Литиевые батарейки FANSO для беспроводных датчиков пожарно-охранной сигнализации

25 марта

Алексей Катков (г. Москва)

Источник питания для работающих в импульсном режиме беспроводных датчиков в системах пожарной охраны, должен отличаться способностью длительной работы при высокой температуре и влажности. Компания FANSO предлагает несколько решений, соответствующих этим параметрам.

Сегодня все большее распространение получают пожарно-охранные системы, в которых датчики связаны с управляющим блоком по беспроводному протоколу на частотах 433 МГц, 868 МГц и реже – 2,4 МГц. Эти датчики питаются от батареек, они просты в установке и не требуют прокладывания проводки. Надежный элемент питания в данном случае становится важнейшим компонентом всей системы, поскольку именно от его надежности и долговечности будет зависеть безопасность объекта, на котором установлена противопожарная система. Одним из производителей таких элементов питания является компания FANSO.

Основная деятельность этого крупного китайского производителя первичных литиевых химических источников тока – разработка и производство литий-тионилхлоридных (LiSOCl₂) и литий-диоксидмарганцевых (LiMnO₂) источников питания (рисунок 1).

С 2016 года FANSO входит в группу компаний также EVE Energy, которая занимается производством литиевых батарей и аккумуляторов и имеет заводы по всему миру. Продукция изготавливается на 14 автоматизированных линиях, мощность которых составляет до 28 млн единиц изделий в год. Компания имеет сертификаты ISO9001, UL, CE, RoHs и UN.

Датчики пожарной сигнализации и особенности их работы

На сегодняшний день именно литиевые батарейки считаются наиболее перспективными для применения в беспроводных датчиках (причем не только в противопожарных системах безопасности, но и в других устройствах). На вопрос, почему это действительно так, мы ответим чуть позже. А прежде чем переходить к детальному разговору о химических источниках тока, разберемся в самих противопожарных датчиках, их категориях и принципах работы.

Существуют несколько типов датчиков пожарной сигнализации, или извещателей:

• тепловой;
• дымовой;
• пламени;
• аспирационный;
• газовый;
• комбинированный.

Все они реагируют на резкий рост температуры окружающей среды или на превышение ее максимального значения, которое предустановлено в извещателе программным способом.

Дымовые извещатели передают сигнал тревоги при обнаружении в воздухе продуктов горения, которые изменяют оптические свойства окружающего пространства. В таких приборах используется сенсор, который определяет задымление помещения при помощи фотоэлемента. В процессе работы такого датчика встроенный светодиод отправляет направленный сигнал на фотоприемный элемент. В обычных условиях этот сигнал проходит без задержек и искажений. Однако при задымлении они появляются или сигнал вовсе пропадает, что является поводом для передачи соответствующего оповещения на пульт управления.

Также подобные устройства могут быть аспирационного или ионизационного типа, что предполагает анализ газовой среды и скорости тока воздуха в системе для определения задымления. Независимо от конкретного способа установления загрязнения воздушной среды, такие датчики являются одними из наиболее эффективных и востребованных, благодаря чему используются для оснащения большинства не только бытовых, но и профессиональных – коммерческих и промышленных помещений.

Извещатели, или датчики пламени – устройства, разработанные для обнаружения открытого огня. Они регистрируют на инфракрасное и/или ультрафиолетовое излучение и видимый свет, исходящий от пламени. У каждой такой схемы есть свои преимущества, особенности и области применения.

Аспирационные пожарные извещатели предназначены для раннего обнаружения признаков пожара. Они всасывают воздух через специальные трубки и направляют его к детектору дыма. Эта технология весьма эффективна, она позволяет обнаружить пожар на самой ранней стадии.

Газовые датчики – устройства, предназначенные для обнаружения наличия следов различных газов в воздухе. Они работают на основе разных физических принципов, в зависимости от типа. Самые распространенные из них:

• электрохимические – измеряющие концентрацию газа по величине тока, индуцируемого на электроде из-за химической реакции с газом;
• полупроводниковые – основанные на изменении электрического сопротивления материала датчика при поглощении газа;
• инфракрасные – работающие на основе анализа инфракрасного излучения определенной длины волны, поглощаемого некоторыми продуктами горения;
• каталитические – обнаруживающие продукты горения в воздухе по изменению температуры каталитического элемента при окислительной реакции газа на его поверхности.

Все эти типы пожарных извещателей объединяет то, что они служат одной цели и могут быть в беспроводном исполнении (за исключением, пожалуй, аспирационных), а значит, для работы им нужен правильно подобранный химический элемент питания.

Как правило, беспроводные противопожарные датчики содержат в себе малопотребляющий микроконтроллер, который большую часть времени находится в спящем режиме. Однако через определенные промежутки времени он “просыпается”, дает необходимые управляющие команды, получает и обрабатывает результаты измерений, которые затем передаются на пульт управления, а потом снова на какое-то время переходит в режим сна (рисунок 2).

Рис. 2. Диаграмма работы устройства в импульсном режиме

Этот импульсный режим работы оптимален по двум причинам:

• он позволяет продлить ресурс применяемого химического источника тока (рисунок 3);
• измерения в непрерывном режиме попросту не нужны: за секунду или доли секунды никакой пожар не сможет разгореться настолько, чтобы охватить все помещение.

Рис. 3. Динамика изменения тока потребления во время передачи сообщения

Зная эти особенности работы датчиков пожарно-охранной сигнализации, приступим к рассмотрению одного из важнейших критериев выбора элементов питания для них. Среди всего многообразия химических источников тока (ХИТ) нам нужно определить, какие из них наилучшим образом покажут себя при работе в импульсном режиме и будут способны на длительный срок службы в несколько лет.

Типы батареек

Абсолютно любая батарейка обладает несколькими параметрами, от которых зависит ее пригодность для использования в системах противопожарной безопасности. Совокупность конструктива и химический состав источника тока являются ключевыми. Именно эти факторы определяют свойства источника тока, оптимального для такого применения. До недавнего времени самыми распространенными являлись простые солевые батарейки, анод которых состоял из двуокиси марганца, а катод – из цинка. Они характеризовались высоким уровнем саморазряда, невозможностью использования при низких температурах и коротким сроком службы. Однако эти батарейки были очень дешевы и продавались повсеместно. С течением времени им на смену пришли алкалиновые (щелочные) и литиевые элементы питания.

В номенклатуре FANSO есть литиевые ХИТ двух типов:

• литий-тионилхлоридные (Li/SOCl₂);
• литий-диоксидмарганцевые (LiMnO₂).

Рассмотрим каждый из них подробнее.

Компания FANSO выпускает 4 типа литиевых батареек на основе диоксида марганца (Li-MnO₂): бобинный и спиральный цилиндрической формы, ультратонкие и кнопочные. В настоящий момент, пожалуй, наиболее популярной и самой применяемой в мире является батарейка типа CR123A. Конструктивно она относится к спиральному типу и имеет форму цилиндра. Анод изготавливается из металлического лития и на выходе дает 3 В. Этот ХИТ предназначен для разряда непрерывным или импульсным током. Более того, батарейка CR123A разрабатывалась специально для цифровых фотоаппаратов, то есть для работы в импульсном режиме с длительными паузами. Использование химических источников питания на основе диоксида марганца для такого режима более удобно, в отличие от моделей на основе тионилхлорида, потому что батарейки на основе Li-MnO₂ позволяют получить значительный ток в импульсе и менее подвержены пассивации. Кроме того, при разряде элементов, построенных на диоксиде марганца, не образуется повышенное давление внутри корпуса, что делает эксплуатацию более безопасной.

Еще одной довольно востребованной моделью является батарейка CR2, которая также является литий-диоксидмарганцевой и спиральной по конструктиву. Ее габариты чуть меньше чем у CR123A: 15,6х27 мм против 17х34,5 мм, а максимальный ток разряда составляет 800 мА, что ненамного ниже чем у CR123A. При этом она стоит меньше.

Другая большая подгруппа литиевых химических элементов питания – батарейки на основе тионилхлорида (Li/SOCl₂). Они также бывают двух типов: бобинные и спиральные.

Батарейки бобинной конструкции характеризуются минимальными величинами токов саморазряда, что обеспечивает большую длительность их сроков службы. Это – важнейшее качество для беспроводных приборов, установленных в труднодоступных местах. В номенклатуре FANSO есть батарейка ER14505H (рисунок 4), которая обеспечивает длительную эксплуатацию прибора без каких-либо вмешательств со стороны.

Рис. 4. ХИТ ER14505H от FANSO

Батарейки спиральной конструкции из-за внушительной площади электрода способны обеспечивать высокие токи при номинальном напряжении 3,6 В, однако и уровень саморазряда у них выше. Обычно он находится в пределах 2…3% в год. Литий-тионилхлоридные батарейки спирального типа наиболее эффективны в таких беспроводных датчиках, работающих в импульсном режиме, которые периодически передают большие объемы данных. Одним из вариантов применения может выступить датчик движения с фото- и видеофиксацией. В этих элементах питания производитель предусмотрел защиту от детонации в виде термовыключателя, плавких предохранителей и клапана избыточного давления. Нельзя не упомянуть о том, что при надлежащих условиях эти батарейки могут храниться порядка 10 лет.

Если говорить о преимуществах и недостатках литиевых источников питания в целом, то их главным плюсом является высокая плотность энергии и низкая масса. Они гораздо легче щелочных батареек (примерно на треть). Уровень вырабатываемой удельной энергией у них также очень высок – 400 Вт⋅ч/кг, что несравнимо со щелочными.

Одна литиевая батарейка эквивалентна двум щелочным или солевым – ее напряжение выше и не снижается в процессе эксплуатации. Литиевые источники питания способны сохранять свои потребительские свойства и в экстремальных температурных условиях -55…150°С (хоть и кратковременно), например, в погружных системах нефтегазодобычи.

Пожалуй, их единственным недостатком является относительно высокая цена. Однако она зачастую компенсируется длительным сроком службы. Из-за низкого уровня саморазряда срок эксплуатации литиевых батареек может достигать 10 лет. Это особенно востребовано в коммунальной сфере, где межповерочный срок приборов учета с беспроводными датчиками не должен быть слишком коротким.

Однако чтобы батарейка отработала заявленный срок службы с учетом особенностей эксплуатации, ее необходимо правильно хранить. При этом должны быть соблюдены значения температуры воздуха и влажности. Оптимальными считаются нормальные условия в помещении с хорошей вентиляцией, температурой не выше 23…25°С и относительной влажностью воздуха 40…80%. Высокая влажность воздуха особенно губительна, поскольку батарейка не на 100% герметична и при хранении в таких условиях деградирует быстрее обычного.

Существуют и источники тока, рассчитанные на длительный срок эксплуатации: от 10 лет и дольше. Они изготавливаются в металлостеклянном корпусе с максимально возможной герметичностью.

Если литий-тионилхлоридные элементы питания хранятся 6 месяцев и более, а затем предполагается их использование в приборах с потреблением в десятки и сотни мА в постоянном или импульсном режиме, то ЛХИТ необходимо депассивировать перед использованием согласно методике, предоставленной производителем.

В данном случае уместно раскрыть тему пассивации химических источников тока чуть более подробно, поскольку не каждый пользователь с этим сталкивался. Как уже было отмечено, при длительном хранении в литий-тионилхлоридных ХИТ неизбежно происходит свойственный им процесс пассивации. Причем бренд в данном случае роли не играет, поскольку это является характерной особенностью данной электрохимической системы.

Эффект пассивации – это образование на поверхности литиевого анода в процессе хранения пленки хлорида лития. Она имеет низкую проводимость и фактически возникает еще в процессе производства батарейки. Эта пленка останавливает химическую реакцию и уменьшает ток саморазряда (что отчасти является позитивным моментом), из-за чего химический источник тока может храниться дольше, вплоть до 10 лет, не сильно теряя в емкости (примерно 10…15%). Негативной же стороной является невозможность использования ЛХИТ после длительного хранения: если подключить нагрузку, которая потребляет большой ток, то в начальный момент времени ЛХИТ не сможет его выдать. На нагрузке будет недостаточное напряжение, из-за чего прибор может не начать работать.

Однако и здесь есть хитрость: напряжение, измеренное мультиметром на холостом ходу, окажется в пределах нормы – 3,5…3,7 В. Дело в том, что мультиметр имеет очень высокое входное электрическое сопротивление, следовательно, протекающий ток будет малым, и в этом случае напряжение будет в норме.

Чтобы привести батарейку в рабочее состояние, необходимо провести процесс депассивации, суть которого заключается в том, чтобы нагрузить ее на 20 минут. Сопротивление нагрузки нужно выбирать так, чтобы величина тока не превышала значений, указанных в таблице 1.

Таблица 1. Депассивация литий-тионилхлоридных батареек FANSO

По прошествии указанного промежутка времени необходимо отключить нагрузку и через час проверить состояние батарейки, измерив напряжение под этой же нагрузкой. Если результат измерения соответствует значению в таблице, значит, депассивация завершилась успешно, и батарейка готова к использованию. Подробнее об этом можно узнать из дополнительных материалов [1, 2].

После окончания срока службы батарейку в устройстве необходимо заменить на новую, а отслужившую правильно утилизировать. Нужно помнить, что литиевые батарейки нельзя выкидывать в обычные мусорные баки, поскольку они загрязняют окружающую среду. ЛХИТ нужно сдавать на утилизацию в специальные контейнеры, чтобы в дальнейшем они были либо переработаны, либо захоронены на специальном полигоне.

Дополнительные материалы

1. Секреты депассивации литиевых батареек FANSO EVE Energy.
2. Технология правильного хранения аккумуляторов и батареек по рекомендациям FANSO и EVE Energy.