Литиевые батарейки Fanso в беспроводных датчиках пожарно-охранной сигнализации

12 сентября

системы безопасностиучёт ресурсовFansoстатьяисточники питания

Святослав Зубарев (г. Смоленск)

Надежный элемент питания является неотъемлемой частью беспроводных пожарно-охранных систем: именно от него зависит работоспособность датчиков, а значит – и безопасность объекта. Одним из поставщиков таких элементов является компания Fanso.

Развитие современных технологий и появление новых стандартов беспроводной передачи данных позволяют с каждым годом все больше сократить количество проводов в системах автоматизации, безопасности, системах «умный дом». И хотя значительный процент устройств в подобных системах все еще имеет проводное подключение, базирующиеся на беспроводной передаче данных датчики уже плотно вошли в нашу жизнь. В частности, это относится к системам пожарно-охранной сигнализации.

Беспроводные системы пожарно-охранной сигнализации (рисунок 1) работают в диапазонах 433 МГц, 868 МГц и иногда 2,4 МГц, и имеют ряд преимуществ перед проводными аналогами:

  • Надежность. Беспроводные датчики подобных систем оснащаются защитой от помех, а отсутствие кабелей позволяет снизить до минимума возможность их физического повреждения.
  • Экономия. Благодаря беспроводной передаче данных и автономному питанию отсутствует необходимость прокладки кабелей, что позволяет сэкономить на монтаже и стоимости материала.
  • Простая установка и настройка. Данный тип систем легко подключить и настроить без обращения к специалистам или применения дополнительного оборудования.
  • Универсальность. Беспроводные системы пожарно-охранной сигнализации являются идеальным вариантом для использования на передвижных объектах, таких как крупногабаритный транспорт, поезда, «дома на колесах».

Рис. 1. Внешний вид беспроводной системы пожарно-охранной сигнализации

Рис. 1. Внешний вид беспроводной системы пожарно-охранной сигнализации

Еще одним немаловажным преимуществом беспроводных систем является энергонезависимость. Датчики и другие узлы системы не зависят от наличия и величины напряжения в сети, так как работают от встроенных батареек или аккумуляторов. К выбору элементов питания для таких устройств следует подходить с расчетом условий и длительности эксплуатации системы, ведь именно от элемента питания в основном и зависит ее работоспособность, а значит и безопасность охраняемого объекта.

Режимы работы автономного элемента питания в пожарно-охранных системах

Один из главных вопросов, которые следует разрешить при запуске в эксплуатацию беспроводных систем – это длительность автономной работы узла системы (рисунок 2) без замены источника питания. Это время зависит от множества факторов: частотного диапазона, выходной мощности приемопередатчика, мощности звукового оповещателя, энергоемкости источника, энергопотребления контроллера и так далее.

Рис. 2. Пример пожарного оповещателя

Рис. 2. Пример пожарного оповещателя

Согласно СП5.13130.2009 Изм.1 (Изм. 1 внесено от 01.06.2011 г), пункт 15.3, бесперебойное питание электроприемников для АПС (автоматической пожарной сигнализации) должно обеспечиваться батареями или блоками бесперебойного питания для энергоснабжения указанных электроприемников в дежурном режиме в течение 24 часов и 1 часа в тревожном режиме.

В то же время в НПБ 88-2001 (дата введения в действие 1 января 2002 г), который был принят взамен СНИП 2.04.09-84, НПБ 21-98, НПБ 22-96, НПБ 56-86, согласно пункту 14.3, бесперебойное питание электроприемников для автоматической пожарной сигнализации должно обеспечиваться в дежурном режиме в течение 24 часов и в тревожном режиме – в течение 3 часов.

Однако СП5.13130.2009 Изм. 1. считается более весомым, и при расчете систем, как правило, оперируют именно им.

Таким образом, исходя из СП5.13130.2009, можно получить простую формулу расчета необходимой емкости батареи (формула 1)

$$C=K_{ст}\times \left(\sum{I_{н1}}\times 24+\sum{I_{н2}}\times 1 \right),\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

  • Iн1 – ток потребления в дежурном режиме, А;
  • Iн2 – ток потребления в режиме тревоги, А;
  • Kст – коэффициент старения (данный коэффициент определяется посредством графика зависимости емкости батареи от срока службы, в общем случае, принято считать коэффициент равным 1,25).

Потребляемые токи узла АПС, как правило, указаны в соответствующей документации на прибор.

Приведенный выше расчет прост, но недостаточно точен, так как потребляемые токи указываются производителем с некоторым запасом, который может доходить до 30%. Если стоит задача более точного расчета емкости батареи для конкретного прибора, или же расчет емкости батареи ведется для устройства, находящегося в разработке, следует в первую очередь обращать внимание на основной энергопотребитель подобных решений – приемопередатчик.

При штатной работе приемопередатчик может находиться в одном из пяти состояний (рисунок 3).

Рис. 3. Временная диаграмма потребления датчика

Рис. 3. Временная диаграмма потребления датчика

Режим сна – основной режим для подобных систем. В нем потребление минимально и составляет около 1 мкА.

Режим измерений. Микроконтроллер периодически просыпается и производит измерения. При этом потребление резко возрастает и зависит от частоты измерений. В данном режиме осуществляется опрос датчика микроконтроллером и последующие вычисления: усреднение, линеаризация и так далее. Средний потребляемый ток в данном режиме составляет около 1 мА.

Передача и прием сообщений – наиболее энергозатратный режим работы. При передаче сообщения потребление возрастает до ~15…20 мА (10 дБм), а при приеме – до ~5…10 мА. Очевидно, что чем чаще происходит радиообмен сообщениями, тем выше потребление и меньше срок службы. Еще одним негативным фактором может стать потеря сообщений, так как в этом случае требуется повторная передача. Для нормального качества связи уровень потерь не должен превышать 5%. Среднее распределение тока потребления во время процесса передачи сообщения отображено на рисунке 4.

Рис. 4. Динамика изменения тока потребления во время передачи сообщения

Рис. 4. Динамика изменения тока потребления во время передачи сообщения

Звуковое оповещение. При включении сирены мощность потребления неизбежно возрастает и зависит непосредственно от мощности динамика.

Включение датчика. При переходе из спящего состояния в один из активных режимов системе требуется некоторое время на инициализацию. Потребление в данном режиме несущественно и им можно пренебречь при расчете.

При разработке беспроводного устройства стоит подбирать приемопередатчики, в которых бы сочетались высокая чувствительность и адаптированный протокол обмена данными.

Зная ток потребления основных узлов устройства, а также время, в течение которого планируется его эксплуатация, можно рассчитать емкость батарейки. Однако рассчитанной емкости недостаточно для окончательного выбора источника питания. Помимо нее, батареи имеют ряд других немаловажных характеристик:

Напряжение. Данный параметр зависит от вида элемента питания и подбирается согласно требованиям устройства, в частности, литиевые батарейки рассчитаны на 3 В, хотя встречаются модели и на 1,5 В.

Максимальный ток разряда. Помимо напряжения, также необходимо учесть требования устройства по току. Как правило, в документации производители батареек указывают значения максимального тока разряда в непрерывном и импульсном режимах работы.

Внутреннее сопротивление определяет максимальное значение токоотдачи элемента питания: чем меньше внутреннее сопротивление элемента, тем выше его токоотдача.

Саморазряд присущ всем химическим элементам питания и является неизбежным явлением. Саморазряд возрастает, когда устройство не эксплуатируется, а одними из главных факторов, влияющих на эту характеристику, являются резкие перепады температур и эксплуатация при температуре ниже 0ºС. Также влияние на саморазряд оказывает наличие примесей в питающем элементе, возникающих в процессе производства, и устойчивость к коррозии применяемых материалов, например, стеклянных изоляторов.

Диапазон рабочих температур. Температура, при которой батарея сохраняет свою оптимальную производительность, должна составлять -25…50ºС. Для теплых регионов температурный диапазон может быть 0…50ºС.

Надежность. Элементы питания, используемые для противопожарных систем, должны обладать должной степенью надежности. Она зависит от химического состава элемента, производителя, а также способности работать в предполагаемых условиях. Например, в высокотемпературной среде батарейки должны иметь защиту от перегрева.

Типы батареек

Батарейка обладает множеством параметров, совокупность которых определяет ее пригодность для использования в беспроводных пожарно-охранных системах. Большая часть этих параметров определяется химическим составом батарейки.

До недавнего времени наиболее популярным источником питания для беспроводных систем благодаря малой стоимости являлись солевые батарейки. Анод данных элементов питания изготавливается из двуокиси марганца, а катод из цинка. Однако сейчас такие их недостатки как высокий саморазряд, невозможность применения при низких температурах и малый срок работы стали вытеснять достоинства низкой цены. В связи с этим на смену солевым элементам приходят алкалиновые (щелочные) и литиевые. Именно последние являются наиболее перспективными с точки зрения применения в беспроводных системах, и хотя солевые элементы все еще присутствуют в устройствах данного типа, с каждым годом их количество сокращается, а производители пожарно-охранных систем делают упор на литиевые элементы питания.

Литиевые элементы питания доступны в различных форматах, таких как «таблетка», цилиндрические (бобинные и рулонные), призматическая форма. Существует несколько типов их электрохимической системы, где в качестве катода выступают различные химические соединения (Li/MnO2, Li/CuO, Li/SO2, Li/FeS2, Li/CFn, Li/SOCl2), прямо влияющие на конечные характеристики батарейки. Общим для всех данных батареек является то, что анод изготавливается из металлического лития, который является одним из наиболее активных элементов и имеет наивысший отрицательный потенциал относительно других металлов. Применение этого материала в качестве анода позволило достигнуть наибольшего напряжения при максимально компактных размерах и самой высокой удельной плотности энергии по сравнению с элементами питания, базирующимися на других химических соединениях. Батарейки на основе лития способны работать в течение 10…12 лет, имеют саморазряд менее 0,08% в месяц, а также сохраняют работоспособность при низких и высоких температурах.

Наиболее распространенным решением в системах беспроводной пожарно-охранной сигнализации являются литий-тионилхлоридные батарейки (Li/SOCl2). Номинальное выходное напряжение данных элементов питания составляет 3,3…3,5 В, диапазон рабочих температур варьируется от -50…85/130°С, саморазряд составляет 1,5…2% в год. Кроме того, производителями данного типа элементов предусмотрена защита от детонации в виде термовыключателя, плавких предохранителей и клапана избыточного давления. Сочетание преимуществ данного типа элементов делает их наиболее предпочтительным решением для систем, требующих длительной эксплуатации при низком потреблении тока и сохранении постоянного уровня напряжения.

Сравнение энергии систем литиевых батареек показано на рисунке 5. На диаграмме область под каждой кривой представляет плотность энергии системы. Диаграмма показывает превосходство литий-тионилхлоридных батареек, которые имеют самую большую плотность и самый высокий уровень напряжения – 3,6 В.

Рис. 5. Сравнительные характеристики объемной удельной энергии литиевых батареек

Рис. 5. Сравнительные характеристики объемной удельной энергии литиевых батареек

Одним из надежных производителей Li/SOCl2-батареек, зарекомендовавшим себя как на мировом, так и на российском рынке, является китайская компания Fanso.

Литиевые батарейки компании Fanso

Компания Fanso (Wuhan Fanso Technology Co., Ltd) – один из наиболее конкурентоспособных китайских производителей первичных литиевых химических источников тока, в том числе – литиевых батареек для пожарно-охранных систем. Основные сферы деятельности компании – это разработка и производство литий-тионилхлоридных (LiSOCl2) и литий-диоксидмарганцевых (LiMnO2) источников питания (рисунок 6).

Рис. 6. Продукция компании Fanso

Рис. 6. Продукция компании Fanso

С 2016 года контрольный пакет акций компании Fanso принадлежит группе EVE Energy, которая занимается производством батарей и аккумуляторов по всему миру, однако производимые компанией Fanso товары выпускаются под прежним брендом. Продукция компании изготавливается на 14 производственных линиях с выпуском до 28 миллионов изделий в год. Компания сертифицирована по стандарту менеджмента качества ISO9001. Вся она соответствует требованиям стандартов UL, CE, RoHs и UN. Продукты компании успешно зарекомендовали себя на европейском рынке (включая Россию) и внутреннем рынке Китая.

Сферы применения продукции Fanso довольно широки и включают в себя как бытовую сферу, так и специальные среды применения, такие как военная техника, нефте-газодобыча, научные исследования и так далее. Для каждой сферы применения компания предлагает источники питания, обладающие предпочтительными для данной области параметрами, и выпускает специальные линейки для областей, предъявляющих к элементам питания особые требования, например, способность работать при высоких температурах, подержание постоянного напряжения и так далее.

В качестве решений, подходящих к использованию в пожарно-охранных сигнализациях, компания предлагает следующие продукты: CP9V, ER14335M, ER14250, ER34615M и CP502440, а также ER14505H и ER14505M, ER34615H. Данные продукты широко используются в различных дымоуловителях и прочих системах безопасности как в обычных условиях применения (в жилом доме, квартире, офисе), так и в условиях повышенной жесткости (в шахтах, на кораблях, в буровых установках).

Подробные характеристики приведенных выше элементов питания отображены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики элементов питания, рекомендуемых Fanso для применения в пожарно-охранных системах

Наименование Форм-фактор (IEC) Размеры, мм Вес, г Ном. напряже-
ние, В
Ном. емкость/ток, мА⋅ч/мА Макс. непрерывный ток разряда, мА Макс. импульсный ток разряда, мА Рабочая темпера-
тура, °С
Напряжение на выходе, В
ER9V 3ER14250 IEC размер: 9V Длина: 49,1, ширина: 26,8/17,4 31 9 1200/1,0 25 100 -55…85 6
CP9V 3ER14250 IEC размер: 9V Длина: 49,5; ширина: 27,3; высота: 18,0 29 9 1200/1,0 300 200 -40…60 5,4
ER14335M 2/3AA Диаметр: 14,5; длина: 33,5 13 3,6 1350/1,0 150 1000 -55…85 2
ER14250H 1/2AA Диаметр: 14,5; длина: 25,2 9 3,6 1200/1,0 25 100 -55…85 2
ER14250M 1/2AA Диаметр: 14,5; длина: 25,2 10 3,6 750/1,0 120 250 -55…85 2
ER14250S 1/2AA Диаметр: 14,5; длина: 25,2 10 3,6 700/1,0 50 100 -20…150 2
ER34615M D Диаметр: 34,2; длина: 61,5 109 3,6 14000/15 1800 3500 -55…85 2
CP502440 Длина: 40,5 ширина: 24,5; высота: 5,2 7,8 3,0 1200/1,0 120 400 -20…60 1,8

С полным перечнем номенклатуры компании вы можете ознакомиться в нашем каталоге по ссылке. Компания Fanso постоянно расширяет перечень выпускаемой продукции и разрабатывает новые решения для всех сфер применения.

Заключение

Выбор подходящего элемента питания, способного обеспечивать требуемый уровень напряжения и выдавать необходимый ток на протяжении всего периода эксплуатации беспроводной пожарно-охранной системы является одной из первостепенных задач. Наиболее подходящим для этих целей элементом являются литий-тионилхлоридные элементы питания, а одним из наиболее конкурентоспособных производителей – компания Fanso, предлагающая своим клиентам продукты как универсальные, так и разработанные специально для решения конкретных задач.

Литература

  1. Святослав Зубарев. Литиевые батарейки Fanso для промышленного применения: устойчивость к высоким температурам.
  2. Сергей Холуев. Нужны литиевые батарейки? Выбираем Fanso!
  3. Сергей Миронов. Сравнительное тестирование литий-тионилхлоридных батареек.
  4. Сергей Миронов. Литиевые химические источники тока: некоторые особенности применения.

Дополнительные материалы

  1. Вебинар «Литиевые ХИТы FANSO или что нужно знать инженеру о батарейках».
  2. Тестирование литиевых батареек Fanso в нормальных условиях. Часть 1.
  3. Тестирование литиевых батареек Fanso в нормальных условиях. Часть 2.
  4. Fanso и счетчики: применение литиевых батареек в электронных приборах учета энергоресурсов.
  5. CR2032PH – батарейка повышенной емкости от Fanso.
  6. Новые батарейки FANSO в корпусе «таблетка» (button).
  7. CR123A – мощная литиевая батарейка от FANSO.
  8. Видеоролик «Тестирование литиевых батареек питания FANSO».
•••

Наши информационные каналы

О компании Fanso

Компания Fanso специализируется на производстве первичных литиевых элементов питания (литиевых батареек). Основной продукцией компании являются химические источники тока, выполненные на основе литий-тионилхлоридной (Li-SOCl2; 3,6 В) и литий-диоксидмарганцевой (Li-MnO2; 3,0 В) электрохимических систем. Имеющиеся производственные мощности с современным оборудованием позволяют производить ежегодно до 80 млн. батареек. В штате компании трудятся высококвалифицированные специалисты с более чем 30 л ...читать далее

Товары
Наименование
CP9V (FANSO)
ER14335M/2PT (FANSO)
ER14335M/S (FANSO)
ER14250H/S (FANSO)
ER14250H/2PT (FANSO)
ER14250S (FANSO)
ER34615M/S (FANSO)
ER34615M/P (FANSO)
CP502440 (FANSO)
ER14505H/S (FANSO)
ER14505H/3PT (FANSO)
ER14505M/T (FANSO)
ER14505M/S (FANSO)
CR14505E-LD/-Molex (FANSO)
CR14505E/S (FANSO)
ER34615H/P (FANSO)
ER34615H/S (FANSO)