TopTeknisk ordbokStrömförsörjning överföringsräckvidd

Strömförsörjning överföringsräckvidd

CCTV-övervakningssystem kräver ofta långa strömförsörjningskablar för att driva de anslutna elektroniska enheterna, t.ex. kameror. Således måste en viktig parameter, dvs. ett ”spänningsfall” på strömförsörjningskabeln beaktas. Flera installatörer är inte medvetna om effekterna av strömflödet genom strömförsörjningskablar, medan strömförsörjningen är en nyckelfråga vid utformning av CCTV-system.

 

Tillverkare ger ofta ett konstant värde på strömförsörjningsspänning för en viss enhet, t.ex. 12 VDC, men informerar inte om spänningsområdet (minsta och högsta värdet). Under de praktiska testerna har vi antagits att för en 12 V-kamera kan spänningen sjunka till 11 V. Under det värdet kan det finnas störningar och videosignalförlust. Spänningsfallet på kabeln mellan strömadaptern och kameran får inte överstiga 1 V. Många personer använder olika strömförsörjningsräknare utan teoretisk och praktisk bakgrund. Vi ska försöka förklara dem i denna artikel.

 

Varje kabel har resistans (motstånd) högre än 0. När strömmen flyter genom kabeln med ett visst motstånd förekommer två saker.

 

1. Det förekommer ett spänningsfall enligt Ohms lag.

 

2. El omvandlas till värme enligt Ohms lag.

 

eller

 

Varje kabel är en resistor (motstånd). Nedan visas ett diagram med tvålednings kabel (endast för motstånd).

 

Man måste ta hänsyn till spänningsfall på varje ledning, därför är det totala motståndet (R) för tvålednings kabel: R = R1 + R2.

 

Nedan visas ett kretsschema för ett spänningsfall i tvålednings kabel:

 

där:
Uin – nätspänning, t.ex. från nätadapter,
I – ström i kretsen,
R1 – resistans (motstånd) över kabelns första ledning,
R2 – resistans (motstånd) över kabelns andra ledning,
UR1 – spänningsfall på kabelns första ledning,
UR2 – spänningsfall på kabelns andra ledning,
L – kabelns längd,
RL – belastning, t.ex. kamera,
URL – spänning på belastningen.

 

Efter att ha levererat spänningen från nätadaptern (Uin) till kabeln och anslutit belastningen (UR1 + UR2). Det förekommer följande förhållande här: utspänningen på belastningen reduceras av spänningsfallet på kabeln.

 

Spänningsfallet (Ud) beräknades med hjälp av följande formel för konstant och växlande (enfas) spänning:

 

där:
Ud – spänningsfall i (V),
2 – konstant för spänningsfall över två ledningar,
L – kabelns längd i meter (m),
R – resistans (motstånd) över enkel kabel i Ohm per kilometer (Ω/km),
I – belastningsström per ingång i amper (A).

 

Spänningsfall beror inte på ingångsspänningen utan på kabelns ström, längd och motstånd.

 

De allra flesta CCTV-kameror har en variabel strömingång. Detta beror på att IR-belysningen tänds på natten, vilket ökar strömförbrukningen. Till exempel en kamera förbrukar på dagen 150 mA medan på natten – 600 mA. Kameran ska inte förses med högre spänning för att kompensera förlusten på strömkabeln, eftersom spänningsfallet varierar. För en lång strömförsörjningskabel med IR-belysningen påslagen är matningsspänningen tillräcklig. När IR-belysningen ska stängas av kommer strömingången att minska, vilket ökar spänningen vid belastningen, vilket kan leda till kameraskador.

 

För att beräkna spänningsfall måste motstånd hos en enkel kabel i Ω/km vara känd. Beräkningsmetoderna anges vidare i texten. Tabellen visar data för kablarnas utvalda tvärsnittsarea.

 

 

Tvärsnittsarea [mm2] Resistans [Ω/km] (enkel kabel)
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

Exempel

Nätadapter 12 V DC, tvålednings kabel med tvärsnittsarea på 0,5 mm2 och längd på 50 m, kamera (belastning) med strömingång på 0,5 A (500 mA). Om vi använder dessa värden i formeln:

 

Beräkningarna visar att spänningsfallet vid den tvålednings kabeln är 1,78 V (2 x 0,89 V). Det är visst en summa av spänningsfall på båda ledningarna. Spänningen vid belastningen kommer att reduceras till:
12 V – 1,78 V = 10,22 V, vilket visas på nedanstående bilden.

 

En procentuell spänningsförlust på strömförsörjningskabeln kan enkelt beräknas med följande formel:

 

där:
Ud% – spänningsförluster på kabeln i procent (%),
Ud – spänningsfall,
Uin – inspänning.

 

Efter att ha ersatt formeln kan den procentuella spänningsförlusten vid belastningen, dvs. spänningsförlusten vid strömförsörjningslinjen, beräknas.

 

Man ska beakta att spänningsfallet, särskilt vid låg matningsspänning, är en allvarlig fråga. Om man ökar matningsspänningen blir spänningsfallet över kabeln detsamma, men det procentuella spänningsfallet vid belastningen blir lägre.

 

Exempel

Som i föregående exemplet: tvålednings kabel med tvärsnittsarea på 0,5 mm2 och längd på 50 m, kamera (belastning) med strömingång på 0,5 A (500 mA), samt nätdapater 24 V DC.

 

Förluster på strömförsörjningslinjen:

 

Som man ser är spänningsfallet över kabeln 1,78 V, vilket minskar spänningen vid belastningen från 24 V till 22,22 V, dvs. med 7,4%, vilket inte påverkar belastningen.

 

Exempel

Som i ovanstående exemplen: tvålednings kabel med tvärsnittsarea på 0,5 mm2 och längd på 50 m, kamera (belastning) med strömingång på 0,5 A (500 mA), men nätdapater 230 V DC.

 

Förluster på strömförsörjningslinjen:

 

Som man ser är spänningsfallet över kabeln 1,78 V, vilket minskar spänningen vid belastningen från 230 V till 228,2 V, dvs. med 0,77%, vilket inte påverkar belastningen.

 

Vi har analyserat tre strömförsörjningsfall för olika spänningar. Spänningsfallet är samma och påverkas inte av nivån på matningsspänningen. Medan i 230 V installationer är spänningsfallet vid belastningen med flera volt obetydligt, i 12 V system kan spänningsfallet vara ett stort problem, vilket resulterar i felaktig användning av den enhet som drivs.

 

För ovanstående beräkningar behövdes värden i Ω/km. För att själv beräkna resistans för en enkel kabel behöver man Ohms andra lag. Den anger att motståndet (resistans) hos en homogen ledare med konstant tvärsnitt är direkt proportionell mot dess längd och är omvänt proportionell mot dess tvärsnittsarea.

 

Det uttrycks av en formel för att beräkna resistans för en kabel med längd L och tvärsnittsarea S:

 

där:
R – resistans (motstånd) för enkel kabel i Ohm (Ω),
p – kabelns resistivitet (specifikt motstånd) (Ω mm2/m) specifikt för det använda materialet (för koppar blir det alltid 0,0178),
L - kabelns längd i meter (m),
S - tvärsnittsarea i kvadratmillimeter (mm2).

 

För koppar är resistiviteten 0,0178 (Ω mm2/m), vilket innebär att 1 m kabeln med tvärsnittsarea på 1 mm2 har ett motstånd på 0,0178 Ω (för ren koppar). Värdet är vägledande och kan bero på koppars renhet och bearbetningsmetoder. Till exempel kan billiga kinesiska kablar innehålla koppar- och aluminiumlegeringar eller kan dopas med andra metaller, vilket ökar resistiviteten, motståndet och spänningsfallet. För aluminium är resistiviteten 0,0278 (Ω mm2/m).

 

Exempel

Låt oss beräkna motståndet (resistansen) hos en kopparkabel med längd på 1000 m och tvärsnittsarea på 0,75 mm2.

 

En enkel kabel med längd på 1000 m har motståndet på 23,73 Ω.

 

Baserat på ovanstående formel och Ohms lag kan vi enkelt beräkna den maximala strömmen för en specifik längd på kabeln med specifik tvärsnittsarea (i mm2). Vi lägger till 2 i formeln, eftersom vi kommer att beräkna den faktiska längden på två kablar.

 

Exempel

Vi har en kabel med längd på 30 m och tvärsnittsarea på 2 x 0,75 mm2.

 

Först ska vi beräkna kabelns resistans.

 

För installation 12 V är spänningsfallet 1 V. Detta innebär spänningsminskning på belastningen till 11 V. Den maximala strömmen kan beräknas utifrån Ohms lag.

 

Exempel

En partvinnad kabel har 4 ledningspar. Vi beräknar ett spänningsfall över ett par ledningar vid belastningsströmingång på 500 mA (0,5 A) och 40 m lång UTP K5 partvinnad kabel med tvärsnittsarea på 0,19625 mm2, strömförsörjning 12 V.

 

Först ska vi beräkna ledningens resistans (UTP K5 partvinnad kabel har tvärsnittsarea på 0,19625 mm2):

 

Med hjälp av Ohms lag beräknar vi ett totalt spänningsfall över två ledningar vid ström på 500 mA (0,5 A).

 

Dvs. spänningsfallet på strömförsörjningslinjen är 3,62 V och spänningen vid mottagaren är 8,38 V (12 V - 3,62 V = 8,38 V).

 

Utifrån Ohms lag kan vi beräkna den maximala strömmen för spänningsfallet med 1 V för installationen 12 V, vilket innebär spänningsminskning på belastningen till 11 V.

 

Detta gällde för 1 ledningspar av partvinnad kabel. Mycket ofta, för att minska spänningsfallet, använder man 1, 3 eller 4 ledningspar av partvinnad kabel för överföring. Paren är anslutna parallellt för att öka tvärsnittsarean och samtidigt minska linjens resistans, vilket resulterar i lägre spänningsförluster.

 

Beräkningarna för samma parametrar: UTP K5 partvinnad kabel, ström på 500 mA (0,5 A) och längd på 30 m, strömförsörjning 12 V:

  • 1 par - spänning vid belastning = 8,38 V,
  • 2 par - spänning vid belastning = 10,16 V,
  • 3 par - spänning vid belastning = 10,8 V,
  • 4 par - spänning vid belastning = 11,1 V.

     

    		•

    Tabellen nedan visar den maximala strömmen som kan överföras med kabeln med en viss längd och tvärsnittsarea, där spänningsfallet vid belastningen inte överstiger 1 V. Beräkningarna gjordes för 2 ledningar.

     

    Kabellängd [m] Max ström - kopparkabel 2 x 0,5 mm2 [A] Max ström - kopparkabel 2 x 0,75 mm2 [A] Max ström - kopparkabel 2 x 1 mm2 [A] Max ström - kopparkabel 2 x 1,5 mm2 [A] Max ström - kopparkabel 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

    Nästa tabell visar den maximala strömmen som kan överföras med partvinnad kabeln med en viss längd och tvärsnittsarea, där spänningsfallet vid belastningen inte överstiger 1 V. Beräkningarna gjordes för den ström som överförs via 1, 2, 3 och 4 par av partvinnade kabeln för populära kategorier 5 och 6.

     

    Kabellängd [m] Max ström - partvinnad kabel UTP K5 1 par
    2 x 0,19625 mm2 [A]     		Max ström - partvinnad kabel UTP K5 2 par
    4 x 0,19625 mm2 [A]     		Max ström - partvinnad kabel UTP K5 3 par
    6 x 0,19625 mm2 [A]     		Max ström - partvinnad kabel UTP K5 4 par
    8 x 0,19625 mm2 [A]     		Max ström - partvinnad kabel UTP K6 1 par
    2 x 0,246176 mm2 [A]     		Max ström - partvinnad kabel UTP K6 2 par
    4 x 0,246176 mm2 [A]     		Max ström - partvinnad kabel UTP K6 3 par
    6 x 0,246176 mm2 [A]     		Max ström - partvinnad kabel 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

    En tvärsnittsarea av kabeln i kvadratmillimeter måste vara känd för ovanstående beräkningarna. Denna parameter är inte densamma som diametern.

     

    För tjockare kablar, t.ex. kraftkablar, anger tillverkarna och distributörerna tvärsnittsarean i kvadratmillimeter (mm2). För tunnare kablar, t.ex. telekommunikation-, IT-kablar, en kabeldiameter anges i millimeter (mm) och måste omvandlas till tvärsnittsarea.

     

    Bilden nedan visar skillnaden mellan kabelns diameter och tvärsnittsarea:

     

    där:
    S – kabelns tvärsnittsarea i kvadratmillimeter (mm2),
    D – kabelns diameter i millimeter (mm),
    r – kabelns radie (hälften av dess diameter) i millimeter ( mm),
    L – kabelns längd.

     

    Formel för tvärsnittsarea:

     

    eller

     

    π - talet pi, en matematisk konstant = 3,14

     

    Exempel

    UTP partvinnad kabel kat. 5e. Tillverkaren anger diameter på S = 0,5 mm. Vi beräknar tvärsnittsarean i mm2.

     

    eller

     

    Dvs. en kabel med diametern 0,5 mm har en tvärsnittsarea på 0,19625 mm2.

     

    Sammanfattning

     

    De viktigaste faktorerna som påverkar spänningsfallet:

  • prąd – enligt Ohms lag: ju högre ström, desto högre spänningsfall;
  • kabelns diameter eller tvärsnittsarea – ju tunnare kabel, desto högre är spänningsfall;
  • kabelns längd – enligt logiskt resonemang: ju längre kabel, desto högre motstånd och spänningsfall;
  • materal, som kabeln är gjord av. Idag tillverkas de flesta kablarna av koppar som har goda ledande egenskaper. På marknaden finns billiga kinesiska ledningar som ser ut som koppar men de är tillverkade av legering av t.ex. aluminium och magnesium. Det finns också stålkablar med tunn kopparbeläggning. Allt dessa resulterar i mycket högre motstånd och ökat spänningsfall.

     

    		•