Rango de la transmisión de alimentación

Los sistemas de videovigilancia CCTV a menudo requieren cables de alimentación largos para alimentar dispositivos electrónicos conectados, tales como cámaras. En este caso, se debe considerar un parámetro clave, es decir, la “caída de tensión” en el cable de alimentación. En muchos casos, los instaladores desconocen los efectos del flujo de la corriente a través de los cables de alimentación, pero la alimentación es un tema clave en el diseño de cualquier instalación de CCTV.

Los fabricantes suelen indicar una tensión de alimentación específica, por ejemplo, 12 V CC para un dispositivo particular, pero no informan sobre el rango de esta tensión (valores mínimo y máximo). Las pruebas prácticas muestran que para una cámara con alimentación de 12 V la tensión puede caer a 11 V. Por debajo de este valor, puede haber interferencias y pérdida de la señal de vídeo. La caída de tensión en el cable entre la fuente de alimentación y la cámara no debe exceder 1 V. Muchos clientes usan varias calculadoras de alimentación sin ningún conocimiento teórico o práctico. Por lo tanto, intentaremos presentarlo en este artículo.

La resistencia eléctrica de cualquier cable es mayor que 0. Se pueden observar dos efectos cuando la corriente fluye a través del cable con cierta resistencia.

1. Se produce una caída de tensión de acuerdo con la ley de Ohm.

2. La energía eléctrica se convierte en energía térmica de acuerdo con la ley de Ohm.

o

Todo cable es un resistor. A continuación se muestra un diagrama de cable de dos hilos (solo incluye la resistencia).

La caída de tensión debe considerarse en ambos conductores, por lo que la resistencia total (R) de un cable de dos hilos es la siguiente: R = R1 + R2.

A continuación se muestra un diagrama del circuito que ilustra la caída de tensión en un cable de dos hilos:

donde:
U_in – tensión de alimentación, por ejemplo, de una fuente de alimentación,
I – corriente que fluye en el circuito,
R1 – resistencia del primer conductor del cable,
R2 – resistencia del segundo conductor del cable,
U_R1 – caída de tensión en el primer conductor del cable,
U_R2 – caída de tensión en el segundo conductor del cable,
L – longitud del cable,
R_L – carga, por ejemplo, una cámara,
U_RL – tensión de la carga.

Después de suministrar la tensión de la fuente de alimentación (U_in) al cable y conectar la carga (R_L) la corriente (I) fluye a través del circuito provocando una caída de tensión en el cable (U_R1 + U_R2). Se produce la siguiente relación: la tensión de salida en la carga se reduce por el valor de la caída de tensión en el cable.

La caída de tensión (Ud) se calcula utilizando la siguiente fórmula para la tensión continua y alterna (monofásica):

donde:
Ud – caída de tensión en voltios (V),
2 – constante resultante del cálculo de la caída de tensión en dos conductores,
L – longitud del cable en metros (m),
R – resistencia de un solo conductor en (Ω/km),
I – corriente absorbida por la carga, en amperios (A).

Como puede verse, la caída de tensión no depende de la magnitud de la tensión de entrada, sino de la corriente, longitud y resistencia del conductor.

La gran mayoría de las cámaras CCTV tienen un consumo de corriente variable. Esto se debe al hecho de que el iluminador de infrarrojos se enciende por la noche, lo que aumenta el consumo de corriente. Por ejemplo, la cámara consume 150 mA durante el día y 600 mA durante la noche. No se recomienda suministrar a la cámara una tensión más alta para compensar la pérdida en el cable de alimentación, ya que la caída de tensión es variable. Para un largo cable de alimentación con el iluminador de infrarrojos encendido, la tensión de alimentación de la cámara será correcta. Al apagar el iluminador disminuye el consumo de corriente de la cámara y aumenta la tensión de la carga, lo que podría dañar la cámara.

Para calcular la caída de tensión, se deben conocer los valores de la resistencia de un solo conductor, en Ω/km. El método para calcular estos valores se proporciona más adelante en el artículo. La tabla muestra los datos para diferentes secciones transversales de conductores.

Ejemplo

Fuente de alimentación de 12 V CC, cable de dos hilos con sección de 0,5 mm² y longitud de 50 m, cámara (carga) con consumo de corriente de 0,5 A (500 mA). Sustituimos estos valores en la siguiente fórmula:

Los cálculos muestran que la caída de tensión en el cable de dos hilos es de 1,78 V (2 x 0,89 V). Esta es, por supuesto, la caída de tensión total en los dos conductores. Por consiguiente, la tensión en la carga caerá a:
12 V – 1,78 V = 10,22 V, como se muestra en el diagrama a continuación.

El porcentaje de pérdidas debidas a la caída de tensión en el cable de alimentación se puede calcular fácilmente mediante la siguiente fórmula:

donde:
Ud% – porcentaje de pérdidas de tensión en el cable (%),
Ud – caída de tensión,
Uin – tensión de entrada.

Después de sustituir en la fórmula, se puede calcular el porcentaje de pérdida de tensión en la carga, es decir, la pérdida de tensión en la línea de alimentación.

La caída de tensión, en particular con una baja tensión de alimentación, es un problema grave. Si aumentamos la tensión de alimentación, la caída de tensión en el cable será la misma, pero el porcentaje de caída de tensión en la carga será menor.

Ejemplo

Tal como en el ejemplo anterior: cable de dos hilos con sección de 0,5 mm2 y longitud de 50 m, cámara (carga) con consumo de corriente de 0,5 A (500 mA), fuente de alimentación de 24 V DC.

Pérdida de tensión en la línea de alimentación:

Como puede verse, la caída de tensión en el cable será de 1,78 V, reduciendo la tensión en la carga de 24 V a 22,22V, es decir, del 7,4%, lo que no afectará el funcionamiento de la carga.

Ejemplo

Tal como en los ejemplos anteriores: cable de dos hilos con sección de 0,5 mm2 y longitud de 50 m, cámara (carga) con consumo de corriente de 0,5 A (500 mA), fuente de alimentación de 230 V DC.

Pérdida de tensión en la línea de alimentación:

Como puede verse, la caída de tensión en el cable será de 1,78 V, reduciendo la tensión en la carga de 230 V a 228,2V, es decir, del 0,77%, lo que no afectará el funcionamiento de la carga.

Vamos a analizar tres casos de alimentación para diferentes tensiones. La caída de tensión es idéntica en todos los casos y no se ve afectada por el nivel de la tensión de alimentación. En las instalaciones de 230 V, la caída de tensión en la carga de unos pocos voltios es irrelevante, sin embargo, en una instalación de 12 V, la caída de tensión puede ser un problema grave, causando un mal funcionamiento del dispositivo alimentado.

Para los cálculos anteriores era necesario saber la resistencia del cable en Ω/km. La resistencia de un solo conductor se calcula de acuerdo con la segunda ley de Ohm. Esta ley establece que la resistencia de un conductor con una sección transversal constante es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional al área de su sección transversal.

Esto se expresa mediante una fórmula para calcular la resistencia de un cable de longitud L y sección transversal S:

donde:
R – resistencia de un solo conductor en ohmio​s (Ω),
p – resistividad (resistencia específica) del conductor (Ω mm²/m) específica para el material utilizado (para el cobre siempre se aplica 0,0178),
L – longitud del conductor en metros (m),
S – área de la sección transversal del conductor expresada en milímetros cuadrados (mm²).

Para el cobre, la resistividad es de 0,0178 (Ω mm²/m), lo que significa que 1 m del cable con un área de sección transversal de 1 mm² tiene un resistencia de 0,0178 Ω (para el cobre puro). Este es un valor aproximado que puede variar según la pureza y los métodos de tratamiento del cobre utilizado. Por ejemplo, los cables baratos fabricados en China contienen aleaciones de cobre y aluminio o pueden contener otros metales que provocan un aumento de la resistividad, y por tanto su resistencia aumenta y se produce una mayor caída de tensión. Para el aluminio, la resistividad es de 0,0278 (Ω mm²/m).

Ejemplo

Calculamos la resistencia de un conductor de cobre de 1000 m de longitud con un área de sección transversal de 0,75 mm².

Entonces, un solo conductor de 1000 m de largo tiene una resistencia de 23,73 Ω.

Según la fórmula anterior y la ley de Ohm, es posible calcular fácilmente la corriente máxima para una longitud específica del conductor con un área de sección transversal específica (en mm²). Ponemos 2 en la fórmula, ya que vamos a calcular la longitud efectiva de 2 conductores.

Ejemplo

Tenemos un cable de 30 m de largo con un área de sección transversal de 2 x 0,75 mm².

Primero, calculamos la resistencia del conductor.

Para una instalación de 12 V, asumimos una caída de tensión de 1 V. Esto significa que la tensión en la carga se reduce a 11 V. La corriente máxima se puede calcular de acuerdo con la ley de Ohm.

Ejemplo

Un cable de par trenzado tiene 4 pares de conductores. Vamos a calcular la caída de tensión en un solo par de conductores considerando el consumo de corriente por una carga de 500 mA (0,5 A) para un cable de par trenzado UTP K5 de 40 m de largo con un área de sección transversal de 0,19625 mm², alimentación de 12 V.

Primero, calculamos la resistencia del conductor (el cable de par trenzado UTP K5 tiene un área de sección transversal de 0,19625 mm²):

Aplicando la ley de Ohm, calculamos la caída de tensión total en 2 conductores para la corriente de 500 mA (0,5 A).

Entonces, la caída de tensión en la línea de alimentación es de 3,62 V y la tensión en la carga es de 8,38 V (12 V - 3,62 V = 8,38 V).

También se puede calcular a partir de la ley de Ohm la corriente máxima para una caída de tensión de 1 V para una instalación alimentada a 12 V, lo que significa que la tensión en la carga se reduce a 11 V.

Los cálculos se han llevado a cabo para un solo par de un cable de par trenzado. A menudo se utilizan 2, 3 o 4 pares de un cable de par trenzado para reducir la caída de tensión. Los pares se conectan en paralelo para aumentar el área de la sección transversal y diminuir la resistencia de la línea, lo que conlleva una reducción de las pérdidas de tensión.

Cálculos realizados para los mismos parámetros: cable UTP K5, corriente de 500 mA (0,5 A) y longitud de 30 m, alimentación de 12 V:

La siguiente tabla muestra la corriente máxima que se puede transmitir a través de un cable de cierta longitud y sección transversal, de modo que la caída de tensión en la carga no supere 1 V. Los cálculos se han llevado a cabo para los 2 conductores.

La siguiente tabla muestra la corriente máxima transmitida a través de un cable de par trenzado de cierta longitud, de modo que la caída de tensión en la carga no supere 1 V. Los cálculos se han llevado a cabo para la potencia transmitida a través de 1, 2, 3 y 4 pares del cable de par trenzado (Cat. 5 y 6).

Para todos los cálculos anteriores, es necesario conocer el área de la sección transversal del conductor, expresada en milímetros cuadrados. Este parámetro no debe confundirse con el diámetro.

Para cables de mayor espesor, tales como cables de alimentación, los fabricantes y distribuidores indican el área de la sección transversal en milímetros cuadrados (mm²). En cambio, para cables más delgados, tales como cables de telecomunicaciones o cables de datos, el diámetro del cable se da en milímetros (mm) y en estos casos el diámetro debe convertirse en el área de la sección transversal.

El siguiente diagrama muestra la diferencia entre el área de la sección transversal y el diámetro del cable:

donde:
S – área de la sección transversal del cable en milímetros cuadrados (mm²),
D – diámetro del cable en milímetros (mm),
r – radio del cable (mitad de su diámetro) en milímetros (mm),
L – longitud del cable.

Fórmula para calcular la sección transversal:

o

π - número pi, una constante matemática = 3,14

Ejemplo

Cable de par trenzado UTP de cat. 5e. El diámetro proporcionado por el fabricante es S = 0,5 mm. Calculamos la sección transversal en mm².

o

Por lo tanto, un cable con un diámetro de 0,5 mm tiene un área de la sección transversal de 0,19625 mm².

Resumen

Los principales factores que influyen en la caída de tensión: