TopTeknisk ordlisteRekkevidde av strømforsyning

Rekkevidde av strømforsyning

På CCTV-installasjoner er det ikke uvanlig med lange ledninger for å drive en elektronisk enhet, for eksempel et kamera. Det er spesielt en veldig viktig parameter som må tas i betraktning her, nemlig "spenningsfallet" på ledningen. Mange installatører er ikke innforstått med effekten av strøm i ledninger, men problemer med strømforsyning er faktisk en hjørnestein ved design av en CCTV-installasjon.

 

Utstyrprodusenter oppgir enhetens faste spenningsverdi, f.eks. 12 V DC, men gir ingen informasjon om rekkevidden (minimal og maksimal verdi). Under praktiske tester antok vi at for et kamera som forsynes med 12 V kan spenningen falle til 11 V. Spenningen som ligger på dette nivået kan gi forstyrrelser eller mangel på videosignal. Dette betyr at spenningsfallet kan ligge maksimalt på 1 V. Mange benytter seg av spenningskalkulatorer uten å kjenne til teoretiske og praktiske momenter. Formålet med denne artikkelen er å gjøre rede for disse.

 

Hver ledning har sin resistans (motstand) som ligger på over 0. Når det går strøm i en ledning med en gitt resistans, oppstår det to fenomener.

 

1. Spenningsfall i henhold til Ohms lov.

 

2. Elektrisk energi blir til varme i henhold til Ohms lov.

 

eller

 

Hver ledning er faktisk en motstand. Nedenfor presenterer vi et erstatningsdiagram for en to-ledningskabel (bare motstand er inkludert).

 

Man skal ta hensyn til spenningsfall på samtlige trådene, noe som gir total resistans (R) på en 2-tråds ledning på: R = R1 + R2.

 

Nederst viser vi skjema for en krets med spenningsfall på en 2-tråds ledning:

 

der:
Uin – forsyningsspenning, f.eks. fra forsyningsenheten,
I – strøm i kretsen,
R1 – resistans (motstand) på første tråd i kretsen,
R2 – resistans (motstand) på andre tråd i kretsen,
UR1 – spenningsfall på første tråd i kretsen,
UR2 – spenningsfall på andre tråd i kretsen,
L – lengde på ledningen,
RL – belastning, f.eks. kamera,
URL – spenning på belastningen.

 

Etter at forsyning er sendt fra forsyningsenheten (Uin) til ledningen og etter at belastningen ble lagt til (RL) begynner strøm å gå i systemet (I), noe som forårsaker spenningsfall i kretsen (UR1 + UR2). Forholdet er som følger: utgangsspenning på belastningen reduseres med spenningsfallet på kretsen.

 

Spenningsfallet (Ud) ble beregnet basert på denne formelen for fast og vekselspenning (1-fase):

 

der:
Ud – spenningsfall målet i volt (V),
2 – konstant som følger av at det beregnes spenningsfall for to ledninger,
L – ledningslengde i meter (m),
R – resistans (motstand) på en ledning i ohm per kilometer (Ω/km),
I – strøm mottatt av belastningen i amper (A).

 

Spenningsfallet kommer altså ikke på verdien av utgangsspenning, men på strøm, lengde og resistans på ledningen.

 

De aller fleste CCTV-kameraer har et varierende strømforbruk. Dette er på grunn av infrarødlyset som slås på om kvelden og øker strømforbruket. Et kamera bruker f.eks. 150 mA om dagen og 600 mA om kvelden. Det er ikke anbefalt å tilføre kameraet større spenning for å kompensere for tap på forsyningsledningen, for spenningsfallet varierer. Ved en lang forsyningslinje og infrarødlys som er på blir kameraforsyningen riktig. Når infrarødlyset slås av, bruker kameraet mindre strøm og spenningen øker, noe som kan gi skader på kameraet.

 

For å beregne spenningsfallet trenger man verdien på resistans av enkelt leding i Ω/km. Videre i artikkelen forklarer vi hvordan beregningen skal foretas. I tabellen viser vi ferdige data for ledninger med et utvalgt tverrsnitt.

 

 

Tverrsnitt [mm2] Resistans [Ω/km] (enkel ledning)
0,5 35,6
0,75 23,73
1 17,8
1,5 11,87
0,19625 (UTP K5 Ø0,5 mm) 90,7
0,246176 (UTP K6 Ø0,56 mm) 72,31

Eksempel

Forsyningsenhet 12 V DC, 2-tråds ledning med tverrsnitt på 0,5 mm2 og lengde 50 m, kamera (belastning) med strømforbruk på 0,5 A (500 mA). Verdiene brukes i formelen.

 

Beregningene over viser at spenningsfall på en 2-tråds ledning vil ligge på 1,78 V (2 x 0,89 V). Dette er summen av spenningsfall på de enkelte trådene. Dette vil si at spenning på belastningen blir:
12 V – 1,78 V = 10,22 V, som i figuren under.

 

Det er enkelt å beregne prosentvis tap på spenningstap på en forsynende ledning ved at man bruker følgende formel:

 

der:
Ud% – spenningstap på ledningen utrykket i prosent (%),
Ud – spenningsfall,
Uin – inngangsspenning.

 

Ved å bruke formelen får man spenningstap i %, dvs. tap på forsyningslinjen.

 

Vel å merke, er spenningsfall er et viktig problem, spesielt ved lav forsyningsspenning. Ved å øke forsyningsspenning, får spenningsfall på kretsen den samme verdi, men prosentvis spenningsfall på belastningen blir mindre.

 

Eksempel

Som i forrige eksempel: 2-tråds ledning med tverrsnitt på 0,5 mm2 og lengde på 50 m, kamera (belastning ) med strømforbruk på 0,5 A (500 mA), og strømforsyningsenhet 24 V DC.

 

Tap på forsyningslinjen:

 

Spenningsfallet vil altså ligge på 1,78 V, spenning på belastningen redusert fra 24 V til 22,22V, dvs. 7,4%, noe som ikke kommer til å påvirke enhetens arbeid.

 

Eksempel

Som i eksemplene ovenfor: 2-tråds ledning med tverrsnitt på 0,5 mm2 og lengde på 50 m, kamera (belastning) med strømforbruk på 0,5 A (500 mA), med forskningsenhet på 230 V DC.

 

Tap på forsyningslinjen:

 

Spenningsfallet på ledningen vil altså ligge på 1,78 V, ved å redusere spenning på belastningen fra 230 V til 228,2V, dvs. med 0,77%, noe som ikke kommer til å påvirke enhetens arbeid.

 

Det ble analysert tre tilfeller for forsyning med ulik spenning. Spenningsfall er likt og påvirker ikke verdien på forsyningsspenning. Mens spenningsfall på noen volt ikke er av stor betydning for installasjoner på 230 V, kan det være problematisk ved spenning på 12 V, der spenningsfallet kan forstyrre enhetens riktige arbeid.

 

Til de beregningene øverst trengte vi verdier i Ω/km. For å selv kunne beregne resistans, må man bli kjent med den såkalte Ohms andre lov. Den sier at motstand (resistans) på et stykke ledning med fast tverrsnitt er proporsjonal til lengden på denne ledningen og omvendt proporsjonal til tverrsnittets areal.

 

Dette ser vi i formel brukt til beregning av resistans på ledningen med lengde L og tverrsnitt S:

 

der:
R – resistans (motstand) på en enkel ledning i ohm (Ω),
p – resistivitet (spesifikk motstand) på ledningen (Ω mm2/m) riktig for materiale som ledningen er laget av (for kobber er det alltid 0,0178),
L – ledningslengde i meter (m),
S – ledningens tverrsnittareal i kvadratmillimeter (mm2).

 

Resistiviteten for kobber 0,0178 (Ω mm2/m), noe som betyr at 1 m leder med et tverrsnitt på 1 mm 2 har motstand 0,0178 Ω (for rent kobber). Denne verdien er veiledende og kan variere avhengig av kobberets renhet og behandling. Billige kinesiske ledninger inneholder f.eks. kobberlegeringer med aluminium og andre metallblandinger, noe som gir økt resistivitet, noe som gjør at deres motstand øker og spenningsfall blir større. Resistivitet for aluminium er 0,0278 (Ω mm 2/m)

 

Eksempel

Vi beregnet motstand (resistans) per kobberledning med lengde på 1000 m og tverrsnitt på 0,75 mm2.

 

Det vil si at en enkelt ledning med lengde på 1000 m har resistans på 23,73 Ω.

 

Ved bruk av den ovenstående formel og Ohms lov, er det lett å beregne maksimal strøm for en konkret avstand for ledning med en bestemt tverrsnitt (i mm2). Vi inkluderer tall 2 i formelen, for nå skal det beregnes reell lengde for 2 ledninger.

 

Eksempel

Vi har en ledning med lengde på 30 m og tverrsnitt på 2 x 0,75 mm2.

 

Vi begynner med å beregne motstand på ledningen.

 

For en installasjon forsynt med 12 V, antar vi spenningsfall på 1 V. Dette betyr at spenning på belastningen blir redusert til 11 V. Deretter bruker vi Ohms lov til å beregne maksimal strøm.

 

Eksempel

Tvunnet parkabel har 4 par ledninger. Vi beregner fall på spenning sendt gjennom 1 par ved strømforbruk på 500 mA (0,5 A) og lengde på 40 m for en tvunnet parkabel UTP K5, med tverrsnitt på 0,19625 mm2, forsyning 12 V.

 

Vi begynner med å beregne ledningens resistans (tvunnet parkabel UTP K5 med tverrsnitt på 0,19625 mm2):

 

Vi bruker Ohms lov for å beregne summarisk spenningsfall på 2 tråder for strøm på 500 mA (0,5 A).

 

Det betyr at spenningsfall på forsyningslinje vil ligge på 3,62 V, og spenning ved mottakeren 8,38 V (12 V – 3,62 V = 8,38 V).

 

Ved å bruke Ohms lov kan man også beregne maksimal strøm for spenningsfall på 1 V for installasjon forsynt med 12 V, hvilket betyr spenningsreduksjon på enheten ned til 11 V.

 

Beregningene gjaldt for 1 par tvunnet dataparkabel. Det er vanlig å bruke 2, 3 eller 4 par tvunnet kabel for å redusere spenningsfall. Disse kobles da parallelt, noe som gir større tverrsnitt og mindre resistans og som resultat - mindre spenningstap.

 

Ferdige beregninger for de samme parametere: tvunnet parkabel UTP K5, strøm 500 mA (0,5 A) og lengde 30 m, forsyning 12 V er :

  • 1 par – spenning på enheten = 8,38 V,
  • 2 par – spenning på enheten = 10,16 V,
  • 3 par – spenning på enheten = 10,8 V,
  • 4 par – spenning på enheten = 11,1 V.

     

  • I tabellen under viser vi maksimal strøm som kan sendes gjennom en ledning med bestemt lengde og tverrsnitt, slik at spenningsfall ikke blir større enn 1 V. Beregningene gjelder for 2 tråder.

     

    Lengde på ledningen [m] Maksimal strøm – kobberledning 2 x 0,5 mm2 [A] Maksimal strøm – kobberledning 2 x 0,75 mm2 [A] Maksimal strøm – kobberledning 2 x 1 mm2 [A] Maksimal strøm – kobberledning 2 x 1,5 mm2 [A] Maksimal strøm – kobberledning 2 x 2,5 mm2 [A]
    10 1,40 2,10 2,80 4,21 7,02
    20 0,70 1,05 1,40 2,10 3,51
    30 0,46 0,70 0,93 1,40 2,34
    40 0,35 0,52 0,70 1,05 1,75
    50 0,28 0,42 0,56 0,84 1,40
    60 0,23 0,35 0,46 0,70 1,17
    70 0,20 0,30 0,40 0,60 1,00
    80 0,17 0,26 0,35 0,52 0,87
    90 0,15 0,23 0,31 0,46 0,78
    100 0,14 0,21 0,28 0,42 0,70
    110 0,12 0,19 0,25 0,38 0,63
    120 0,11 0,17 0,23 0,35 0,58
    130 0,10 0,16 0,21 0,32 0,54
    140 0,10 0,15 0,20 0,30 0,50
    150 0,09 0,14 0,18 0,28 0,46

    Neste tabell viser maksimal strøm som kan sendes gjennom en tvunnet parkabel på en bestemt lengde når spenningsfallet ikke er større enn 1 V. Beregningen gjelder for forsyning med 1, 2, 3 i 4 par på tvunnet parkabel for de populære kategorier 5 og 6.

     

    Lengde på ledningen [m] Maksimal strøm – tvunnet parkabel UTP K5 1 par
    2 x 0,19625 mm2 [A]
    Maksimal strøm – tvunnet parkabel UTP K5 2 par
    4 x 0,19625 mm2 [A]
    Maksimal strøm – tvunnet parkabel UTP K5 3 par
    6 x 0,19625 mm2 [A]
    Maksimal strøm – tvunnet parkabel UTP K5 4 par
    8 x 0,19625 mm2 [A]
    Maksimal strøm – tvunnet parkabel UTP K6 1 par
    2 x 0,246176 mm2 [A]
    Maksimal strøm – tvunnet parkabel UTP K6 2 par
    4 x 0,246176 mm2 [A]
    Maksimal strøm – tvunnet parkabel UTP K6 3 par
    6 x 0,246176 mm2 [A]
    Maksimal strøm – tvunnet parkabel UTP K6 4 par
    8 x 0,246176 mm2 [A]
    10 0,55 1,10 1,65 2,20 0,69 1,38 2,07 2,76
    20 0,27 0,55 0,82 1,10 0,34 0,69 1,03 1,38
    30 0,18 0,36 0,55 0,73 0,23 0,46 0,69 0,92
    40 0,13 0,27 0,41 0,55 0,17 0,34 0,51 0,69
    50 0,11 0,22 0,33 0,44 0,13 0,27 0,41 0,55
    60 0,09 0,18 0,27 0,36 0,11 0,23 0,34 0,46
    70 0,07 0,15 0,23 0,31 0,09 0,19 0,29 0,39
    80 0,06 0,13 0,20 0,27 0,08 0,17 0,25 0,34
    90 0,06 0,12 0,18 0,24 0,07 0,15 0,23 0,30
    100 0,05 0,11 0,16 0,22 0,06 0,13 0,20 0,27

    For alle disse beregningene, må man kjenner til ledningens tverrsnitt i mm2. Parameteren skal ikke forveksles med diameter.

     

    For tykkere ledninger, f.eks. strømkabler oppgir produsenter og forhandlere tverrsnitt i kvadratmillimeter (mm2). For tynnere ledninger derimot, som f.eks. telekomumnikasjonskabler og IT-ledninger oppgis det diameter i millimeter (mm). Da er det nødvendig å konvertere diameter til tverrsnitt.

     

    Nederst på bildet viser vi forskjellen mellom ledningens tverrsnitt og diameter:

     

    der:
    S – tverrsnitt i mm2 (mm2),
    D – ledningens diameter i (mm),
    r – radius på redningen (halve diameteren) i (mm),
    L – lengde på ledningen.

     

    Slik beregner du tverrsnitt:

     

    eller

     

    π – pi, den matematiske konstanten = 3,14

     

    Eksempel

    Tvunnet parkabel UTP kat. 5e. Diameter oppgitt av produsenten S = 0,5 mm. Tverrsnitt i mm2.

     

    eller

     

    Det vil si at ledning med diameter på 0,5 mm har et tversnitt på kun 0,19625 mm2.

     

    Oppsummering

     

    Hovedfaktorer som påvirker spenningsfall:

  • strøm - Ohms lovforhold: jo høyere strøm, dess ​​større er spenningsfallet;
  • diameter eller tverrsnitt - jo tynnere ledningen er, jo større spenningsfall;
  • lengde - analogisk: jo lengre ledningen, desto større motstand og spenningsfall;
  • materiale b> som ledningen er laget av. I dag er de fleste ledere laget av kobber, noe som gjør en god leder. Det er billige kinesiske ledninger som ser ut som kobber, men er laget av en legering som inneholder f.eks. aluminium og magnesium. Det er også en ståltråd med et tynt kobberbelegg. Alt dette betyr større motstand og økt spenningsfall.