Zasilanie rezerwowe w systemach alarmowych

Zgodnie z obowiązującą Polską Normą PN-93/E-08390/12 (Systemy alarmowe, Wymagania ogólne, Zasilacze - Parametry funkcjonalne i metody badań) konfiguracja zasilania systemu alarmowego powinna być uzależniona od dostępnych źródeł zasilania oraz wymagań stawianym odpowiednim klasom systemów alarmowych i zawierać jedno lub więcej źródeł takich jak:
a) baterie i ogniwa pierwotne,
b) baterie akumulatorów,
c) zasilacze połączone z przemysłową siecią zasilającą.
W przypadku b) może pojawić się dodatkowo zasilacz ładujący baterię akumulatorów, zaś w przypadku c) jako źródło rezerwowe często występuje bateria akumulatorów.

W systemach sygnalizacji włamania i napadu powszechnie stosuje się jako źródło rezerwowe -bezobsługowe, szczelne akumulatory kwasowo-ołowiowe (SLA: sealed lead-acid) z rekombinacją gazów. Gaz powstający w trakcie elektrolizy na płycie dodatniej akumulatora jest przekazywany za pośrednictwem specjalnego separatora do płyty ujemnej, gdzie jest rekombinowany do postaci siarczanu ołowiu i wody. Obecnie istnieją dwie technologie budowy akumulatorów SLA różniące się sposobem wiązania elektrolitu. W technologii żelowej (żel SiO2) rekombinację gazów umożliwiają kanaliki tlenowe w strukturze żelu, natomiast w technologii AGM (Absorbed Glass Mat) wykorzystywane jest zjawisko napięcia powierzchniowego w komórkach separatora wykonanego z odpowiedniej maty szklanej. W systemach alarmowych korzystniejsze jest stosowanie akumulatorów wykonanych w technologii żelowej, ponieważ charakteryzują się one dużą odpornością na przeładowanie i głębokie rozładowanie oraz wykazują dużą pojemność cieplna. Do wad należy zaliczyć większą niż w akumulatorach AGM, rezystancję wewnętrzną.

Dzięki odpowiedniej konstrukcji proces samo rozładowania został zredukowany do minimum. Hermetyczna obudowa umożliwia pracę akumulatora w każdej pozycji i dodatkowo gwarantuje brak jakichkolwiek wycieków. Akumulatory mogą być łączone szeregowo i równolegle - co daje możliwość doboru napięć i pojemności. Zakres temperatur pracy; od -20° C do +50° C umożliwia ich stosowanie w różnych warunkach, przy czym zwykle zaleca się zapewnienie ochrony przed nadmiernymi wstrząsami i wibracjami. Należy pamiętać, że akumulator rozładowany musi być niezwłocznie doładowany, a w pewnych przypadkach wymagane jest stosowanie zasilacza o większym prądzie ładowania niż to wynika z obliczeń.

W systemach sygnalizacji włamania i napadu najczęściej występują zasilacze połączone z siecią zasilającą 230 V napięcia przemiennego zawierające transformator bezpieczeństwa i baterię akumulatorów pełniącą funkcję źródła rezerwowego. Występujący w zespole zasilacza układ do ładowania baterii akumulatorów zapewnia utrzymywanie stanu pełnego naładowania akumulatorów w warunkach normalnej pracy systemu alarmowego. Zasilacze są urządzeniami występującymi oddzielnie lub stanowią integralną część centrali alarmowej.

Zalecenia wynikające z Polskiej Normy

Jeżeli w systemie alarmowym występuje zasilacz zawierający baterię akumulatorów i urządzenie ładujące, wyżej wymieniona norma definiuje sposób określania minimalnej pojemności akumulatora Qmin (w Ah) jako:

Qmin = 1,25 (I1 * t1 + I2 * t2) (1)

gdzie:
t1 - czas (wyrażonym w h) trwania obciążenia systemu alarmowego w stanie gotowości,
t2 - czas trwania obciążenia systemu w stanie alarmu (czasy t1 i t2 powinny być określone w innych arkuszach normy - jednak do tej pory żaden arkusz PN takiej informacji nie zawiera),
I1 - całkowity prąd (wyrażony w A) obciążenia zasilacza/zasilaczy systemu alarmowego, pobierany przez system alarmowy ze źródła rezerwowego w przypadku uszkodzenia zasilania sieciowego liczony dla warunków, w których system nie jest w stanie alarmu, a jedynym sygnalizowanym uszkodzeniem jest awaria zasilania sieciowego,
I2 - całkowity prąd obciążenia zasilacza/zasilaczy systemu alarmowego, pobierany przez system alarmowy ze źródła rezerwowego w przypadku uszkodzenia zasilania sieciowego liczony dla warunków, w których system jest w stanie alarmu.

Przykładowe obliczenie minimalnej pojemności akumulatorów

Dokonajmy zatem doboru zasilaczy i akumulatorów dla systemu alarmowego składającego się z elementów opisanych w tablicy 1 zaprojektowanego z uwzględnieniem poniższych założeń:
- czas gotowości t1 - 48 h,
- czas trwania stanu alarmu t2 - 1/4 h w ciągu 48 h,
- czas ładowania akumulatorów tł - 12 h.

Tablica 1. Elementy systemu alarmowego i ich pobór prądu [A]
Urządzenie Prąd Ilość Pobór prądu
Centrala DSC-PC4020 z klawiaturą 0,160 1 0,160
Moduł rozszerzenia PC4116 0,030 2 0,060
Moduł wyjść PC4216 0,035 1 0,035
Dodatkowa klawiatura PC4500 0,055 1 0,055
Czujka PIR Optex-CX-50AM 0,040 18 0,720
Czujka wibracyjna Optex-Vibro 0,016 5 0,080
Sygnalizator BS-30F 1,500 3 4,500

W systemie zainstalowano ponadto 12 wyłączników magnetycznych i 12 mechanicznych przycisków napadowych. Urządzenia te nie wymagają zasilania.

Wykorzystując wzór (1) do obliczenia minimalnej pojemności akumulatora widać, że konieczne będzie zastosowanie baterii akumulatorów o pojemności większej niż 65 Ah. Ze względu, że zasilacz umieszczony na płycie centrali alarmowej może współpracować z akumulatorem o maksymalnej pojemności 17 Ah, układ zasilania powinien zawierać kilka zasilaczy ze współpracującymi z nimi akumulatorami.

Wydaje się celowe wydzielenie układu zasilania elementów inicjujących alarm (czujek) i sygnalizacyjnych zbudowanego na bazie np. zasilacza buforowego firmy Elmont serii ECS oraz układu zasilania modułów i dodatkowej klawiatury. Zasilacz na płycie centrali zapewni zasilanie jedynie centrali i modułu PC4204. Pojawia się tutaj moduł PC4204 ponieważ ma on na swojej płycie również zasilacz przeznaczony do współpracy z dodatkowym akumulatorem 17 Ah i on właśnie zostanie wykorzystany do zasilania wcześniej wymienionych modułów i klawiatury.

Obliczenia dla zasilacza centrali PC4020:

Prąd pobierany z tego zasilacza to prąd centrali PC4020 i klawiatury - 160 mA oraz prąd modułu PC4204 - 25 mA. Zasilacz ten nie zasila sygnalizatorów.

Qmin PC4020 = 1,25 (I1 PC4020 * t1) = 1,25 (0,185 * 48) = 11,1 Ah (2)

Zalecany, przez producenta dla centrali, akumulator 17 Ah jest więc wystarczający. Aby można było naładować akumulator w ciągu 12 h należy sprawdzić czy nie będzie przekroczona wartość prądu znamionowego zasilacza IN PC4020 w czasie ładowania akumulatora prądem IQ12 przy jednoczesnym poborze prądu przez przyłączone elementy systemu.

IN PC4020 = 1,5 > IQ12 + I1 PC4020 = 11,1/12 + 0,185 = 1,11 A (3)

Ponieważ nierówność jest spełniona obciążenie zasilacza jest odpowiednie.

Obliczenia dla zasilacza PC4204:

Prąd pobierany z tego zasilacza to prąd modułów i dodatkowych klawiatur (w Tablicy 1. pozycje: 2, 3 i 4) w sumie - 150 mA. Zasilacz ten nie zasila sygnalizatorów.

Qmin PC4204 = 1,25 (I1 PC4204 * t1) = 1,25 (0,150 * 48) = 9 Ah (4)

Zalecany, przez producenta dla modułu PC4204, akumulator 17 Ah jest więc wystarczający. Aby można było naładować akumulator w ciągu 12 h należy sprawdzić czy nie będzie przekroczona wartość prądu znamionowego zasilacza IN PC4204 w czasie ładowania akumulatora prądem IQ12 przy jednoczesnym poborze prądu przez przyłączone elementy systemu.

IN PC4204 = 1,5 > IQ12 + I1 PC4204 = 9/12 + 0,150 = 0,9 A (5)

Ponieważ nierówność jest spełniona obciążenie zasilacza jest odpowiednie.

Obliczenia dla zasilacza ECS:

Prąd pobierany z tego zasilacza to prąd zasilania elementów inicjujących alarm (czujek) i sygnalizacyjnych (w Tablicy 1. pozycje: 5, 6 i 7). Ze względu, że sygnalizatory mają własne zasilanie rezerwowe w postaci indywidualnie przyłączonych akumulatorów 6,5 Ah zostaną one obliczone oddzielnie. Sumaryczny prąd zasilania czujek wynosi 800 mA.

Qmin ECS = 1,25 (I1 ESC * t1) = 1,25 (0,800 * 48) = 48 Ah (6)

Należy zastosować w zasilaczu ECS akumulator o pojemność co najmniej 48 Ah.

W stanie alarmu każdy z sygnalizatorów pobiera prąd o wartości 1,5 A. Minimalna pojemność akumulatora powinna wynosić:

Qmin BS = 1,25 (I2 BS * t2) = 1,25 (1,5 * 0,25) = 0,47 Ah (7)

Znajdujący się w sygnalizatorze BS-30F akumulator 6,5 Ah jest dobrany ze znacznym zapasem pojemności.
Aby można było naładować wszystkie akumulatory w ciągu 12 h należy dobrać zasilacz ECS, którego prąd znamionowy IN ECS będzie większy od prądu IQ12 potrzebnego do naładowania akumulatorów powiększonego o prąd zasilania przyłączonych elementów systemu I1 ECS.

IQ12 = (Qmin ECS + 3 * Qmin BS)/tł = (48 + 3 * 0,47)/12 = 4,12 A (8)

IQ12 + I1 ECS = 4,12 + 0,800 = 4,92 A (9)

Dobrany zostaje zasilacz ECS 250 z akumulatorem 65 Ah (najbliższy z szeregu) o prądzie znamionowym 4,5 A. Co prawda zasilacz ten będzie w skrajnych warunkach pracy przeciążony o 10%, ale jest to dopuszczalne i w tym przypadku uzasadnione ekonomicznie.

Podsumowanie

Z analizy powyższych obliczeń wynika, że całkowita pojemność akumulatorów zainstalowanych w systemie osiągnęła wartość 118,5 Ah, przy możliwościach generowania prądów w zasilaczach na poziomie 7,5 A. Wszystko to ma miejsce w systemie alarmowym wyposażonym w zaledwie 18 czujek PIR i 5 czujek wibracyjnych.

Dobry projekt zasilania systemu alarmowego powinien także uwzględnić obliczenia spadków napięć w liniach zasilających poszczególne elementy systemu. Analizując jednak rozpływ prądu można zauważyć, że dominującą wartością jest prąd ładowania akumulatorów. Ze względu, że akumulatory są zwykle instalowane w tej samej obudowie co zasilacz, przy tak małej długości połączeń zasilacz-akumulator, tego typu obliczenia można pominąć.

Autor: Krzysztof Serafin

Ofertę akumulatorów bezobsługowych wraz z opisami, fotografiami i kartami katalogowymi można obejrzeć w katalogu internetowym AVAL.