Distanța de funcționare a transmisiei alimentării

În instalațiile de monitorizare industrială trebuie uneori să se conducă cabluri mai lungi pentru alimentarea echipamentelor electronice - de exemplu: camere de luat vederi. De asemenea, trebuie să se ia în considerare un parametru foarte important, adică „căderea de tensiune” pe cablu. Mulți instalatori nu își dau seama care sunt efectele trecerii curentului prin cablurile de alimentare, iar problema alimentării este esențială la proiectarea oricărei instalații de CCTV.

Producătorii de echipamente indică valoarea fixă ​​a tensiunii de alimentare pentru un anumit dispozitiv, de exemplu 12 V DC, dar nu specifică intervalul acestei tensiuni (valoarea minimă și maximă). În testele noastre am presupus că, pentru o cameră alimentată cu 12 V, tensiunea ar putea scădea la 11 V. Sub această valoare, pot apărea interferențe sau pierderi ale semnalului video. Așadar, căderea de tensiune pe cablu între sursa de alimentare și cameră poate fi de cel mult 1 V. Mulți utilizatori calculează astfel puterea, dar ignoră probleme teoretice și practice. Tocmai din acest motiv vom încerca să prezentăm această chestiune mai pe îndelete.

Orice conductor are o rezistanță, care întotdeauna este mai mare de 0. Când prin conductorul cu o rezistanță dată trece curentul electric, au loc două fenomene.

1. Are loc căderea de tensiune în conformitate cu legea lui Ohm.

2. Energia electrică este transformată în căldură în conformitate cu legea lui Ohm.

sau

Fiecare conductor este un rezistor. Mai jos este prezentată schema cablului cu două fire (care ia în considerare numai rezistanța).

Trebuie să se ia în considerare căderea de tensiune de pe fiecare fir, de acea rezistanța însumată (R) pentru cablul cu două fire va fi: R = R1 + R2.

Mai jos este prezentată schema circuitului care ilustrează căderea de tensiune în cablul cu două fire:

unde:
U_in – tensiunea de alimentare, de exemplu, de la alimentator,
I – curentul care circulă prin circuit,
R1 – rezistanța primului fir al cablului,
R2 – rezistanța celui de-al doilea fir al cablului,
U_R1 – căderea de tensiune pe primul fir al cablului,
U_R2 – căderea de tensiune pe cel de-al doilea fir al cablului,
L – lungimea cablului,
R_L – solicitarea, de exemplu camera,
U_RL – tensiunea pe solicitare.

După activarea tensiunii de la alimentator (U_in) către conductor și branșarea solicitării (R_L) în circuit începe să circule curentul (I), cauzând căderea de tensiune pe cablu (U_R1 + U_R2). Are loc următoarea reacție: tensiunea de ieșire pe solicitare este micșorată cu căderea de tensiune pe cablu.

Pentru calcularea căderii de tensiune (Ud) pentru curentul continuu și alternativ (cu 1 fază) se folosește formula de mai jos:

unde:
Ud – căderea de tensiune măsurată în volți (V),
2 – număr constant, rezultat al faptului că se calculează căderea de tensiune pentru doi conductori,
L – lungimea cablului în metri (m),
R – rezistanța unui singur conductor măsurată în ohmi pe kilometru (Ω/km),
I – curentul preluat de către solicitare, măsurat în amperi (A).

După cum se observă, căderea de tensiune nu depinde de valoarea tensiunii de intrare, ci de curentul, lungimea și rezistanța conductorului.

Majoritatea camerelor industriale au o preluare de tensiune variabilă. Aceasta rezultă din cauza că, pe timpul nopții se alimentează iluminatorul IR, ceea ce crește consumul de curent. De exemplu, camera preia 150 mA în timpul zilei, dar noaptea valoarea preluată este de 600 mA. Nu se recomandă alimentarea camerei cu o tensiune mai mare pentru a compensa pierderea cablului de alimentare, deoarece căderea de tensiune variază. În cazul unei linii de alimentare mai lungi și a iluminatorului IR pornit, tensiunea de alimentare a camerei va fi adecvată. Oprirea iluminatorului va avea ca efect reducerea consumului de curent din partea camerei și creșterea tensiunii de solicitare, ceea ce poate duce la avarierea camerei.

Pentru calcularea căderii de tensiune sunt necesare valorile rezistanței unui singur conductor, măsurate în Ω/km. Modul de calculare a acestor valori va fi indicat în continuarea acestui articol. În tabel au fost prezentate datele pentru secțiunea transversală a câtorva tipuri de conductori.

Exemplu

Alimentator 12 V DC, cablu cu doi conductori cu secțiune 0,5 mm² și lungime 50 m, cameră (solicitare) cu o preluare de curent 0,5 A (500 mA). Aplicăm valorile la formulă.

Din calculele efectuate rezultă o cădere de tensiune pe acest cablu cu doi conductori de 1,78 V (2 x 0,89 V). Bineînțeles că este suma pierderilor de tensiune pe conductori. Adică, tensiunea la punctul de solicitare va scădea la valoarea:
12 V – 1,78 V = 10,22 V, după cum se vede în desenul de mai jos.

Este posibilă calcularea în procente a căderii de tensiune pe cablul de alimentare folosind formula:

unde:
Ud% – căderea de tensiune pe cablu, măsurată în procente (%),
Ud – căderea de tensiune,
Uin – tensiunea de intrare.

Conform formulei, se poate calcula tensiune de solicitare în %, adică pierderea pe linia de alimentare.

Trebuie să se ia în considerare faptul că orice cădere de tensiune, mai ales în cazul tensiunilor reduse, este foarte importantă. Dacă crește tensiunea de alimentare, căderea de tensiune pe conductor va avea aceeași valoare, dar căderea procentuală a tensiunii pe punctul de solicitare va fi mai mică.

Exemplu

La fel ca în exemplul anterior: cablu cu doi conductori cu secțiune 0,5 mm² și lungimea 50 m, cameră (solicitare) cu un curent de 0,5 A (500 mA) și un alimentator de 24 V DC.

Pierderile pe linia de alimentare:

După cum se vede, căderea de tensiune va fi 1,78 V, ceea ce va micșora tensiunea de solicitare de la 24 V la 22,22V, adică cu 7,4%, ceea ce nu va influența funcționarea echipamentului solicitat.

Exemplu

La fel ca în exemplele anterioare: un cablu cu doi conductori cu secțiune 0,5 mm² și lungimea 50 m, camera (solicitare) cu o preluare de curent 0,5 A (500 mA), dar un alimentator 230 V DC.

Pierderile pe linia de alimentare:

După cum se vede, căderea de tensiune va fi 1,78 V, ceea ce va micșora tensiunea de solicitare de la 230 V la 228,2V, adică cu 0,77%, ceea ce nu va influența funcționarea echipamentului solicitat.

Au fost analizate trei sisteme de alimentare la tensiuni diferite. Căderea de tensiune este identică și nu influențează valoarea tensiunii de alimentare. Dacă în instalațiile 230 V căderea de tensiune cu câțiva Volți nu este importantă, în cazul unei alimentări 12 V problema căderii de tensiune poate fi serioasă, având ca efect probleme de funcționare a echipamentului alimentat.

Pentru calculele de mai sus a fost nevoie de valorile în Ω/km. Pentru a calcula individual rezistanța unui conductor, trebuie să se înțeleagă a doua lege a lui Ohm. Aceasta spune că rezistanța conductorului cu o secțiune transversală stabilă este proporțională cu lungimea acestui conductor și invers proporțională cu suprafața secțiunii acestuia.

Rezultatul reiese din formula de calculare a rezistanței conductorului cu o lungime L și secțiunea S:

unde:
R – rezistanța unui singur conductor în ohmi (Ω),
p – rezistivitatea conductorului (Ω mm²/m) pentru materialul din care a fost executat conductorul (pentru cupru se utilizează valoarea 0,0178),
L – lungimea conductorului în metri (m),
S – suprafața conductorului în milimetri pătrați (mm²).

Pentru cupru rezistivitatea este 0,0178 (Ω mm²/m), ceea ce înseamnă că 1 m de conductor cu secțiunea 1 mm² are o rezistanță de 0,0178 Ω (pentru cupru pur). Această valoare este doar orientativă și poate fi diferită în funcție de puritatea și gradul de prelucrare al cuprului. De exemplu - cablurile ieftine conțin aliaje din cupru și aluminium, precum și alte amestecuri, ceea ce crește rezistivitatea - iar ca urmare tensiunea scade. Pentru aluminium rezistivitatea este de 0,0278 (Ω mm²/m).

Exemplu

Se calculează rezistanța unui cablu din cupru cu lungime de 1000 m și o secțiune transversală 0,75 mm².

Adică un singur conductor cu o lungime de 1000 m are o rezistanță de 23,73 Ω.

Cunoscând formula de mai sus și legea lui Ohm, va fi foarte simplu să se calculeze curentul maxim pentru o lungime indicată a conductorului cu secțiunea transversală (în mm²). La formulă trebuie să se adauge cifra 2, deoarece se va calcula lungimea reală a 2 conductori.

Exemplu

Avem un cablu cu lungimea de 30 m și secțiunea 2 x 0,75 mm².

Mai întâi trebuie calculată rezistanța conductorului.

Pentru o instalație alimentată cu o tensiune de 12 V se ia în considerare o cădere de tensiune de 1 V. Aceasta înseamnă că tensiunea în punctul de solicitare scade la valoarea de 11 V. În conformitate cu legea lui Ohm se calculează valoarea maximă a curentului.

Exemplu

Cablul de calculator se compune din 4 perechi de conductori. Se calculează valoarea tensiunii transmise printr-o singură pereche la un curent preluat de o solicitare de 500 mA (0,5 A) și o lungime 40 m pentru un cablu UTP K5, care are o secțiune transversală de 0,19625 mm², la o alimentare de 12 V.

Mai întâi se calculează rezistanța conductorului (UTP K5 are o secțiune transversală 0,19625 mm²):

Conform legii lui Ohm se poate calcula valoarea căderii de tensiune pe 2 fire pentru un curent de 500 mA (0,5 A).

Așadar căderea de tensiune pe linia de alimentare va fi de 3,62 V, iar tensiunea la receptor va fi de 8,38 V (12 V – 3,62 V = 8,38 V).

De asemenea, conform legii lui Ohm, se poate calcula curentul maxim pentru căderea tensiunii cu 1 V pentru o instalație alimentată cu 12 V, ceea ce înseamnă reducerea tensiunii pe echipamentul solicitat la valoarea de 11 V.

Calculele se aplică pentru o singură pereche de fire din cablul de calculator. Deseori, pentru micșorarea căderii de tensiune, se utilizează pentru transmiterea alimentării 2, 3 sau 4 perechi de fire din cablul de calculator. Conexiunile sunt executate în paralel, ceea ce crește secțiunea transversală, micșorând totodată rezistanța liniei, ceea ce este legat de pierderile mai mici de tensiune.

Calculațiile pentru aceiași parametrii: cablu UTP K5, curent 500 mA (0,5 A) și lungime 30 m, alimentare 12 V, înseamnă:

În tabelul de mai jos a fost prezentat curentul minim care poate fi transmis printr-un cablu cu o lungime și o secțiune aleasă, pentru asigurarea unei căderi de tensiune pe solicitare sub 1V. Calculele au fost efectuate pentru 2 fire.

Următorul tabel prezintă curentul maxim care poate fi transmis printr-un cablu de calculator cu a anumită lungime pentru ca scăderea tensiunii în punctul de solicitare să nu depășească 1V. Calculele au fost efectuate pentru transmisia alimentării prin 1, 2, 3 și 4 perechi de fire de calculator pentru categoriile populare 5 și 6.

Pentru toate calculațiile de mai sus trebuie să se cunoască secțiunea transversală a conductorului în milimetri pătrați. Acest parametru nu trebuie confundat cu diametrul.

În cazul conductorilor mai groși, de exemplu utilizați în industria energetică, producătorii și distribuitorii indică secțiunea transversală în milimetri pătrați (mm²). În schimb, în cazul conductorilor mai subțiri, utilizați de exemplu în telecomunicație sau informatică, întotdeauna se indică diametrul în milimetri (mm), iar în aceste cazuri trebuie să se transforme diametrul în secțiune transversală.

Desenul de mai jos ilustrează diferența dintre secțiunea și diametrul cablului:

unde:
S – secțiunea transversală a conductorului în milimetri pătrați (mm²),
D – diametrul conductorului în milimetri (mm),
r – raza conductorului (jumătatea diametrului) în milimetri (mm),
L – lungimea conductorului.

Formula pentru calcularea secțiunii:

sau

π – numărul pi, constantă matematică = 3,14

Exemplu

Cablul de calculator UTP categoria 5e. Producătorul specifică un diametru S = 0,5 mm. Vom calcula secțiunea transversală în mm².

sau

Aceasta înseamnă că un conductor cu diametrul de 0,5 mm are o secțiune transversală de numai 0,19625 mm².

Rezumat

Cei mai importanți factori care influențează căderea de tensiune: