Maitinimo tiekimo diapazonas

Pramoniniuose stebėjimo įrenginiuose dažnai reikia tiesti ilgus kabelius, kad maitinti elektroninius prietaisus, pvz. vaizdo kameras. Čia reikia atsižvelgti į labai svarbų parametrą, kuriuo yra „įtampos mažėjimas” kabelyje. Daugelis montuotojų nežino kokios elektros srovės tekėjimo maitinimo laidais pasekmės, o maitinimo problema yra kiekvienos CCTV instaliacijos projektavimo pagrindu.

Įrangos gamintojai pateikia pastovią tam tikro prietaiso maitinimo įtampos vertę, pvz., 12 V DC, tačiau neinformuoja apie šios įtampos diapazoną (mažiausia ir didžiausia vertė). Atlikdami praktinius bandymus priėmėme prielaidą, kad 12 V fotoaparato įtampa gali nukristi iki 11 V. Žemiau šios vertės gali atsirasti vaizdo signalo trikdžiai ar nuostoliai. Taigi įtampos kritimas kabelyje tarp maitinimo šaltinio ir fotoaparato gali būti ne didesnis kaip 1 V. Daugelis žmonių naudoja paruoštas galios skaičiuotes, tačiau nežino teorinių ir praktinių klausimų atsakymų. Todėl šiame straipsnyje stengsimės juos pristatyti.

Kiekvienos laidas turi varžą (atsparumą) didesnį nei 0. Kai srovė teka per laidą su tam tikra varža, įvyksta du reiškiniai.

1. Pagal Ohmo dėsnį vyksta įtampos kritimas.

2. Pagal Ohmo dėsnį elektros energija pakeičiama yra į šilumą.

arba

Kiekvienas laidas yra rezistoriumi. Žemiau pateikiama pakaitinė dviejų laidų kabelio schema (įskaitant tik varžą).

Būtina atsižvelgti į įtampos kritimą kiekvienoje gysloje, todėl bendras dviejų gyslų kabelio varža (R) bus: R = R1 + R2.

Žemiau pateikta grandinės schema, nurodanti įtampos dviejų gyslų kabelyje:

kur:
U_in – maitinimo įtampa, pvz. iš maitintuvo,
I – elektros srovė tekanti grandinėje,
R1 – pirmos laido gyslos varža,
R2 – antros laido gyslos varža,
U_R1 –pirmoje laido gysloje įtampos mažėjimas ,
U_R2 –antroje laido gysloje įtampos mažėjimas ,
L – laido ilgis,
R_L – apkrova, pvz. kamera,
U_RL – įtampa apkrovoje.

Pateikus įtampą iš maitintuvo (U_in)prie laido ir apkrovos prijungimo (R_L) sistemoje pradeda tekėti elektros srovė (I), privedant prie įtampos mažėjimo laide (U_R1 + U_R2). Vyksta čia tokia priklausomybė: išėjimo įtampa esant apkrovai sumažėja įtampos kritimu kabelyje.

Įtampos kritimo skaičiavimui (Ud) buvo panaudota žemiau pateikta formulė (1-fazės):

kur:
Ud – įtampos kritimas matuojamas voltais (V),
2 – pastovus skaičius, atsirandantis, kuomet skaičiuojame dviejų laidų įtampos kritimą,
L – laido ilgis skaičiuojamas metrais (m),
R – varža pavienio laido nurodyta omais kilometre(Ω/km),
I – elektros srovė, kurią sunaudoja amperais (A) išreikšta apkrova.

Kaip žinia, įtampos kritimas nepriklauso nuo pradinės įtampos dydžio, tik nuo laido srovės, ilgio varžos.

Didžioji dauguma pramoninių vaizdo kamerų naudoja kintamą energiją. Taip yra dėl to, kad infraraudonųjų spindulių apšvietimas įjungiamas naktį, padidinant energijos suvartojimą. Pavyzdžiui, vaizdo kamera dieną sunaudoja 150 mA, o naktį - 600 mA. Nerekomenduojama maitinti vaizdo kameros didesne įtampa, kad kompensuotų maitinimo laido nuostolius, nes įtampos kritimas yra kintantis. Esant ilgai maitinimo linijai ir įjungus IR apšvietimą, vaizdo kamerą tiekianti įtampa bus tinkama. Išjungus apšvietimą, sumažės vaizdo kameros srovės sąnaudos ir padidės apkrovos įtampa, o tai gali sugadinti vaizdo kamerą.

Norint apskaičiuoti įtampos kritimą, bus reikalingos vieno laido varžos vertės Ω/km. Šių verčių skaičiavimo būdas bus pateiktas tolimesnėje straipsnio dalyje. Lentelėje yra pateikti paruošti duomenys keliems laidų skerspjūviams.

Pavyzdys

Maitintuvas 12 V DC, dviejų gyslų laidas, kurio skersmuo 0,5 mm² ir ilgis 50 m, kamerą (apkrova) kur elektros srovė 0,5 A (500 mA). Įkeliame šias vertes į formulę.

Pirmiau pateikti skaičiavimai rodo, kad įtampa sumažės ant šio dviejų gyslų kabelio 1,78 V (2 x 0,89 V). Yra tai aišku įtampų kritimo nurodytose gyslose suma. Tai reiškia įtampa apkrovoje sumažės iki vertės:
12 V – 1,78 V = 10,22 V, tai nurodo žemiau pateiktas piešinys.

Maitinimo laido įtampos kritimo nuostolių procentą galime lengvai apskaičiuoti pagal formulę:

kur:
Ud% – įtampos nuostoliai laide nurodyti procentais (%),
Ud – įtampos kritimas,
Uin – pradinė įtampa.

Pakeitę formulę, apskaičiuojame apkrovos įtampos sumažėjimą %, t. y. nuostolius maitinimo linijoje.

Reikia atkreipti dėmesį, kad įtampos kritimo problema, ypač esant žemai maitinimo įtampai, yra rimta. Jei padidinsime maitinimo įtampą, įtampos kritimas laide bus toks pats, tačiau įtampos kritimo procentas ant apkrovos bus mažesnis.

Pavyzdys

Kaip ir ankstesniame pavyzdyje: dviejų gyslų kabelis, kurio skerspjūvis yra 0,5 mm² ir ilgis 50 m, vaizdo kamera (apkrova), kurios sunaudojama srovė 0,5 A (500 mA), o taip pat 24 V DC maitintuvas.

Maitinimo linijos nuostoliai:

Kaip matyti, įtampos kritimas laide bus 1,78 V, mažinant įtampą apkrovoje 24 V iki 22,22V, t. y. 7,4%, tai neturės apkrovos darbui.

Pavyzdys

Kaip ir aukščiau pateiktuose pavyzdžiuose: dviejų gyslų kabelis, 0,5 mm², 50 m ilgio, vaizdo kamera (apkrova) su 0,5 A srovės suvartojimu (500 mA), bet maitintuvas 230 V.

Maitinimo linijos nuostoliai:

Kaip matyti, įtampos kritimas laide bus 1,78 V, mažinant įtampą apkrovoje iš 230 V iki 228,2V, t. y. 0,77%, tai neturės apkrovos darbui.

Išanalizuoti trys skirtingų įtampų maitinimo atvejai. Įtampos kritimas yra toks pats ir jo neveikia maitinimo įtampos lygis. Nors 230 V įrenginiuose įtampos kritimas ant apkrovos keliais voltais yra nereikšmingas, esant 12 V įtampai, įtampos kritimo problema gali būti rimta ir sukelti netinkamą maitinimo įtaiso veikimą.

Norint atlikti pirmiau minėtus skaičiavimus, mums reikėjo Ω/km verčių. Norint savarankiškai apskaičiuoti vieno laido varžą, turime žinoti vadinamąjį antrąjį Ohmo dėsnį. Jame sakoma, kad pastovaus skerspjūvio laido atkarpos varža yra proporcinga laido ilgiui ir atvirkščiai proporcinga jo skerspjūvio plotui.

Tai nurodo laido, kurio ilgis L ir skersmuo S varžos apskaičiavimo formulė:

kur:
R – vieno laido varža, išreikšta omais (Ω),
p – laido varža (Ω mm²/m) tinkamai medžiagai iš kurios buvo pagamintas laidas (variui visada nurodome vertę 0,0178),
L – laido ilgis nurodytas metrais (m),
S – laidininko skerspjūvio plotas, išreikštas kvadratiniais milimetrais (mm²).

Variui varža yra 0,0178 (Ω mm²/m), tai reiškia, kad 1 m laido, kurio skerspjūvis 1 mm² varža yra 0,0178 Ω (pačiam variui). Ši vertė yra orientacinė ir gali skirtis priklausomai nuo švarumo ir vario apdailos. Pavyzdžiui, pigiuose Kinijos kabeliuose yra vario lydinių su aliuminiu ir kitomis priemaišomis, dėl kurių padidėja atsparumas, taigi ir jų varža didėja, ir vyksta didesnis įtampos kritimas. Aliuminio varža yra 0,0278 (Ω mm²/m).

Pavyzdys

Apskaičiuokime varinio laido varžą, kurio ilgis 1000 m ir skerspjūvis 0,75 mm².

Tai reiškia pavienio laido, kurio ilgis 1000 m ma varža 23,73 Ω.

Žinant aukščiau pateiktą formulę ir Ohmo dėsnį, labai lengva apskaičiuoti maksimalią nustatyto skerspjūvio laido konkretų atstumą (w mm²). Į formulę įtraukiamą 2 skaičių, todėl, kad skaičiuosime realų ilgį 2 laidams.

Pavyzdys

Turime kabelį, kurio ilgis 30 m ir skersmuo 2 x 0,75 mm².

Pirmiausia apskaičiuokime laido varžą.

Sistemai, kuri maitinama 12 V laikoma, priimame, kad įtampos kritimas yra 1 V. Tai reiškia, kad įtampa ant apkrovos sumažėja iki 11 V.Didžiausią srovę skaičiuojame pagal Ohmo dėsnį.

Pavyzdys

Kompiuterio vytoje poroje yra 4 poros laidų. Apskaičiuojame įtampos kritimą, siunčiamą 1 poroje esant įtampai imamai per apkrovą 500 mA (0,5 A) ir ilgio 40 m vielai UTP K5, kuri turi skerspjūvį 0,19625 mm², maitinimas 12 V.

Pirmiausia apskaičiuokime laido varžą (vytoji pora UTP K5 turi skerspjūvį 0,19625 mm²):

Pagal Ohmo dėsnį apskaičiuojame bendrą srovės įtampos kritimą 2 gyslose, kur srovė 500 mA (0,5 A).

Tai reiškia įtampos kritimas maitinimo linijoje bus 3,62 V, o įtampa prie imtuvo bus 8,38 V (12 V – 3,62 V = 8,38 V).

Pagal Ohmo dėsnį taip pat galime apskaičiuoti didžiausią įtampos kritimo srovę 1 V sistemai, maitinamai 12 V, o tai reiškia įtampos sumažėjimą apkrovai iki 11 V.

Skaičiavimai taikomi 1 kompiuterio vielos porai. Labai dažnai, siekiant sumažinti įtampos kritimą, energijos perdavimui naudojamos 2, 3 arba 4 kompiuterio vielos poros. Jie yra sujungiami lygiagrečiai, o tai padidina skerspjūvį ir taip sumažina linijos varžą, kuri yra susijusi su mažesniais įtampos nuostoliais.

Paruošti skaičiavimai su tais pačiais parametrais: vytoji pora UTP K5, srovė 500 mA (0,5 A) ir ilgis 30 m, maitinimas 12 V, to:

Žemiau esančioje lentelėje parodyta maksimali srovė, kurią galima perduoti per tam tikro ilgio ir skerspjūvio kabelį, kad įtampos kritimas ant apkrovos neviršytų 1 V. Skaičiavimai atlikti 2 gysloms.

Kitoje lentelėje pateikiama maksimali srovė, kurią galima perduoti per tam tikro ilgio kompiuterio vielą, kad įtampos kritimas ant apkrovos neviršytų 1 V. Skaičiavimai atlikti esant elektros perdavimui su 1, 2, 3 ir 4 kompiuterio laidų poromis populiarioms 5 ir 6 kategorijoms.

Atliekant visus pirmiau minėtus skaičiavimus, reikia žinoti laido skerspjūvį, išreikštą kvadratiniais milimetrais. Šio parametro negalima painioti su skersmeniu.

Storesniems kabeliams, pvz., elenergijos, gamintojai ir platintojai pateikia skerspjūvį kvadratiniais milimetrais (mm²). Tačiau plonesniems kabeliams, pvz., Telekomunikacijų ar IT kabeliams, kabelio skersmuo nurodomas milimetrais (mm), ir šiais atvejais skersmenį turime skaičiuoti kaip skerspjūvį.

Žemiau yra pateiktas piešinys rodantis skirtumą tarp laido skersmens ir skerspjūvio:

kur
S – laido skerspjūvis, išreikštas kvadratiniais milimetrais (mm²),
D – laido skersmuo išreikštas milimetrais (mm),
r – laido spindulys (skersmens vidurys) išreikštas milimetrais (mm),
L – laido ilgis.

Skersmens skaičiavimo formulė:

arba

π – skaičius pi, matematinė konstanta = 3,14

Pavyzdys

Kompiuterio vytoji pora UTP kat. 5e. Gamintojas pateikia skersmenį S = 0,5 mm. Apskaičiuokime skerspjūvį mm².

arba

Tai reiškia laidas, kurio skersmuo 0,5 mm o skerspjūvis yra tik 0,19625 mm².

Apibendrinimas

Pagrindiniai įtampos kritimą įtakojantys veiksniai: