последующем обслуживании.
3) Не применяйте импортные вторичные источники бесперебойного питания. Как правило, они не предназначены для работы с нашими электросетями.
4) 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.
5) Старайтесь не использовать на ответственных объектах источники с высокочастотными преобразователями.
6) Старайтесь использовать источники питания со схемой защиты АКБ от глубокого разряда.
7) Не экономьте на дешевых АКБ неизвестных производителей и недобросовестных поставщиков.
8) 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.
9) При организации питания CCTV используйте специализированные источники.
10) На объектах с проблемными электросетями используйте дополнительно стабилизаторы и устройства защиты от скачков напряжения.
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.
Справочная информация
Расчет падения напряжения на проводах в зависимости от тока нагрузки: U=2 x I x Rуд. x L/Sпр.
где:
U - падение напряжения на проводах, В
I - ток, потребляемый нагрузкой, А
Rуд. - удельное сопротивление материала проводов (для меди – 0,07 Ом х мм2/м)
L - длина проводов, м
Sпр. - площадь сечения проводов ( Sпр. = П d2/4 ), мм2
d – диаметр провода, мм
П - 3,1415