Minu ostukorv

Keel:

Valuuta:

Uudiskiri e-postile

Toitevoolu edastamise kaugus

Valvesüsteemides on tihti tarvis pikki toitekaableid toite pakkumiseks elektroonikaseadmetele, näiteks kaameratele; seega tuleb arvesse võtta peamist parameetrit ehk toitekaabli pingelangu. Paljudel juhtudel ei ole paigaldajad teadlikud toitekaabli mõjust toitevoolule, kuigi see on üks peamisi küsimusi valvesüsteemi projekteerimisel.

Tootjad määravad oma seadmetele tihti konkreetse toitepinge, näiteks 12 V alalisvool ilma lubatud vahemikuta (minimaalne ja maksimaalne pinge). Praktilised katsed näitavad, et 12 V kaamera puhul võib pinge langeda 11 voldini. Sellest väärtusest madalama pinge puhul võib esineda häiringuid ja videosignaali kaotsiminekut. Pingelang toiteallika ja kaamera vahelises kaablis ei tohi olla suurem kui 1 V. Paljud kliendid kasutavad erinevaid toitevoolu kalkulaatoreid ilma teoreetilist ja praktilist tausta omamata, seega käsitleme seda selles artiklis.

Iga elektrikaabli takistus on suurem kui 0. Kui vool läbib teatud takistusega kaablit, siis esineb kaks tagajärge.

1. Pinge langeb vastavalt Ohmi seadusele.

2. Elektrienergia muundub soojusenergiaks vastavalt Ohmi seadusele.

või

Kõik kaablid on takistid. Allpool on toodud kahesoonelise kaabli joonis (takistuse vaatepunktist).

Mõlemas soones esineb pingelang, seega on kahesoonelise kaabli kogutakistus (R): R = R1 + R2.

Kahesoonelise kaabli pingelangu joonis:

kus:
U_in – toitepinge, näiteks toiteallikast
I – voolutugevus ahelas,
R1 – takistus esimeses soones,
R2 – takistus teises soones,
U_R1 – pingelang esimeses soones,
U_R2 – pingelang teises soones,
L – kaabli pikkus,
R_L – koormus, näiteks kaamera,
U_RL – pinge koormuse juures.

Pärast toiteallikast pärineva pinge suunamist (U_in) kaablisse ja koormuse ühendamist (R_L) elektrivool (I) läbib ahela, põhjustades pingelangu (U_R1 + U_R2) kaablis. Esineb järgmine seos: väljundpinge koormuse juures väheneb kaabli pingelangu võrra.

Pingelang (Ud) arvutatakse järgmise valemi alusel nii alalis- kui vahelduvvoolu jaoks (ühefaasiline vool):

kus:
Ud – pingelang voltides (V),
2 – pingelangu konstant kahes soones,
L – soone läbimõõt meetrites (m),
R – ühe soone takistus (Ω/km),
I – sisendi voolutugevus amprites (A).

Pingelang ei sõltu sisendpingest, vaid hoopis sisendvoolu tugevusest, soone pikkusest ja takistusest.

Enamikul valvekaameratel on muutuva voolutugevusega sisend. Sisendvoolu tugevus suureneb öösiti koos IR-valgusti kasutamisega; näiteks päeval on sisendvool 150 mA, kuid öösel on see 600 mA. Toitekaabli pingelangu kompenseerimiseks ei tohi kaamerale anda kõrgema pingega voolu, sest pingelang on muutuv. Pikema toitekaabli ja sisselülitatud IR-valgusti puhul on toitevoolu tugevus piisav, kuid kui IR-valgusti välja lülitatakse, siis sisendvoolu tugevus langeb ja koormuse juures tõuseb pinge, mis võib kaamerat kahjustada.

Pingelangu arvutamiseks peab olema teada ühe soone takistus väljendatuna ühikus Ω/km. Arvutusmeetodeid käsitletakse lähemalt järgmises osas. Tabelis on toodud soone valitud läbilõigete andmed.

Soone läbilõike pindala [mm²]	Takistus [Ω/km] (üks soon)
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

Näide

12 V alalisvoolu toiteallikas, kahesooneline kaabel ristlõike pindalaga 0,5 mm² pikkus 50 m, kaamera (koormuse) sisendvoolu tugevus 0,5 A (500 mA). Neid väärtusi valemis kasutades saame:

Arvutused näitavad, et kahesoonelise kaabli pingelang on 1,78 V (2 x 0,89 V) mõlema soone kohta kokku. Pinge koormuse juures väheneb väärtuseni:
12 V – 1,78 V = 10,22 V, nagu näidatakse alloleval skeemil.

Toitekaabli pingelang protsentides on võimalik arvutada järgmise valemi abil:

kus:
Ud% – kaabli pingelang protsentides (%),
Ud – pingelang,
Uin – sisendpinge.

Pärast valemis asenduste tegemist on võimalik arvutada protsendiline pingelang koormuse juures, st toitekaabli pingelang.

Pingelang ning eriti pingelang madala toitepinge puhul on tõsine probleem. Toitepinge tõstmisel jääb kaabli pingelang samaks, kuid pingelang koormuse juures protsentides väljendatuna jääb madalamaks.

Näide

Sarnaselt eelmisele näitele: kahesooneline kaabel ristlõike pindalaga 0,5 mm² ja pikkusega 50 m, kaamera (koormuse) sisendvoolu tugevus 0,5 A (500 mA), 24 V alalisvoolu toiteallikas.

Pingelang toitekaablis:

Pingelang kaablis on 1,78 V, pinge langeb koormuse juures 24 voldilt 22,22 voldini, st 7,4% võrra, mis ei mõjuta koormuse tööd.

Näide

Sarnaselt eelmisele näitele: kahesooneline kaabel ristlõike pindalaga 0,5 mm² ja pikkusega 50 m, kaamera (koormuse) sisendvoolu tugevus 0,5 A (500 mA), 230 V toiteallikas.

Pingelang toitekaablis:

Pingelang kaablis on 1,78 V, mis vähendab pinget 230 voldilt 228,2 voldini, st 0,77%, mis ei mõjuta koormuse tööd.

Järgnevalt analüüsime kolme erineva pingega toiteallikat. Kõigil kolmel juhul on pingelang identne ning seda ei mõjuta toitepinge. 230 V süsteemide puhul on mõnevoldine pingelang tähtsusetu, kuid 12 V süsteemides võib pingelang osutuda suureks probleemiks, mis toob kaasa toidet saava seadme ebakorrektse töö.

Arvutuste jaoks on vaja teada kaabli takistust väljendatuna ühikuga Ω/km. Ühe soone takistuse arvutamisel on aluseks Ohmi seadus vooluringi osa kohta. See väidab, et püsiva ristlõikega homogeense juhi takistus on pöördelises seoses pikkusega ja pöördvõrdeline ristlõike pindalaga.

Seda väljendatakse valemiga, mille abil arvutatakse takistus kaabli puhul, mille pikkus on L ja ristlõike pindala S:

kus:
R – juhi takistus oomides (Ω),
p – kasutatava materjali juhi eritakistus (Ω mm²/m), näiteks vase puhul 0,0178,
L – juhi pikkus meetrites (m),
S – ristlõike pindala ruutmillimeetrites (mm²).

Vase eritakistus on 0,0178 (Ω mm²/m), mis tähendab, et 1 meetri pikkusel ja 1 mm² ristlõike pindalaga kaabli takistus on 0,0178 Ω (puhas vask). Tegemist on ligikaudse väärtusega, mis sõltub puhtusest ja kasutatavatest meetoditest. Näiteks odavad Hiinas toodetud kaablid võivad sisaldada vase ja alumiiniumi sulameid või võivad need sisaldada teisi metalle, mis suurendab eritakistust, takistust ja pingelangu. Alumiiniumi eritakistus on 0,0278 (Ω mm²/m).

Näide

Arvutame 1000 m pikkuse ja 0,75 mm² ristlõikega vaskjuhi takistuse.

Ühesoonelise 1000 m pikkusega juhi takistus on 23,73 Ω.

Eespool toodud valemi ja Ohmi seaduse alusel saame hõlpsasti arvutada maksimaalse voolutugevuse konkreetse ristlõike pindalaga juhi jaoks (ühik mm²). Valemisse tuleb lisada 2, sest arvutame kahe juhi tegeliku pikkuse.

Näide

30 m pikkune kaabel, mille ristlõike pindala on 2 x 0,75 mm².

Esimesena määrame juhi takistuse.

12 V süsteemi puhul on pingelang 1 V, mis tähendab, et pinge koormuse juures on 11 V. Maksimaalse voolutugevuse saab arvutada Ohmi seaduse alusel.

Näide

Keerdpaarkaablil on neli elektrijuhi paari. Arvutame ühe juhipaari pingelangu, kui koormuse sisendvoolu tugevus on 500 mA (0,5 A) 40 m pika UTP K5 keerdpaarkaabli puhul, mille ristlõike pindala on 0,19625 mm² ja mis on ühendatud 12 V süsteemiga.

Arvutame juhi takistuse (UTP K5 keerdpaarkaabli ristlõike pindala on 0,19625 mm²):

Ohmi seaduse alusel arvutame üldise pingelangu kahe soone puhul voolutugevusel 500 mA (0,5 A).

St pingelang toiteliinis on 3,62 V ning pinge koormuse juures on 8,38 V (12 V – 3,62 V = 8,38 V).

12 V süsteemis 1 V suuruse pingelangu juures maksimaalse voolutugevuse saab samuti arvutada Ohmi seaduse valemi abil, kus pinge koormuse juures on vähendatud 11 voldini.

Arvutused kehtisid ühe keerdpaarkaabli paari kohta. Pingelangu vähendamiseks kasutatakse tihti ka keerdpaarkaabli paare 2, 3 ja 4. Paralleelselt ühendatud paarid suurendavad ristlõike pindala ja vähendavad liini takistust, mis toob kaasa väiksema pingelangu.

Arvutused põhinevad samadel parameetritel: UTP K5 keerdpaarkaabel, sisendvoolu tugevus 500 mA (0,5 A) ja pikkus 30 m, 12 V toiteallikas:

1 paar – pinge koormuse juures = 8,38 V,

2 paari – pinge koormuse juures = 10,16 V,

3 paari – pinge koormuse juures = 10,8 V,

4 paari – pinge koormuse juures = 11,1 V.

Tabel näitab maksimaalset voolutugevust, mida on võimalik edastada teatud pikkuse ja ristlõike pindalaga kaabli abil nii, et pingelang koormuse juures ei ületa 1 V. Arvutused on tehtud kahe soone kohta

Kaabli pikkus [m]	Maksimaalne voolutugevus – vaskkaabel 2 x 0,5 mm² [A]	Maksimaalne voolutugevus – vaskkaabel 2 x 0,75 mm² [A]	Maksimaalne voolutugevus – vaskkaabel 2 x 1 mm² [A]	Maksimaalne voolutugevus – vaskkaabel 2 x 1,5 mm² [A]	Maksimaalne voolutugevus – vaskkaabel 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

Järgmine tabel näitab teatud pikkusega keerdpaarkaablis edastatavat maksimaalset voolutugevust, kui pingelang ei ületa 1 V. Arvutused sooritati toitevoolu edastamisel läbi keerdpaarkaabli 1, 2, 3 ja 4 paari (Cat. 5 ja 6).

Kaabli pikkus [m]	Maksimaalne voolutugevus – keerdpaarkaabli UTP K5 1 paar 2 x 0,19625 mm² [A]	Maksimaalne voolutugevus – keerdpaarkaabli UTP K5 2 paari 4 x 0,19625 mm² [A]	Maksimaalne voolutugevus – keerdpaarkaabli UTP K5 3 paari 6 x 0,19625 mm² [A]	Maksimaalne voolutugevus – keerdpaarkaabli UTP K5 4 paari 8 x 0,19625 mm² [A]	Maksimaalne voolutugevus – keerdpaarkaabli UTP K6 1 paar 2 x 0,246176 mm² [A]	Maksimaalne voolutugevus – keerdpaarkaabli UTP K6 2 paari 4 x 0,246176 mm² [A]	Maksimaalne voolutugevus – keerdpaarkaabli UTP K6 3 paari 6 x 0,246176 mm² [A]	Maksimaalne voolutugevus – keerdpaarkaabli UTP K6 4 paari 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

Teada peab olema juhi ristlõike pindala ruutmillimeetrites. See parameeter pole sama mis diameeter.

Jämedamate kaablite puhul, näiteks toitekaablid, annavad tootjad ja edasimüüjad ristlõike pindala ruutmillimeetrites (mm²). Peenemate kaablite puhul, näiteks telekommunikatsioon ja IT, antakse kaabli diameeter millimeetrites, mis tuleb teisendada ristlõike pindalaks.

Joonisel on toodud erinevus kaabli diameetri ja ristlõike pindala vahel:

kus:
S – kaabli ristlõike pindala ruutmillimeetrites (mm²),
D – kaabli läbimõõt millimeetrites (mm),
r – kaabli raadius (pool diameetrit) millimeetrites (mm),
L – kaabli pikkus.

Ristlõike pindala:

või

π – matemaatiline konstant = 3,14

Näide

Cat. 5e. Tootja antud diameeter S = 0,5 mm. Arvutame ristlõike pindala mm².

või

Diameetriga 0,5 mm kaabli ristlõike pindala on 0,19625 mm².

Kokkuvõte

Peamised pingelangu mõjutavad tegurid on:

voolutugevus - Ohmi seaduse kohaselt tähendab suurem voolutugevus suuremat pingelangu ;

kaabli diameeter või ristlõike pindala - mida peenem on kaabel, seda suurem pingelang;

kaabli pikkus - loogiline on väita, et mida pikem on kaabel, seda suurem on takistus ja pingelang;

kaabli materjal. Enamik kaableid on tehtud vasest, millel on head elektrijuhtivuse omadused. Odavad Hiina päritolu kaablid näevad välja nagu vask, kuid on tehtud sulamist, mis sisaldab alumiiniumit ja magneesiumit ning turul on saada ka teraskaablid, millel on peal õhuke vasekiht. Selliste kaablite puhul on takistus ja pingelang palju suurem.