TopTehnični slovarZaseg prenosa napajanja

Zaseg prenosa napajanja

V inštalacijah industrijskega monitoringa je pogosto treba napeljati dolge vode za napajanje elektronske naprave, npr. kamere. Tu je treba upoštevati zelo pomemben parameter, kakršen je "padec napetosti" v vodu. Mnogi inštalaterji se ne zavedajo učinkov pretoka toka po napajalnih vodih, ob tem, da je problem napajanja temeljna zadeva pri projektiranju vsake inštalacije CCTV.

 

Proizvajalci opreme podajajo fiksno vrednost napajalne napetosti za določeno napravo, npr. 12 V DC, vendar ne podajajo razpona te napetosti (minimalne in maksimalne vrednosti). Pri izvajanju praktičnih preizkusov smo sprejeli predpostavko, da lahko pri 12-voltnem napajanju kamere napetost pade na 11 V. Pod to vrednostjo lahko pride do motenj ali izgube video signala. Torej lahko padec napetosti na kablu med napajalnikom in kamero znaša največ 1 V. Veliko ljudi uporablja že pripravljene kalkulatorje napetosti, vendar ne razpolagajo s teoretičnimi in praktičnimi znanji. Zato bomo poskusili le-ta predstaviti v tem članku.

 

Vsak vod ima rezistenco (upornost) večjo od 0. Ko skozi vod z dano upornostjo steče tok, se pojavita dva pojava.

 

1. Pride do padca napetosti skladno z Ohmovim zakonom.

 

2. Električna energija se skladno z Ohmovim zakonom pretvori v toploto.

 

ali

 

Vsak vod je rezistor (upornik). Spodaj je nadomestna shema dvožilnega voda (upoštevajoča samo upornost).

 

Upoštevati je treba padec napetosti na vsaki žili, zato bo skupna upornost (R) dvožilnega voda znašala: R = R1 + R2.

 

Spodaj je shema vezja, ki prikazuje padec napetosti v dvožilnem vodu:

 

kjer je:
Uin – napajalna napetost, npr. iz napajalnika,
I – tok, ki teče v tokokrogu,
R1 – rezistenca (upornost) prve žile v vodu,
R2 – rezistenca (upornost) druge žile v vodu,
UR1 – padec napetosti na prvi žili v vodu,
UR2 – padec napetosti na drugi žili v vodu,
L – dolžina voda,
RL – obremenitev, npr. kamera,
URL – napetost na obremenitvi.

 

Po podaji napetosti iz napajalnika (Uin) na vod in priključitvi obremenitve (RL) začne v sistemu teči tok (I), kar povzroči padec napetosti na vodu (UR1 + UR2). Tu se pojavi naslednja odvisnost: izhodna napetost na obremenitvi je manjša za padec napetosti na vodu.

 

Za izračun padca napetosti (Ud) je bila uporabljena naslednja formula za konstantno in izmenično (1-fazno) napetost:

 

kjer je:
Ud - padec napetosti, merjene v voltih (V),
2 - konstantno število, ki izhaja iz dejstva, da izračunavamo padec napetosti za dva voda,
L - dolžina voda, izražena v metrih (m),
R - rezistenca (upornost) posameznega voda, izražena v ohmih na kilometer (Ω/km),
I - tok, ki ga porabi obremenitev, izražen v amperih (A).

 

Kot se lahko vidi, padec napetosti ni odvisen od velikosti vhodne napetosti, temveč od toka, dolžine in upornosti voda.

 

Velika večina industrijskih kamer ima spremenljivo porabo toka. To je posledica dejstva, da se ponoči vklaplja infrardeči osvetljevalnik, kar povečuje porabo toka. Npr. kamera porablja podnevi 150 mA, ​ponoči pa ​600 mA toka. Ni priporočljivo napajati kamere z višjo napetostjo v cilju nadomeščanja izgube na napajalnem vodu, ker se padec napetosti spreminja. Pri dolgi napajalni liniji in vklopljenem IR osvetljevalniku bo napetost napajanja kamere pravilna. Izklop osvetljevalnika pa bo povzročil zmanjšanje porabe toka za kamero in povečanje napetosti obremenitve, kar ima lahko za posledico poškodovanje kamere.

 

Za izračun padca napetosti bodo potrebne vrednosti upornosti posameznega voda v Ω/km. Način izračunavanja teh vrednosti bo predstavljen v nadaljevanju članka. Tabela vsebuje že izračunane vrednosti za nekaj prečnih prerezov vodov.

 

 

Prerez voda [mm2] Upornost [Ω/km] (posamezni vod)
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

Primer

Napajalnik 12 V DC, dvožilni vod prereza 0,5 mm2 in dolžine 50 m, napajanje kamere (obremenitev) s porabo toka 0,5 A (500 mA). Te vrednosti vstavimo v formulo.

 

Zgornji izračuni kažejo, da bo padec napetosti na tem dvožilnem vodu znašal 1,78 V (2 x 0,89 V). To je seveda vsota padcev napetosti na posameznih žilah. Torej se bo napetost na obremenitvi zmanjšala na vrednost:
12 V - 1,78 V = 10,22 V, kot je prikazano na spodnji sliki.

 

Enostavno lahko izračunamo odstotne izgube padca napetosti na napajalnem vodu z uporabo naslednje formule:

 

kjer je:
Ud% - izgube napetosti na vodu, izražene v odstotkih (%),
Ud - padec napetosti,
Uin - vhodna napetost.

 

Po vstavitvi vrednosti v formulo izračunamo zmanjšanje napetosti na obremenitvi v %, tj. izgube na napajalni liniji.

 

Poudariti je treba, da je problem padca napetosti, zlasti pri nizkih napajalnih napetostih, resen. Če povečamo napajalno napetost, bo imel padec napetosti na vodu enako vrednost, vendar pa bo odstotni padec napetosti na obremenitvi manjši.

 

Primer

Kot v prejšnjem primeru: dvožilni vod s prerezom 0,5 mm2 in dolžino 50 m, kamera (obremenitev) s porabo toka 0,5 A (500 mA) in napajalnik 24 V DC.

 

Izgube na napajalni liniji:

 

Kot se lahko vidi, znaša padec napetosti na vodu 1,78V, s čemer se zmanjša napetost na obremenitvi s 24 V na 22,22 V ali za 7,4%, kar ne bo vplivalo na delovanje obremenitve.

 

Primer

Kot v zgornjih primerih: dvožilni vod s prerezom 0,5 mm2 in dolžino 50 m, kamera (obremenitev) s porabo toka 0,5 A (500 mA), vendar napajalnik 230 V DC.

 

Izgube na napajalni liniji:

 

Kot se lahko vidi, znaša padec napetosti na vodu 1,78V, s čemer se zmanjša napetost na obremenitvi z 230 V na 228,2 V ali za 0,77%, kar ne bo imelo vpliva na delovanje obremenitve.

 

Analizirani so bili trije primeri napajanja za različne napetosti. Padec napetosti je enak in nanj raven napajalne napetosti nima vpliva. Medtem ko je v napravah z napetostjo 230 V padec napetosti na obremenitvi za nekaj voltov nepomemben, je lahko pri napajanju z napetostjo 12 V zadeva padca napetosti resna in lahko povzroči nepravilno delovanje napajane naprave.

 

Za zgornje izračune smo potrebovali vrednosti v Ω/km. Da bomo v stanju sami izračunati upornost posameznega voda, moramo poznati t.i. drugi Ohmov zakon. Le-ta pravi, da je upornost (rezistenca) odseka voda s konstantnim prečnim prerezom sorazmerna dolžini tega voda in obratno sorazmerna površini njegovega prečnega prereza.

 

To izraža formula za izračun upornosti voda dolžine L in prereza S:

 

kjer je:
R - rezistenca (upornost) posameznega voda, izražena v ohmih (Ω),
p - rezistenčnost (specifični upor) voda (Ω mm2/m), specifična za material, iz katerega je izdelan vod (za baker vedno vzamemo vrednost 0,0178),
L - dolžina voda, izražena v metrih (m),
S - površina prečnega prereza voda, izražena v kvadratnih milimetrih (mm2).

 

Za baker znaša rezistenčnost 0,0178 (Ω mm2/m), kar pomeni, da ima 1 m voda s prečnim prerezom 1 mm2 upornost 0,0178 Ω (za čisti baker). Ta vrednost je okvirna in se lahko razlikuje glede na čistost in predelanost bakra. Na primer, poceni kitajski vodi vsebujejo zlitine bakra z aluminijem in druge dodatke, kar povzroči povečanje rezistenčnosti, s čemer se poveča njihova upornosta in pride dp večjega padca napetosti. Za aluminij znaša rezistenčnost 0,0278 (Ω mm2/m).

 

Primer

Izračunajmo upornost (rezistenco) 1000 m dolgega bakrenega voda s prečnim prerezom 0,75 mm2.

 

Torej ima posamezni vod dolžine 1000 m upornost 23,73 Ω.

 

Če poznamo zgornjo formulo in Ohmov zakon, lahko zelo enostavno izračunamo maksimalni tok za konkretno oddaljenost voda z določenim prečnim prerezom (v mm2). V formulo vključimo številko 2, ker bomo izračunavali realno dolžino za dva voda.

 

Primer

Imamo 30 m dolg kabel prereza 2 x 0,75 mm2.

 

Najprej izračunajmo upornost voda.

 

Za sistem, napajan z 12 V, predpostavimo padec napetosti za 1 V. To pomeni zmanjšanje napetosti na obremenitvi na 11 V. Na podlagi Ohmovega zakona izračunamo maksimalni tok.

 

Primer

Računalniška parica ima 4 pare vodov. Izračunajmo padec napetosti, napajane z enim parom pri toku, ki ga porablja obremenitev 500 mA (0,5 A), in dolžini 40 m za parico UTP K5, ki ima prečni prerez 0,19625 mm2, napajanje 12 V.

 

Najprej izračunajmo upornost voda (parica UTP K5 ima prečni prerez 0,19625 mm2):

 

Z uporabo Ohmovega zakona izračunamo skupni padec napetosti na dveh žilah za tok 500 mA (0,5 A).

 

Torej bo padec napetosti na napajalni liniji znesel 3,62 V, napetost pri sprejemniku pa 8,38 V (12 V - 3,62 V = 8,38 V).

 

Lahko tudi na podlagi Ohmovega zakona izračunamo maksimalni tok za padec napetosti za 1 V za sistem, ki se napaja z 12 V, kar pomeni, da se napetost na obremenitvi zmanjša na 11 V.

 

Izračuni so se nanašali na 1 parico. V cilju zmanjšanja padca napetosti se za prenos napajanja zelo pogosto uporabljajo 2, 3 ali 4 računalniške parice. Poveže se jih vzporedno, kar poveča prečni prerez in s samim tem se zmanjša upornosti linije, kar je povezano z manjšimi izgubami napetosti.

 

Že izvedeni izračuni za iste parametre: parica UTP K5, tok 500 mA (0,5 A) in dolžina 30 m, napajanje 12 V, so naslednji:

  • 1 par - napetost na obremenitvi = 8,38 V,
  • 2 para - napetost na obremenitvi = 10,16 V,
  • 3 pari - napetost na obremenitvi = 10,8 V,
  • 4 pari - napetost na obremenitvi = 11,1 V.

     

    		•

    Spodnja tabela prikazuje maksimalni tok, ki se ga lahko spusti po vodu z določeno dolžino in prerezom, tako da padec napetosti na obremenitvi ne bo presegel 1 V. Izračuni so bili narejeni za 2 žili.

     

    Dolžina voda [m] Maksimalni tok – bakreni vod 2 x 0,5 mm2 [A] Maksimalni tok – bakreni vod 2 x 0,75 mm2 [A] Maksimalni tok – bakreni vod 2 x 1 mm2 [A] Maksimalni tok – bakreni vod 2 x 1,5 mm2 [A] Maksimalni tok – bakreni vod 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

    Naslednja tabela prikazuje maksimalni tok, ki ga je možno spustiti po računalniški parici določene dolžine, tako da padec napetosti na obremenitvi ne bo presegel 1 V. Izračuni so bili narejeni za prenos napajanja z uporabo 1, 2, 3 in 4 paric za priljubljeni kategoriji 5 in 6.

     

    Dolžina voda [m] Maksimalni tok – rač. parica UTP K5 1 par
    2 x 0,19625 mm2 [A]     		Maksimalni tok - rač. parica UTP K5 2 para
    4 x 0,19625 mm2 [A]     		Maksimalni tok - rač. parica UTP K5 3 para
    6 x 0,19625 mm2 [A]     		Maksimalni tok - rač. parica UTP K5 4 para
    8 x 0,19625 mm2 [A]     		Maksimalni tok - rač. parica UTP K6 1 par
    2 x 0,246176 mm2 [A]     		Maksimalni tok - rač. parica UTP K6 2 para
    4 x 0,246176 mm2 [A]     		Maksimalni tok - rač. parica UTP K6 3 para
    6 x 0,246176 mm2 [A]     		Maksimalni tok - rač. parica UTP K6 4 para
    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

    Za vse zgornje izračune je treba poznati prečni prerez voda, izražen v kvadratnih milimetrih. Tega parametra se ne zamenjevati s premerom.

     

    Za debelejše vode, npr. energetske, podajajo proizvajalci in distributerji prečni prerez v kvadratnih milimetrih (mm2). Za tanjše vode, npr. telekomunikacijske ali IT vode, pa podajajo premer voda v milimetrih (mm) in v teh primerih moramo premer pretvoriti v prečni prerez.

     

    Spodnja risba ilustrira razliko med prečnim prerezom in premerom voda:

     

    kjer je:
    S – prečni prerez voda, izražen v kvadratnih milimetrih (mm2),
    D – premer voda, izražen v milimetrih (mm),
    r – polmer voda (polovica premera), izražen v milimetrih (mm),
    L – dolžina voda.

     

    Formula za izračunavanje prereza:

     

    ali

     

    π - pi število, matematična konstanta = 3,14

     

    Primer

    Računalniška parica kategorije 5e. Proizvajalec podaja premer S = 0,5 mm. Izračunajmo prečni prerez v mm2.

     

    ali

     

    Torej ima vod premera 0,5 mm površino prečnega prereza 0,19625 mm2.

     

    Povzetek

     

    Glavni dejavniki, ki vplivajo na padec napetosti:

  • tok - odvisnost, ki sledi iz Ohmovega zakona: večji kot je tok, večji je padec napetosti;
  • premer ali prečni prerez voda - tanjši kot je kabel, večji je padec napetosti;
  • dolžina voda - logično: daljši kot je vod, večja sta upornost in padec napetosti;
  • material, iz katerega je narejen vod. Danes je večina vodov izdelanih iz bakra, ki je dober prevodnik. Na trgu so na voljo poceni kitajski vodi, ki so videti kot baker, vendar so izdelani iz zlitine, ki vsebuje npr. aluminij in magnezij. Pojavljajo se tudi jekleni vodi s tanko bakreno prevleko. Vse to povzroča večjo upornost in večji padec napetosti.

     

    		•