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Um no-break barato e muito eficiente

 

Por Eng. Claudio de Almeida

 

Por menos de 100 Reais*, garanta o fornecimento ininterrupto de energia para seu sistema de CFTV.

 

Uma solução mais simples e  mais eficiente que os melhores no-breaks do mercado. E com 10 horas de autonomia!

 

 

* Custo do sistema equivalente ao no-break, sem as baterias.

 

É preciso instalar um no-break?

 

Sim, com certeza.

 

Qualquer sistema de segurança, seja de CFTV, alarme, controle de acesso, choque, etc.  só se torna eficiente se for dimensionado para operação 24/7, mesmo se faltar energia.

 

Daí a necessidade do no-break.

 

No caso de um sistema  de CFTV, todas as câmeras, DVRs ou NVRs, conversores de sinal ativos, switches e qualquer outro equipamento que necessite de uma fonte de energia para operar deverá estar conectado ao sistema de no-break.

 

Como o no-break funciona?

 

Basicamente, o no-break ou UPS em inglês  (Uninterrupted Power Supply - Fornecimento de energia sem interrupção),  é instalado entre a entrada de alimentação dos equipamentos  do sistema de CFTV e o ponto de energia elétrica.

 

Além de fornecer a alimentação para os equipamentos, o no-break também  carrega um banco de baterias. Quando ocorre uma interrupção no fornecimento de energia, o no-break imediatamente passa a utilizar a carga das baterias para continuar fornecendo energia para o sistema.

 

Potência do no-break

 

Como calcular a potência do no-breakPara cada equipamento, multiplique a tensão de alimentação pela corrente de consumo. Exemplo: Câmera 12 VDC, 0,5 A = 12 x 0,5 = 6 W               DVR 12 VDC, 3 A = 12 x 3A = 36 W Portanto, um DVR com 16 câmeras de 0,5 A consome  36 + (16x6) = 132 W Para se obter a  capacidade  mínima do no-break em VA, divida 132 por 0,7 = 188 VAA potência do no-break deve ser dimensionada conforme o consumo dos equipamentos em VA (Volt - Amperes).

 

Por exemplo, um no-break de 600 VA  é suficiente para alimentar um conjunto computador / monitor / impressora.

 

 

 

 

Autonomia do no-break

 

Quando o no-break começa a utilizar as baterias para fornecer energia para os equipamentos, obviamente, elas começam a se descarregar.

 

Esse tempo que as baterias levam para se descarregar, suspendendo o fornecimento de energia, é chamado de autonomia do no-break.

 

Os no-breaks para computadores - normalmente com baterias internas - costumam ter uma autonomia de cerca de 15 minutos, mais do que suficiente para salvar seus trabalhos e  desligar o computador, pois esse é o objetivo deles: Evitar que você perca seu trabalho atual quando faltar energia.

 

Esse tipo de raciocínio não se aplica para um sistema de segurança, que deve se manter operante até que o fornecimento de energia seja restabelecido.

 

O que se sugere é uma autonomia de no mínimo 10 horas, mais do que suficiente para a maioria das situações. Neste caso, os no-breaks costumam utilizar um banco de baterias externo, devido à maior capacidade de corrente exigida.

 

Classes de no-break

 

Existem 2 classes de no-breaks:

 

- No-breaks off-line, mais simples e baratos.

 

- No-breaks online, mais sofisticados e confiáveis, nos quais se baseia a solução aqui oferecida.

 

Os no-breaks off-line são os mais utilizados em sistemas de CFTV.

 

 No-break standby (off-line)

 

Neste no-break, uma chave automática fica normalmente comutada para receber a entrada de energia da rede e passá-la para os equipamentos. Na falta de energia essa chave comuta para receber a alimentação das baterias através de um circuito inversor.

 

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Na verdade esse tipo de equipamento não poderia ser chamado de no-break, pois existe uma breve interrupção no fornecimento de energia no momento da comutação. Então o nome mais adequado para ele seria short-break (pequena interrupção).

 

Porém, por ser muito pequena, em torno de 5 milissegundos, essa interrupção acaba sendo compensada pelo circuito eletrônico das fontes de alimentação.

 

O problema é que um no-break standby em condições normais de fornecimento de energia, ou seja, na maior parte do tempo, não evita que as flutuações de tensão  diárias diminuam a vida útil dos equipamentos.

 

Por isso ele é recomendado mais para pequenos equipamentos de escritórios e residências.

 

No-break de dupla conversão (online)

 

O no-break de dupla conversão é assim chamado pois a energia elétrica de entrada, que é AC (corrente alternada) é convertida em DC (corrente contínua) e reduzida para 12 V para alimentar as baterias.

 

As baterias, por sua vez, são ligadas à um circuito inversor que reconverte a tensão DC de 12 V novamente em AC, também elevando-a novamente para o nível da tensão de entrada que no exemplo abaixo é de 110 VAC.

 

​

 

Como a tensão senoidal é regenerada no conversor, sua forma de onda é limpa e bastante estável. Muito melhor do que a energia fornecida pela rede elétrica.

 

Por esse motivo, esse tipo de no-break é mais utilizado em aplicações críticas, tais como servidores, hospitais e outros equipamentos que precisam operar 24 horas por dia.

 

Sistemas de CFTV também precisam operar 24 horas por dia e, portanto, também deveriam utilizar esse tipo de no-break que,

por ser muito caro*, acaba se tornando proibitivo para aplicações em CFTV.

 

* Devido à maior complexidade de seu circuito, no-breaks de dupla conversão não conseguem ter um preço competitivo quando projetados para potências  menores, sendo mais encontrados nas potências de 5 a 10 KVA.

 

Em busca do no-break ideal

 

Como vimos acima, por falta de opção mais viável,  sistemas de segurança estão usando no-breaks offf-line, que não são adequados para aplicações 24/7.

 

O ideal  seria utilizar algo parecido com os no-breaks online, porém a um custo igual ou inferior a um no-break off-line. Esse era o desafio.

 

Um fato que chamou minha atenção é que equipamentos utilizados em sistemas de segurança (câmeras, controladores de acesso, sensores, etc.)  têm uma característica peculiar se comparados à outros tipos de equipamentos: Todos eles são alimentados em 12 VDC, ou seja, sempre existirá uma fonte de alimentação 12 VDC, ligada à saída do no-break.

 

A solução pode estar aí...

 

Analisando o circuito de um no-break online conectado à uma fonte 12 VDC:

 

​

 

Vemos que a alimentação passa pelas seguintes etapas até chegar nos equipamentos:

 

a. Entra 110 VAC;

 

b. O circuito 1 reduz a  tensão para 12V e a transforma em corrente contínua (DC);

 

c. A tensão 12 VDC carrega o banco de baterias e é aplicada na entrada do inversor;

 

d. O circuito 2, que é o inversor, transforma novamente a tensão em AC e também a eleva novamente para 110 VAC, aplicando-a na entrada da fonte 12 VDC;

 

e. O circuito 3, que é uma fonte de alimentação, converte novamente a tensão em corrente contínua (DC) e a reduz novamente para 12 V

 

Reparem as palavras novamente que eu propositadamente grifei em negrito.

 

Se os equipamentos de segurança trabalham com 12 VDC, para que precisamos de um inversor?  Para transformar novamente a tensão 12 VDC em 110 VAC para que a fonte depois transforme-a novamente em 12 VDC? Por que não alimentar os equipamentos diretamente na bateria, eliminando os circuitos 2 e 3?

 

Ficaria um no-break muito mais simples e eficiente, pois circuitos eletrônicos não são 100% eficientes; uma parte da energia que passa por eles é dissipada em calor. Sendo assim, quanto menos circuitos tivermos, mais eficiente, econômica (menor consumo de energia) e ecológica será a solução.

 

O circuito final ficaria assim:

 

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Ao invés de um no-break e uma fonte, seria necessário apenas um carregador de bate

 

O fusível de proteção é necessário para evitar que um curto na instalação coloque os terminais das baterias em curto.

 

Para dimensioná-lo, divida o valor da corrente de consumo das câmeras por 0,75. Se não coincidir com um valor de mercado, escolha o valor mais próximo acima.

 

Exemplo:  Se sua instalação consome, no pior caso (IRs das câmeras acionados), uma corrente de 10 A, então escolha um fusível de no mínimo, 13,33 A. Provavelmente, o valor de mercado mais próximo será de 15 A.

 

Não esqueça de redimensionar o fusível sempre que acrescentar mais itens no sistema, pois a corrente de consumo irá aumentar.

 

Dimensionando o no-break ideal

 

Agora só faltava dimensionar esse carregador de baterias e definir a capacidade das baterias (Ah);

 

Como essa não é a minha especialidade, pedi a ajuda de um colega, engenheiro eletrotécnico, que é considerado um dos maiores entendidos em baterias no Brasil.

 

As informações que ele me passou foram:

 

- Qualquer fonte de alimentação pode ser utilizada como carregador de baterias, desde que sua saída seja regulável e esteja ajustada para a tensão de carga das baterias. Uma boa sugestão são aquelas fontes tipo gaiola, que são oferecidas com capacidades entre 5 a 30 A e sua saída pode ser ajustável entre 10,6 a 14 VDC através de um trimpot.

 

​

 

- A tensão de cada elemento das baterias estacionárias varia de 1,75 a 2,25 VDC. Como são seis elementos, o trimpot  da fonte (V ADJ na foto acima) deve ser ajustado para uma tensão de saída  de 13,5 VDC.

 

Fonte como carregador de  baterias? À essa altura você deve estar pensando: - Não vai funcionar! Quando a bateria estiver totalmente carregada, a fonte vai continuar enviando corrente, o que vai acabar queimando a bateria! A corrente elétrica só circula quando existe uma diferença de potencial entre 2 pontos. Quando a bateria estiver carregada, ela estará com uma tensão de 13,5 VDC, que é a mesma tensão da fonte. Se as tensões são idênticas, a corrente elétrica deixará de circular entre a fonte e a bateria. Por isso é extremamente importante que a fonte esteja regulada em 13,5 VDC.

 

ATENÇÃO: NUNCA UTILIZAR BATERIAS AUTOMOTIVAS EM NO-BREAKS!

Mais detalhes no quadro no final deste artigo

 

- A melhor condição de operação para uma bateria estacionária é quando os equipamentos conectados à ela consomem no máximo 10% de sua capacidade total, o que dá  uma autonomia de 10 horas, tempo bastante razoável para se manter um sistema de segurança em operação durante uma queda de energia.

 

- O banco de baterias deve trabalhar com uma folga de 70%, pois não há como garantir que as baterias estarão com sua carga máxima quando ocorrer uma queda de energia.

 

Por exemplo, se a soma das correntes de consumo das câmeras mais o DVR for igual a 5 Ah, para que o banco de baterias trabalhe fornecendo 10% de sua capacidade, ele deve ser de no mínimo 10 x 5 Ah = 50 Ah. Mas, para se ter  uma folga de 70% => 50 Ah / 0,7 = 71,42 Ah.

 

- Dimensionar a fonte de alimentação para trabalhar com até 80 % de sua capacidade máxima, para que sua vida útil não seja comprometida.

 

Por exemplo, uma fonte de 10 A deve trabalhar com uma carga máxima de 8 A.

 

Do exposto acima, podemos tirar as seguintes conclusões:

 

A corrente da carga (soma da corrente de consumo dos equipamentos) somada à corrente de carga da bateria não deve ultrapassar  80% da corrente da fonte.

 

Como a corrente de carga da bateria deve ser 10% da capacidade da bateria:

 

Corrente da carga + 10% da capacidade da bateria = 80% da capacidade da fonte (1)

 

Por outro lado, para que a autonomia seja de 10 horas, o consumo da carga vezes 10 não deve ultrapassar 70 % da  capacidade da bateria (2)

 

Colocando os enunciados acima como fórmulas, sendo L, a corrente da carga; B, a capacidade da bateria e F, a capacidade da fonte, todos em Amperes, temos:

 

(1)  L + 0,1 B = 0,8 F

 

(2) 0,7 B = 10 L  => B = 10 L / 0,7

 

Substituindo B da equação (2) na equação (1) teremos:

 

L + 0,1 x ( 10 L / 0,7) = 0, 8 F  => L + L / 0,7 = 0,8 F  =>  F = 1,7 L / 0,56 (3)

 

Então, somando todos as correntes de consumo dos equipamentos a serem alimentados, saberemos a valor da carga  L, que aplicado na equação (3) nos informará a capacidade mínima da fonte.

 

Para se saber a capacidade do banco de baterias, basta informar o valor da carga na equação (2).

 

Exemplo 1:

 

Calcular a capacidade mínima da fonte de alimentação e do banco de baterias necessário para alimentar por 10 horas um sistema de CFTV composto por:

 

- 1 DVR 16 canais que consome 3 A (A fonte externa do DVR  não será utilizada, pois ele será ligado diretamente ao sistema no-break) ;

 

- 4 câmeras IR 50 m, que consomem 0,5 A cada;

 

- 12 câmeras IR 15 m, que consomem 0,3 A cada.

 

Solução:

 

1 - Determinar L (consumo total do sistema):  L = 3 + (4 x 0,5) + (12 x 0,3) => L = 8,6 Ah

 

2 - Obter a capacidade mínima da fonte, aplicando o valor de L na fórmula (3): F = 1,7 x 8,6 / 0,56 => F =  26,1 A

 

3 - Pela fórmula (2) obter a capacidade do banco de baterias: B = 10 x 8,6 / 0,7 =>  B = 123 Ah

 

Portanto, para esse sistema, deve-se utilizar uma fonte de 30 A conectada à 2 baterias de 65 ou 70 Ah^* ligadas em paralelo.

 

^* ATENÇÃO: Escolha sempre uma bateria de capacidade igual ou pouco superior ao valor obtido no cálculo.

 

O fusível de proteção será de no mínimo 11,46 A (8,6 A / 0,75)

 

Exemplo 2:

 

Tenho uma fonte de 10 A sobrando, que gostaria de usar como no-break. Como calcular qual é a corrente máxima da carga que ela pode suportar e qual a capacidade das baterias que terei que comprar?

 

Solução:

 

1 - Temos F = 10 A

 

2 -Aplicar F na fórmula (3): 10 = 1,7 L / 0,56 => L = 5,6 / 1,7 => L = 3,29 Ah

 

3 - Pela fórmula (2) obter a capacidade do banco de baterias: B = 10 x 3,29 / 0,7 =>  B = 47 Ah

 

Portanto, uma fonte de 10 A carregando uma bateria de 50 Ah pode suportar uma carga de até 3,29 Ah por 10 horas.

 

Essa configuração deve ser suficiente para alimentar, por exemplo, um DVR de 4 canais com 4 câmeras ligadas à ele.

 

 

 

Instalando baterias estacionárias Os fabricantes recomendam que as baterias estacionárias sejam instaladas em ambientes com temperatura controlada (ar condicionado), já que sua temperatura padrão de funcionamento é em torno de 25°C. A vida útil de uma bateria estacionária cai pela metade para cada 10 graus acima da temperatura padrão. A utilização da tecnologia AGM (eletrólito imobilizado através da absorção no separador de fibra de vidro), que impede  o vazamento do eletrólito, permite que algumas baterias estacionárias sejam montadas na posição deitada, em prateleiras, economizando espaço no chão da sala.

 

Lição de casa

 

Refaça os cálculos do exemplo 2 para fontes de 20 e 30 amperes.

 

Depois faça uma tabela  com os 3 modelos de fontes (10, 20 e 30 A), a capacidade máxima de carga que cada uma pode suportar e a capacidade das baterias para cada uma.

 

Assim você já saberá de antemão qual configuração você deverá utilizar em seus próximos projetos.

 

Conclusão

A solução aqui apresentada tem várias vantagens em relação às 2 classes de no-breaks acima mencionadas:

 

- Não há interrupção no fornecimento de energia, como ocorre  no no-break off-line (short break);

 

- Custo inferior à qualquer no-break de mercado;

 

-  Funcionamento semelhante ao no-break online;

 

- Mais econômico, ecológico e eficiente que a configuração com o  no-break online, pois tem 2 circuitos a menos;

 

É claro que essa solução só pode ser aplicada para equipamentos que trabalham com tensão 12 VDC. Porém, salvo alguns DVRs baseados em PC ou DVRS stand alone top de linha, a maioria dos equipamentos utilizados em sistemas de segurança trabalha com essa tensão.

 

Por que não se deve utilizar baterias automotivas em no-breaks 1 - As tensões são diferentes. Baterias estacionárias são formadas por células de 2,25 VDC cada, num total de 13,5 VDC para 6 células. Já as baterias automotivas são formadas por 6 células de 2,4 VDC cada, num total de 14,4 VDC. 2 - Baterias automotivas, mesmo as seladas, liberam gases tóxicos (hidrogênio e vapor de ácido sulfúrico), que se dispersam sob o capô dos automóveis. Porém, o no-break geralmente fica na sala de segurança, dividindo o mesmo espaço que os operadores do sistema. 3 - Baterias automotivas são projetadas para estarem sempre carregadas, em torno de 90 a 100% de sua capacidade total, função exercida pelo alternador. Quando ocorre uma queda  de energia, o no-break submete as baterias à um regime de descarga que não foi previsto para ser suportado por  baterias automotivas . Outra coisa que não foi prevista e que vai comprometer a vida útil da bateria do seu carro  é você deixar o som ligado no último volume por várias horas com o carro parado... Já as baterias estacionárias são projetadas para ciclos de descarga profundos, podendo chegar a 20 % de sua carga total sem que sua vida útil seja prejudicada. 4 - Nas baterias automotivas, as placas ficam em uma solução de ácido sulfúrico, sendo importante a agitação dessa solução, o que acontece com a movimentação do veículo. Se forem utilizadas em no-break, a falta de agitação dessa solução causará  sedimentação, prejudicando  a vida útil da bateria. 5 -  Pelos motivos explicados nos itens 3 e 4, a maioria dos fabricantes de baterias automotivas costuma dar de 12 a 18 meses de garantia para uso automotivo e apenas 3 meses para uso estacionário. O texto abaixo foi transcrito do manual de uma bateria automotiva: "Baterias utilizadas em sistema estacionário tais como: alimentação de TV, Rádio, Som, Etc., terão garantia de apenas 3 meses a partir da data de venda." 6 - Baterias  automotivas têm uma vida útil média  de 2,5 anos. Baterias estacionárias duram  em média 6 anos. 7 - Baterias automotivas têm que ser montadas no chão, lado a lado, o que ocupa grande espaço na sala. Baterias estacionárias podem ser montadas deitadas, em prateleiras, ocupando um espaço  muito menor (consulte o fabricante para saber se a bateria adquirida atende essas condições).

 

Este artigo foi escrito com a colaboração do Eng. Valter de Oliveira, gerente de produto da Newmax

Em maio de  2017 foi incluído um fusível de proteção no sistema., sugestão do Guilherme Schwab, do blog Cftv consult