УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СИСТЕМЫ ОПОВЕЩЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к системам обеспечения гарантированного электропитания и может быть использована для организации электропитания радиоаппаратуры, в тех случаях, когда не требуется одновременный заряд аккумуляторной батареи и работа системы на полную мощность, например, в системах оповещения.
В соответствии с нормами и правилами проектирования систем оповещения и управления эвакуацией СП 5.13130.2009 (Системы противопожарной защиты «УСТАНОВКИ ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ И ПОЖАРОТУШЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИЕ» Нормы и правила проектирования) системы оповещения и управления эвакуацией по степени обеспечения надежности электроснабжения следует относить к I категории согласно правилам устройства электроустановок. При наличии одного источника электропитания (на объектах III категории надежности электроснабжения) допускается использовать в качестве резервного источника питания электроприемников аккумуляторные батареи или блоки бесперебойного питания, которые должны обеспечивать питание указанных электроприемников в дежурном режиме в течение 24 ч плюс 1 ч работы системы пожарной автоматики в тревожном режиме. Допускается ограничить время работы резервного источника в тревожном режиме до 1,3 времени выполнения задач системой оповещения. При использовании аккумулятора в качестве источника питания должен быть обеспечен режим подзарядки аккумулятора. Если система оповещения не является системой оповещения и управления эвакуацией при пожаре тогда, требования к автономности работы несколько снижаются и в соответствии с ГОСТ Р-42.3.01-2014 «ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОПОВЕЩЕНИЯ НАСЕЛЕНИЯ», необходимо обеспечить автономность устройства не менее 6 часов в режиме ожидания плюс 1 час в режиме передачи данных и оповещения. В тех случаях, когда система оповещения является системой быстрого развертывания, имеет всепогодное исполнение и конструктивно выполнена в одном корпусе, эти требования достаточно сложно выполнить, используя классическую организацию электропитания.
Из уровня техники известны системы резервного питания, содержащие  входные контакты для подключения к сетевому источнику питания, преобразователь, выполненный с возможностью преобразования переменного сетевого напряжения в стабилизированное постоянное, выходные контакты для подключения элементов нагрузки, аккумуляторную батарею и отдельное зарядное устройство для нее (см. а.с. SU1624601, кл. Н02J 7/34,  опубл. 30.03.1991; а.с. SU1711288, кл. Н02J 9/06, опубл. 07.02.1992; патент RU2212747, кл. Н02J 9/06, опубл. 20.09.2003; а.с. SU526984, кл. Н02J 7/04,  опубл. 30.08.1976; SU512534, кл. Н02J 7/00, опубл. 30.04.1976).
Основным недостатком известных устройств является наличие двух мощных источников электроэнергии: преобразователя, представляющего собой стабилизированный источник напряжения, и зарядного устройства, представляющего собой стабилизированный источник тока. Указанный недостаток приводит к тому, что система электропитания получается  дорогой, сложной и имеет большие габариты и массу, что делает практически невозможным реализацию системы оповещения в одном корпусе.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание простой, надежной и компактной системы электропитания при сохранении таких параметров работы системы электропитания, как мощность, подводимая к потребителям, и время заряда аккумуляторной батареи. Технический результат заключается в уменьшении габаритных размеров устройства. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что устройство электропитания системы оповещения, содержащее входные контакты для подключения к сетевому источнику питания, преобразователь, выполненный с возможностью преобразования переменного сетевого напряжения в стабилизированное постоянное, выходные контакты для подключения элементов системы оповещения и аккумуляторную батарею, снабжено управляющим микроконтроллером, а аккумуляторная батарея подключена к коммутатору, установленному между указанным преобразователем и выходными контактами, при этом указанный преобразователь выполнен с возможностью переключения по сигналу микроконтроллера в режим зарядки аккумуляторной батареи и преобразования переменного сетевого напряжения в стабилизированный ток. Микроконтроллер предпочтительно выполнен с возможностью подключения к блоку управления системы оповещения.  В качестве аккумуляторной батареи предпочтительно использована литий-железо-фосфатная аккумуляторная батарея.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства;
на фиг.2 - его общий вид;
на фиг.3 - пример практической реализации структурной схемы по фиг.1.
4
Предлагаемое устройство электропитания системы оповещения содержит соединительную коробку 1 со входными контактами для подключения к сетевому источнику питания (220 В, 50 Гц), преобразователь 2 (выполненный с возможностью преобразования напряжения 220 В переменного тока в стабилизированное постоянное напряжение 36 В с током до 10 А, а также с возможностью переключения в режим зарядки с поддержанием стабилизированного тока 6 А при напряжении от 31 до 36 В),  выходные контакты (позицией не обозначены) для подключения элементов системы оповещения 3, аккумуляторную батарею 4 (LiFePO 34 В, 9 А/ч) и управляющий микроконтроллер 5 со схемой управления 5`. Аккумуляторная батарея 4 подключена к коммутатору 6, установленному между указанным преобразователем 2 и выходными контактами.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В режиме оповещения напряжение питания 220 В 50 Гц поступает на преобразователь 2, на выходе которого вырабатывается стабилизированное напряжение 36 В постоянного тока, от которого через коммутатор 6 питаются все элементы (потребители электроэнергии) системы оповещения 3. Основным потребителем электрической энергии напряжением 36 В в режиме оповещения является усилитель низкой частоты. В том случае, когда нет оповещения, микроконтроллер 5 разрешает перевод преобразователя 2 из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации тока (6 А) и этим стабильным током осуществляется заряд аккумуляторной батареи 4. Напряжение на преобразователе 2 при этом не является стабильным и может изменяться от +31 до +36 В, но это никак не сказывается на работе системы поскольку все приемники электрической энергии системы оповещения 3, кроме усилителя низкой частоты, питаются от вторичного маломощного стабилизированного источника напряжением 12 В. Усилитель низкой частоты включается только в режиме оповещения, когда блок управления системой оповещения 3 подает соответствующий сигнал на микроконтроллер 5, а в этом режиме преобразователь 2 вырабатывает стабилизированное напряжение 36 В. В случае пропадания напряжения 220 В преобразователь 2 не работает. Приемники электроэнергии, включая усилитель низкой частоты, получают питание от аккумуляторной батареи 4 через коммутатор 6.
Описанная структурная схема может быть практически реализована, например по фиг.3. Такая схема работает следующим образом.
В режиме оповещения работы напряжение питания 220 В 50 Гц поступает на преобразователь 2 напряжения 220 В переменного тока в стабилизированное постоянное напряжение. Преобразователь 2 включает в себя сетевой выпрямитель и фильтр 7, высокочастотный усилитель мощности 8, трансформатор 9, выпрямитель и фильтр 10, задающий генератор 11, схему управления 12, измерительную цепь 13 и источник опорного напряжения 14. На выходе преобразователя 2 вырабатывается стабилизированное напряжение 36 В постоянного тока, от которого через коммутатор 6 питаются все потребители электроэнергии системы оповещения 3.
В том случае, когда нет оповещения и есть напряжение 220 В 50 Гц микроконтроллер 5 подает логическую единицу на базу цифрового транзистора Q4. Транзистор Q4 открывается и через цепь D1, R2, R4, R5 начинает протекать ток. Этот ток создает падение напряжения на резисторе R4. Поскольку R4 подключен между истоком и затвором р-канального полевого транзистора Q1 последний открывается и через него начинает протекать ток заряда аккумуляторной батареи 4. При достижении тока заряда 6 А на резисторе R2 падение напряжения составит 0,6 В и через базу транзистора Q2 начинает протекать открывающий его ток. Ток коллектора транзистора Q2 создает падение напряжения на резисторах R7 и R8, что приведет к появлению тока базы транзистора Q3 и транзистор Q3 начинает открываться. Это в свою очередь приведет к тому, что источник опорного напряжения 14 будет зашунтирован на землю через резистор R1 и сопротивление коллекторного перехода транзистора Q3. А это приведет к уменьшению напряжения на источнике опорного напряжения 14 и соответственно к уменьшению выходного напряжения преобразователя 2. Что в свою очередь не позволит току заряда увеличиться. Таким образом, происходит стабилизация тока заряда на уровне 6 А. Ток заряда батареи 4 остается стабильным до полной зарядки. Входное напряжение блока питания в процессе заряда может лежать в пределах от 31 до 36 В. При достижении напряжения на батареи в 35 В, либо при переходе системы в режим оповещения, микроконтроллер 5 выдает уровень логического 0 на базу транзистора Q4 и процесс заряда батареи 4 останавливается. Возобновление процесса заряда батареи 4 произойдет в том случае если напряжение на ней упадет ниже 34,5 В и в это время система не будет находиться в режиме оповещения. Измерение напряжения на батареи 4 осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя 15 микроконтроллера 5.
Литий-железо-фосфатная аккумуляторная батарея 4 в качестве резервного источника питания выбрана не случайно. Она обладает относительно высокой емкостью при малых габаритах и массе, способна отдавать электрическую энергию при отрицательных температурах от -40°C, имеет очень стабильное напряжение разряда, могут полностью заряжаться за 1 час и долговечны.
При реализации такой структурной схемы исключается дорогостоящее и имеющее большие размеры зарядное устройство напряжением 36 В и рассчитанное на ток 6 А (выходная мощность 216 Вт). Это, в свою очередь позволяет создать более дешевую и надежную систему оповещения. При этом существенно уменьшаются габариты и вес системы, что важно при размещении системы оповещения в одном корпусе.