Épületriasztó rendszerek táplálása
Megjelent: 2023. május 10.
A legtöbb kereskedelmi, lakó- és ipari épület tűzjelző rendszerrel való felszerelése törvényi előírás. Létfontosságú szerepet tölt be az élet, a vagyontárgyak és az épület szerkezetének védelmében. Gyakran a recepción vagy a biztonsági irodában, az épület főbejáratának közvetlen közelében helyezik el, és folyamatosan figyeli az érzékelők széles köréből érkező bemeneteket az egész létesítményben. A füstérzékelők, a szén-monoxid- és a PIR-modulok csak néhány kritikus érzékelő, amelyek folyamatosan figyelik az égés korai figyelmeztető jeleit.
Elengedhetetlen, hogy a riasztórendszer és annak összes érzékelője megbízhatóan működjön a nap 24 órájában. Általában a vezérlőrendszer hálózati tápellátáson alapul, amit a hálózati tápellátás meghibásodása esetére akkumulátoros tartalékrendszerrel látnak el. Az érzékelők hasonló áramellátása szintén kiemelkedő fontosságú, bár egyesek állandóan akkumulátorról is működhetnek.
Ez a cikk az épületriasztó vezérlőrendszerek, érzékelők és jelzőpanelek energiaellátásának műszaki szempontjait vizsgálja, hangsúlyt fektetve a teljesítményátalakítás hatékonyságára és az alacsony energiafogyasztási profil elérésére.
Egy épületriasztó vezérlőrendszer architektúrájának vizsgálata
Az 1. ábra egy épületriasztó rendszer tipikus működési felépítését mutatja be. Egyes épületriasztó rendszerek több funkciót is tartalmaznak, például tűzjelzőt, füstérzékelőt és passzív infravörös (PIR) mozgásérzékelőt. Mások önállóak lehetnek, és egyetlen műveletet hajtanak végre, és az érzékelés összetettségétől függően a riasztó tartalmazhat érzékelőfúziós és jelkondicionáló komponenseket.
Sok riasztóegységnek egyszerű ember-gép interfész (HMI) követelménye van, általában csak egy LED jelzi a tápellátás állapotát és a riasztási állapotot. A nagy hangerejű hangjelzéses riasztási értesítés szabványos jogi követelmény.
1. ábra A lakó- vagy kereskedelmi ingatlanokban használt épületriasztó tipikus funkcionális felépítése (Forrás: ST)
A biztonsági szabványok általában előírják, hogy a riasztóknak hálózati tápellátásúaknak kell lenniük, és cserélhető akkumulátorral kell rendelkezniük, hogy a hálózati tápellátás meghibásodása esetén is működőképesek maradjanak. Egyes riasztóérzékelők nem cserélhető lítiumos érmeelemmel vannak felszerelve, amelynek élettartama hét év, amely után a teljes egységet ki kell cserélni. A biztonsági előírások országonként és régiónként eltérők, és a kereskedelmi épületek, például irodák, gyárak és kiskereskedelmi létesítmények esetében általában szigorúbbak, mint a lakóépületek esetében. Az épületriasztó tervezése során a mérnöki csapatnak gondosan át kell tekintenie az egység lehetséges felhasználási eseteit, és figyelmet kell fordítania a vonatkozó épületszabályozási és biztonsági előírásokra.
A riasztó tápegységének tervezésénél több szempontot is figyelembe kell venni, többek között a megbízhatóságot, a teljesítményátalakítás hatékonyságát és az alacsony nyugalmi áramot. A hálózatról táplált AC/DC tápegységnek a lehető leghatékonyabbnak kell lennie a hulladékhő minimalizálása érdekében, különösen a kompakt falra és mennyezetre szerelt egységek esetében. Az elemmel működő riasztók energiafogyasztási profiljának minimalizálása alapvető fontosságú az elemek élettartamának meghosszabbítása érdekében. A jogszabályi követelmények is előírhatják, hogy a riasztó mennyi ideig működhet megbízhatóan.
Egyes szenzorok érzékenyek a tápfeszültség enyhe ingadozásaira, valamint a tápátalakító áramkörből származó vezetékes vagy sugárzott elektromágneses interferenciára (EMI). A teljesítményátalakító és teljesítményszabályozó alkatrészek kiválasztása a legfontosabb adatlapi paraméterek gondos áttekintését igényli.
A teljesítményátalakítás alapjai
Az AC/DC és DC/DC átalakítás fő módszerei két különböző technikára összpontosítanak; lineáris vagy kapcsolóüzemű megoldásra. Egy AC/DC tápegység esetében a lineáris módszer a transzformátor és a simító kondenzátorok mérete és súlya miatt általában kizárt. A DC/DC átalakításhoz azonban a lineáris szabályozók kényelmes, olcsó és alacsony alkatrészszámú megközelítést kínálnak. A kapcsolóüzemű AC/DC és DC/DC átalakítási technikák egy impulzusszélesség-modulált (PWM) jelet alkalmaznak egy kapcsoló tranzisztorhoz, például egy MOSFET-hez. A DC/DC átalakítók vonzó alternatívát kínálnak a diszkrét kialakítással szemben, mivel számos kisáramú eszköz egyetlen tokban tartalmazza a kapcsoló MOSFET-et. Különböző átalakítási módszerek állnak rendelkezésre, amelyek az energiát egy induktivitásban vagy egy kondenzátorban tárolják. Egyes topológiák a bemeneti feszültségnél jóval nagyobb kimeneti feszültséget is képesek előállítani.
A PWM jel kitöltési tényezője és frekvenciája határozza meg a kimeneti feszültséget, a terhelésszabályozást és a teljesítményátalakítás hatékonyságát. A topológiától függően a kapcsoló MOSFET és az induktivitás vagy a kondenzátor a bekapcsolási ciklus alatt energiát tárol. Az energia azután a kikapcsolási időszakban felszabadul. A kimeneti feszültségnek a bemenettől való elszigetelése, ami egyes alkalmazásoknál biztonsági szempont, az induktivitás transzformátorral való helyettesítésével érhető el.
Nem izolált buck-konverter (step-down)
Az aszinkron buck-konverter (feszültségcsökkentő átalakító) topológia egy bemeneti feszültséget alacsonyabb kimeneti feszültséggé alakít, például 24 VDC-ről 12 VDC-re, az alapvető topológia a 2. ábrán látható.
2. ábra A buck-konverter alaptopológiája
Az SW1 általában egy MOSFET, amelyet PWM jel vezérel, az SW2 pedig egy dióda. Amikor a MOSFET vezet (ON), az energia az induktivitásban tárolódik. Amikor az SW1 kikapcsol, a tárolt energia az induktivitásból az SW2 diódán keresztül áramlik ki, hogy kimeneti feszültséget biztosítson. A szinkron buck-konverter topológiában egy másik kapcsoló tranzisztor helyettesíti a diódát, és azt egy fázison kívüli PWM jel vezérli.
Nem szigetelt boost-konverter (step-up)
A boost-konverter (feszültségnövelő átalakító) topológiája kissé eltérő elrendezést mutat (3. ábra), amely lehetővé teszi, hogy a bemeneténél nagyobb kimeneti feszültséget adjon. Az, hogy a kimeneti feszültség mennyivel haladja meg a bemeneti feszültséget, a PWM kitöltési tényezőjétől, a terhelés nagyságától, a kapcsolási frekvenciától és a szükséges feszültségszabályozás mértékétől függ – a legtöbb gyakorlati célra a határérték háromszorosa jellemző.
3. ábra A boost-konverter alapvető topológiája
A nem szigetelt buck- és boost-konverterek minimális alkatrészekkel akár 95%-os, magas konverziós hatásfokot érnek el.
A galvanikusan leválasztott topológiára példa a leválasztott flyback konverter. Az induktivitás helyett egy transzformátor szolgál energiatárolásra és szigetelésre.
Ajánlott termékek
A 4. ábra az L6981 38 V, 1,5 A szinkron step-down konverter IC blokkdiagramját mutatja. A 3,5 VDC és 38 VDC közötti bemeneti feszültségtartományban és 0,85 VDC és 38 VDC között állítható kimeneti feszültséggel rendelkező L6981 két változatban kapható. A -LCM (alacsony áramfelvétel) a kis terhelésekről történő működés során nagy hatékonyságra optimalizált, a -LNM (alacsony zajszintű üzemmód) pedig a zajérzékeny alkalmazásokhoz. A -LCM ideális akkumulátoros alkalmazásokhoz, mivel kihagyja az impulzusokat, hogy energiát takarítson meg könnyű terhelési körülmények között. A kapcsolási folyamatból származó EMI minimálisra csökkentése érdekében a -LNM teljesen elkerüli az impulzusok kihagyását.
4. ábra Az L6981 step-down konverter IC funkcionális blokkdiagramja (Forrás: ST)
Egy hasonló step-down konverter az ST L7983. A 60 VDC bemeneti feszültséggel és 300 mA maximális kimeneti árammal rendelkező L7983 rendkívül alacsony, 10 μA nyugalmi karakterisztikával rendelkezik, ami kívánatossá teszi akkumulátoros alkalmazásokhoz.
Az L6981 és az L7983 kényelmes és kompakt módszert kínál egy DC/DC step-down konverter tervezéséhez, minimális számú külső alkatrészekkel. Az 5. ábra egy tipikus alkalmazási áramkört mutat be az L7983 használatával, mindössze hat passzív alkatrész hozzáadásával.
5. ábra Az ST L7983 tipikus alkalmazási áramköre, amely a minimális számú külső alkatrészekkel való megközelítést szemlélteti (Forrás: ST)
Egy példa lineáris szabályozóra az ST LQ015, egy 150 mA ultraalacsony nyugalmi áramú lineáris szabályozó (6. ábra). Az ST LQ015 1,5 VDC és 5,5 VDC közötti bemeneti feszültséget fogad, és tíz kimeneti feszültségváltozatban kapható, amelyek a népszerű 1,2 VDC és 3,3 VDC közötti névleges értékeket fedik le. Az ST LQ015 nyugalmi áram 100%-os terhelés mellett mindössze 1,4 μA. Az engedélyező kivezetés lehetővé teszi a szabályozó készenléti üzemmódba helyezését, ahol a nyugalmi áram mindössze 1 nA-ra csökken.
6. ábra Az ST STLQ015 150 mA-es lineáris feszültségszabályozó működési blokkdiagramja (Forrás: ST)
Az LDO (low-dropout) szabályozó a lineáris szabályozók egy speciális típusa, amely a kimeneti feszültséghez nagyon közeli bemeneti feszültséggel képes működni. A lineáris szabályozókhoz hasonlóan az LDO-k is egyszerű és alacsony zajszintű módszert kínálnak a nem izolált feszültségátalakítás és -szabályozás végrehajtására. Egy LDO-ra példa a 100 mV alacsony feszültségesésű LDK130, amely akár 300 mA-t is képes szolgáltatni, és 1,9 VDC és 5,5 VDC közötti bemeneti feszültséget fogad, fix kimeneti feszültségek tartománya áll rendelkezésre. A rugalmasság érdekében egy állítható változat lehetővé teszi a kimeneti feszültség konfigurálását egy feszültségosztó bemenet használatával (7. ábra).
7. ábra Egy alkalmazási példa az LDK130 állítható kimeneti feszültségű változatával (Forrás: ST)
Működési állapot kijelzése
Az épületriasztók LED-ek segítségével jelezhetik működési állapotukat, és figyelmeztethetik a lakókat a közelgő veszélyre. Egy példa a dedikált LED-meghajtó IC-re az ST LED1202. A LED1202, amely csatornánként akár 5 VDC / 20 mA feszültséggel 12 LED-et is képes meghajtani, és nyolc mintát képes tárolni a LED szekvenciák MCU beavatkozás nélküli követéséhez, I2C-n keresztül kommunikál a központi mikrovezérlővel. A 8. ábra a LED1202 egyszerűsített blokkdiagramját mutatja. Minden LED-csatorna előre programozott vizuális effekteket tesz lehetővé, beleértve a be- és kikapcsolást, valamint a „lélegzést”.
8. ábra Az ST LED1202 12 csatornás, alacsony nyugalmi áramú LED-meghajtó egyszerűsített blokkdiagramja (Forrás: ST)
Energiaátalakítás épületriasztókhoz
Az épületriasztók kritikus fontosságúak az emberek és az épületek védelmében. A megbízható, hatékony és alacsony fogyasztású átalakítók és LED-meghajtók kiválasztása a tervezési folyamat lényeges szempontja. Ebben a rövid cikkben bemutattuk a teljesítményátalakítás alapjait, és bemutattunk néhányat az EBV, az ST hivatalos forgalmazójának számos teljesítményátalakító terméke közül.
Az EBV Elektronik – mint vezető félvezető-forgalmazó Európában – széles gyártói portfóliójából a legújabb alkatrészek és félvezető-megoldások teljes és folyamatos ellátását garantálja. Vegye fel a kapcsolatot az EBV technológiai és piaci szakértőivel, hogy az alkalmazásaihoz az optimális megoldást választhassa!
Szerző: Bernard Vincens – Director Segment Light, Home & Building, EBV Elektronik
Több mint disztribúció – EBV Elektronik!
Farkas Szabolcs
EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.ebv.com
#0b5a9a