Portée de transmission de l'énergie

Dans les installations de télévision en circuit fermé, il est souvent nécessaire de faire passer de longs câbles pour alimenter un appareil électronique, par exemple une caméra. Un paramètre très important à considérer ici est la « chute de tension » sur le câble. De nombreux installateurs ne sont pas conscients des effets de la circulation du courant dans les cordons d'alimentation, et le problème d'alimentation est fondamental dans la conception de toute installation CCTV.

Les fabricants d'équipements indiquent une valeur de tension fixe pour un appareil donné, par exemple 12 V DC, sans informer cependant sur la plage de cette tension (valeurs minimale et maximale). Lors de tests pratiques, nous avons supposé que pour une caméra alimentée en 12 V, la tension peut tomber à 11 V. En dessous de cette valeur, des interférences peuvent se produire ou le signal vidéo peut être perdu. La chute de tension au niveau du câble entre l'alimentation électrique et la caméra ne doit pas dépasser 1 V. De nombreuses personnes utilisent divers calculateurs d'alimentation sans aucune formation théorique et pratique, c'est pourquoi nous en parlerons dans cet article.

La résistance électrique de tout câble est supérieure à 0. Deux effets peuvent être observés lorsque le courant circule dans le câble avec une résistance donnée.

1. La tension chute conformément à la loi d'Ohm.

2. L'énergie électrique est convertie en énergie thermique conformément à la loi d'Ohm.

ou

Tous les câbles sont des résistances. Un schéma de câble à deux conducteurs (tenant compte uniquement de la résistance) est présenté ci-dessous.

La chute de tension dans les deux conducteurs doit être prise en compte ; ainsi, la résistance totale (R) du câble à deux conducteurs sera : R = R1 + R2.

Ci-dessous il y a un schéma du circuit illustrant la chute de tension dans un câble à deux conducteurs :

où :
U_in - la tension d'alimentation, par exemple de l'alimentation électrique,
I - le courant circulant dans le circuit,
R1 - la résistance du premier conducteur du câble,
R2 - la résistance du second conducteur du câble,
U_R1 - la chute de tension au niveau du premier conducteur du câble,
U_R2 - la chute de tension au niveau du second conducteur du câble,
L - la longueur de câble,
R_L - la charge, par exemple la caméra,
U_RL - la tension sur la charge.

Après avoir appliqué la tension de l'alimentation électrique (U_in) au câble et connecté la charge (R_L), le courant (I) commence à circuler dans le circuit, provoquant une chute de tension sur le câble (U_R1 + U_R2). La relation est la suivante : la tension de sortie sur la charge est réduite par la chute de tension sur le câble.

La formule suivante pour la tension continue et alternative (monophasée) a été utilisée pour calculer la chute de tension (Ud) :

où :
Ud - la chute de tension mesurée en volts (V),
2 - un nombre constant résultant du fait que nous calculons la chute de tension pour deux conducteurs,
L - la longueur de câble exprimée en mètres (m),
R - la résistance (résistivité) d'un seul conducteur exprimée en ohms par kilomètre (Ω/km),
I - le courant consommé par la charge exprimé en ampères (A).

Comme on peut le voir, la chute de tension ne dépend pas de l'amplitude de la tension d'entrée, mais du courant, de la longueur et de la résistance du câble.

La grande majorité des caméras de surveillance ont une consommation de courant variable. Cela est dû au fait que la nuit, l'illuminateur IR s'allume, ce qui entraîne une augmentation de la consommation de courant. Par exemple, la caméra consomme 150 mA le jour et 600 mA la nuit. Il n'est pas recommandé d'alimenter la caméra avec une tension plus élevée pour compenser la perte sur le cordon d'alimentation, car la chute de tension est variable. Avec une longue ligne électrique et l'illuminateur IR allumé, l'alimentation électrique de la caméra sera correcte. Si l'illuminateur s'éteint, la consommation de courant de la caméra diminue et la tension de charge augmente, ce qui peut endommager la caméra.

La résistance d'un seul câble en Ω/km doit être connue pour calculer la chute de tension. Les méthodes de calcul sont abordées dans la suite de l’article. Des données toutes prêtes pour plusieurs sections de câbles se trouvent dans le tableau.

Exemple

Alimentation 12 V DC, un câble à deux conducteurs de 0,5 mm² d'une longueur de 50 m, une caméra (charge) avec une consommation de courant de 0,5 A (500 mA). Nous plaçons ces valeurs dans la formule.

D'après les calculs ci-dessus, la chute de tension sur ce câble à deux conducteurs sera de 1,78 V (2 x 0,89 V). Il s'agit, bien sûr, de la somme des chutes de tension sur les deux conducteurs. La tension sur la charge va donc diminuer pour atteindre la valeur de :
12 V – 1,78 V = 10,22 V, comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Un pourcentage de pertes de tension au niveau du câble d'alimentation peut être facilement calculé à l'aide de la formule suivante :

où :
Ud% - les pertes de tension sur le câble exprimées en pourcentage (%),
Ud - la chute de tension,
Uin - la tension d'entrée.

Après substitution de la formule, le pourcentage de perte de tension au niveau de la charge, c'est-à-dire la perte de tension au niveau de la ligne d'alimentation électrique, peut être calculé.

Notez que le problème de la chute de tension, en particulier aux basses tensions d'alimentation, est grave. Si nous augmentons la tension d'alimentation, la chute de tension sur le câble aura la même valeur, mais le pourcentage de chute de tension sur la charge sera moindre.

Exemple

Comme dans l'exemple précédent : un câble à deux conducteurs de 0,5 mm2 d'une longueur de 50 m, une caméra (charge) avec une consommation de courant de 0,5 A (500 mA), ainsi qu’une alimentation électrique.

Pertes sur la ligne d’alimentation :

Comme on peut le voir, la chute de tension sur le câble sera de 1,78 V, réduisant la tension sur la charge de 24 V à 22,22 V, à savoir de 7,4 %, ce qui n'affectera pas le fonctionnement de la charge.

Exemple

Comme dans les exemples précédents : un câble à deux conducteurs de 0,5 mm2 d'une longueur de 50 m, une caméra (charge) avec une consommation de courant de 0,5 A (500 mA), mais une alimentation électrique de 230 V DC.

Pertes sur la ligne d’alimentation :

Comme on peut le voir, la chute de tension sur le câble sera de 1,78 V, réduisant la tension sur la charge de 230 V à 228,2 V, à savoir de 0,77 %, ce qui n'affectera pas le fonctionnement de la charge.

Trois cas d'alimentation électrique pour différentes tensions ont été analysés. La chute de tension est identique dans tous les cas et n'est pas affectée par la tension d'alimentation. Dans les systèmes 230 V, la chute de tension à la charge de plusieurs volts est insignifiante, mais dans le système à 12 V, la chute de tension peut être un problème majeur, entraînant un mauvais fonctionnement de l’appareil alimenté.

Pour les calculs ci-dessus, nous avons eu besoin de valeurs en Ω/km. Pour calculer nous-mêmes la résistance d'un seul câble, nous devons connaître la seconde loi d'Ohm. Elle stipule que la résistance d'une section d'un câble de section constante est proportionnelle à la longueur de ce conducteur et inversement proportionnelle à la surface de sa section.

Ceci est exprimé par la formule de calcul de la résistance d'un câble de longueur L et de section S :

où :
R - la résistance (résistivité) d'un câble unique exprimée en ohms (Ω),
p - résistivité (résistance spécifique) d'un câble (Ω mm²/m) spécifique au matériau utilisé dans la production du câble (pour le cuivre, il faut toujours substituer la valeur de 0,0178),
L - la longueur du câble exprimée en mètres (m),
S - la section transversale du conducteur exprimée en millimètres carrés (mm²).

Pour le cuivre, la résistivité est de 0,0178 (Ω mm²/m), ce qui signifie qu'1 mètre de câble d'une section de 1 mm² a une résistivité de 0,0178 Ω (pour le cuivre pur). Cette valeur est approximative et peut varier en fonction de la pureté et du traitement du cuivre. Par exemple, les câbles chinois bon marché contiennent des alliages de cuivre avec de l'aluminium et d'autres adjuvants, ce qui entraîne une augmentation de la résistivité. Il en résulte une résistance accrue et une chute de tension plus importante. Pour l'aluminium, la résistivité est de 0,0278 (Ω mm²/m).

Exemple

Nous allons calculer la résistance d'un conducteur en cuivre de 1000 m de long avec une section de 0,75 mm².

Cela veut dire qu'un seul fil de 1000 m de long a une résistance de 23,73 Ω.

Connaissant la formule ci-dessus et la loi d'Ohm, il est très facile de calculer le courant maximal pour une distance donnée d'un fil ayant une section spécifique (en mm²). Nous incluons le chiffre 2 dans la formule parce que nous allons calculer la longueur réelle pour 2 fils.

Exemple

Nous avons un conducteur de 30 m de long avec une section de 2 x 0,75 mm².

Tout d'abord, calculons la résistance du fil.

Pour une installation alimentée à 12 V, nous supposons une chute de tension de 1 V. Cela signifie que la tension sur la charge est réduite à 11 V. À partir de la loi d'Ohm, nous calculons le courant maximum.

Exemple

Un câble à paires torsadées comporte 4 paires de fils. Calculons la chute de tension transmise par 1 paire à un courant consommé par la charge de 500 mA (0,5 A) et une longueur de 40 m pour un câble à paires torsadées UTP K5, qui a une section de 0,19625 mm², alimentation de 12 V.

Tout d'abord, calculons la résistance du câble (le câble à paires torsadées UTP K5 a une section de 0,19625 mm²) :

À partir de la loi d'Ohm, nous calculons la chute de tension totale entre les 2 fils pour un courant de 500 mA (0,5 A).

Autrement dit, la chute de tension sur la ligne d’alimentation sera de 3,62 V, et la tension près du récepteur sera de 8,38 V (12 V - 3,62 V = 8,38 V).

Nous pouvons également calculer à partir de la loi d'Ohm le courant maximum pour une chute de tension de 1 volt pour une installation alimentée à 12 volts, alors réduire la tension sur la charge à 11 V.

Les calculs ont porté sur une paire du câble à paires torsadées. Très souvent, pour réduire la chute de tension, on utilise 2, 3 ou 4 paires du câble à paires torsadées pour transmettre le courant. Elles sont connectées en parallèle, ce qui augmente la surface de la section et diminue donc la résistance de la ligne, ce qui se traduit par une perte de tension moindre.

Les calculs prêts pour les mêmes paramètres : un câble à paires torsadées UTP K5, le courant de 500 mA (0,5 A) et la longueur de 30 m, l’alimentation de 12 V, sont les suivants :

Le tableau ci-dessous indique le courant maximum qui peut être envoyé à travers un fil d'une longueur et d'une section données, de sorte que la chute de tension sur la charge ne dépasse pas 1 V. Les calculs ont été effectués pour 2 fils.

Le tableau suivant indique le courant maximum qui peut être envoyé par un câble à paires torsadées d'une longueur donnée, de sorte que la chute de tension sur la charge ne dépasse pas 1 V. Les calculs ont été effectués pour 1, 2, 3 et 4 paires du câble à paires torsadées pour les catégories populaires 5 et 6.

Pour tous les calculs ci-dessus, il est nécessaire de connaître la section du câble exprimée en millimètres carrés. Ce paramètre ne doit pas être confondu avec le diamètre.

Pour les câbles plus épais, tels que les câbles électriques, les fabricants et les distributeurs donnent la section exprimée en millimètres carrés (mm²). En revanche, pour les câbles plus fins, par exemple les câbles de télécommunication ou informatiques, le diamètre du câble est indiqué en millimètres (mm) et, dans ces cas, nous devons convertir le diamètre en section transversale.

Vous trouverez ci-dessous une illustration de la différence entre la section transversale et le diamètre d'un câble :

où :
S - section du câble exprimée en millimètres carrés (mm²),
D - diamètre du câble exprimé en millimètres (mm),
r - rayon du câble (demi-diamètre) exprimé en millimètres (mm),
L - longueur du câble.

Formule de calcul de la section :

ou

π - nombre pi, constante mathématique = 3,14

Exemple

Câble à paires torsadées UTP de cat. 5e. Le fabricant indique un diamètre de S = 0,5 mm. Calculons la section transversale en mm².

ou

Cela veut dire qu’un câble de 0,5 mm a une section transversale de seulement 0,19625 mm².

Résumé

Principaux facteurs affectant la chute de tension :