TopТехнический словарьДиапазон передачи мощности

В установках промышленного мониторинга часто необходимо проложить длинные кабели для питания электронного устройства, например, камеры. Здесь необходимо учитывать очень важный периметр — «падение напряжения» на кабеле. Многие установщики не знают о последствиях влияния текущего потока, протекающего через силовые кабели, а проблема электроснабжения является основой при проектировании любой системы видеонаблюдения.

 

Производители оборудования предоставляют фиксированное значение напряжения питания для данного устройства, например 12В постоянного тока, но не сообщают диапазон этого напряжения (минимальное и максимальное значение). При проведении практических испытаний, мы предположили, что для камеры 12В напряжение может упасть до 11 В. Ниже этого значения могут возникнуть помехи или потеря видеосигнала. Так что падение напряжения на кабеле между блоком питания и камерой может составлять максимум 1В. Многие пользуются готовыми счетчиками мощности, но не знают теоретических и практических вопросов. Поэтому мы постараемся представить их в этой статье.

 

Каждый провод имеет сопротивление (сопротивление) больше 0. Когда через провод с заданным сопротивлением течет ток, происходят два явления.

 

1. Происходит падение напряжения по закону Ома.

 

2. Электричество преобразуется в тепло по закону Ома.

 

или

 

Каждый провод представляет собой резистор (резистор). Ниже предоставлена схема замены двухжильного кабеля (включая только сопротивление).

 

Следует учитывать падение напряжения на каждом проводе, поэтому общее сопротивление (R) двухжильного кабеля будет: R = R1 + R2.

 

Ниже представлена принципиальная схема падения напряжения в двухпроводном кабеле:

 

где:
Uin – напряжение питания, например, от блока питания,
I – ток, протекающий в цепи,
R1 – резистанция (сопротивление) первой жилы кабеля,
R2 – резистанция (сопротивление) второй жилы кабеля,
UR1 – падение напряжения на первой жиле кабеля,
UR2 – падение напряжения на второй жиле кабеля,
L – длина кабеля,
RL – нагрузка, наример, камеры,
URL – напряжение на нагрузке.

 

После подачи напряжения от источника питания (Uin) на кабель подключение нагрузки (RL) в системе начинает течь ток (I), что вызывает падение напряжения на кабеле (UR1 + UR2). Соотношение выглядит следующим образом: выходное напряжение на нагрузке уменьшается из-за падения напряжения на кабеле.

 

Для расчета падения напряжения (Ud) была использована следующая формула для постоянного и переменного нпряжения (1-фазное):

 

где:
Ud – падение напряжения, измеренное в вольтах (В),
2 – постоянное число, полученное в результате того, что мы вычисляем падение напряжениядля двух кабелей,
L – длина кабеля, выраженная в метрах (м),
R – сопротивление (сопротивление) одиночного проводника, выраженное в омах на километр (Ом/км),
I – ток, потребляемый нагрузкой, выраженный в амперах (А).

 

Как видите, падение напряжения зависит не от величины входного напряжения, а от тока, длины и сопротивления провода.

 

Подавляющее большинство промышленных камер имеют переменное энергопотребление. Это связано с тем, что инфракрасный осветитель включается ночью, что увеличивает энергопотребление. Например, камера потребляет 150 мА днем и 600 мА ночью. Не рекомендуется подавать на камеру более высокое напряжение, чтобы компенсировать потери на шнуре питания, так как падение напряжения меняется. При длинной линии питания и включенной инфракрасной подсветке, напряжение питания камеры будет правильным. Выключение подсветки снизит потребление тока камеры и увеличит напряжение нагрузки, что может повредить камеру.

 

Для расчета падения напряжения потребуются значения сопротивления одиночного провода в Ом/км. Методика расчета этих значений будет описана далее в статье. В таблице есть гтовые данные для нескольких сечений кабелей.

 

 

Сечение проводника [mm2] Сопротивление [Ω/km] (одиночный провод)
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

Пример

Источник питания 12В постоянного тока, двухжильный кабель сечением 0,5 мм2 и длиной 50 м, камера (нагрузка) с потребляемым током 0,5А (500 мА). Подставляем эти значения в формулу.

 

Приведенные выше расчеты показывают, что падение напряжения на этом двухпроводном кабеле составляет 1,78 V (2 x 0,89 V). то, конечно, сумма падений напряжений на отдельных проводах. Таким образом, напряжение на нагрузке снизится до значения:
12 V – 1,78 V = 10,22 V, как показано на рисунке ниже.

 

Мы можем легко рассчитать процент потери напряжения на кабле питания, используя формулу:

 

где:
Ud% – потери напряжения на проводе, выраженные в процентах (%),
Ud – падение напряжения,
Uin – входное напряжение.

 

После подстановки в формулу, вычислим снижение напряжения на нагрузке в %, т.е. потери на линии электропередачи.

 

Учтите, что проблема падения напряжения, особенно при низких напряжениях питания, очень серьезна. Если мы увеличим напряжение питания, падение напряжения на проводе будет таким же, но процентное падение напряжения на нагрузке будет меньше.

 

Пример

Как в предыдущем примере: двухжильный кабель с сечением 0,5 мм2 и длиной 50 м, камера ( нагрузка) с потребляемым током 0,5А (500мА), а также источник питания 24 В постоянного тока.

 

Потери в линии снабжения:

 

Как видите, падение напряжения на кабеле составит 1,78 V, что снизит напряжение на нагрузке с 24 В до 22,22 В или на 7,4%, что не повлияет на работу нагрузки.

 

Пример

Как в примерах выше: двухжильный кабель с сечением 0,5 мм2 и длиной 50 м, камера (нагрузка) с потребляемым током 0,5А (500мА), но блок питания 230 В постояннного тока.

 

Потери в линии снабжения:

 

Как видите, падение напряжения на кабеле будет 1,78 V, что снизит напряжение на нагрузке с 230 В до 228,2 В, то-есть на 0,77%, что не повлияет на характеристики нагрузки.

 

Были проанализированы три корпуса блока питания для разных напряжений. Падение напряжения такое же и не зависит от уровня напряжения питания. В то время как в установках 230 В падение напя напряжения может быть серьезной, вызывая неисправность подключенного устройства.

 

Для приведенных выше расчетов нам потребовались значения в Ом/км. Чтобы самостоятельно рассчитать сопротивление одиночного проводника, нам необходимо знать,Это выражается формулой для расчета так называемый, второй закон Ома. В нем говорится, что сопротивление участка проводника с постоянным пересечным сечением пропорциально длине проводника и обратно пропорционально его площади поперечного сечения.

 

Это выражается формулой для расчета сопротивления проводника длиной L и сечением S:

 

где:
R – сопротивление одиночного проводника, выраженное в омах (Ом),
p – сопротивление (удельное сопротивление) проводника (Oм мм2/m) соответствующее материалу, из которого изготовлен проводник (для меди всегда подставляется значение 0,0178),
L – длина проводника, выраженная в метрах (м),
S – площадь сечения проводникав квадратных миллиметрах (мм2).

 

Для меди удельное сопротивление составляет 0,0178 (Ω мм2/м), что означает, что 1 м проводника с поперечным сечением 1 мм2 имеет сопротивление 0,0178 Ом (для чистой меди). Это значение является ориентировочным и может варьироваться в зависимости от чистоты и обработки меди. Например, дешевые китайские кабели содержат медные сплавы с алюминием и другими примесями, что приводит к увеличению удельного сопротивления и, следовательно, их сопротивления, а также к большому падению напряжения. Удельное сопротивление алюминия составляет 0,0278 (Ω мм2/м).

 

Пример

Рассчитываем сопротивление (резистанцию) медного провода длиной 1000 м и сечением 0,75 мм2.

 

Таким образом, одиночный кабель длиной 1000 м имеет сопротивление 23,73 Ома.

 

Зная приведеннную выше формулу и закон Ома, очень легко рассчитать максимальный ток для заданного расстояния проводника с определенным поперечным сечением (в мм2). Мы включаем цифру 2 в формулу, потому что мы будем рассчитывать реальную длину для 2 проводов.

 

Пример

У нас имеется кабель длиной 30 м с поперечным сечением 2 х 0,75 мм2.

 

Для начала рассчитываем сопротивление провода.

 

Для системы 12В мы предполагаем падение напряжения на 1В. Это означает, что напряжение на нагрузке снижается до 11В. Максимальный ток рассчитывается по закону Ома.

 

Пример

У кабеля витая пара имеет 4 пары проводов. Рассчитываем падение напряжения, передаваемое 1 паре при токе, потребляемом нагрузкой 500 мА (0,5А) и длиной 40 м UTP K5, который имеет поперечное сечение 0,19625 мм2, питание 1,2В.

 

Для начала рассчитываем сопротивление кабеля (витая пара UTP K5 имеет сечение 0,19625 мм2):

 

По закону Ома рассчитываем полное падение напряжения на 2 жилах для тока 500мА (0,5А).

 

Таким образом, падение напряжения на линии питания будет 3,62В, а напряжение на приемнике будет 8,38В (12 В – 3,62 В = 8,38 В).

 

Можем также рассчитать по закону Ома максимальный ток при падении напряжения на 1В для установки, питаемой от 12В, что означает, что напряжение на нагрузке снижается до 11 В.

 

В расчетах использовалась 1 пара витой пары. Очень часто, чтобы уменьшить падение напряжения, для передачи мощности используются 2, 3 или 4 пары компьютеров на витой паре. Они соединены параллельно, что увеличивает поперечное сечение и, таким образом, снижает сопротивление линии, что связано с меньшими потерями напряжения.

 

Готовые расчеты для тех же параметров: кабель UTP K5, ток 500мА (0,5А) и длина 30 м, питание 12В, это:

  • пара — напряжение на нагрузке = 8,38В,
  • 2 пары — напряжение на нагрузке = 10,16В,
  • 3 пары — напряжение на нагрузке + 10,8В,
  • 4 pary – пары — напряжение на нагрузке +11,1В.  
  • В таблице ниже указан максимальный ток, который можно передать по кабелю определенной длины и сечения, чтобы падение напряжения на нагрузке не превышало 1В. Расчеты производились для 2-х проводов.

     

    Длина кабеля [м] Максимальный ток — медный провод 2 x 0,5 mm2 [A] Максимальный ток — медный провод 2 x 0,75 mm2 [A] Максимальный ток — медный провод 2 x 1 mm2 [A] Максимальный ток — медный провод 2 x 1,5 mm2 [A] Максимальный ток — медный провод 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

    В следующей таблице показан максимальный ток, который может быть передан по витой паре определенной длины, чтобы падение напряжения на нагрузке не превышало 1В. Расчеты были выполнены для передачи энергии с помощью 1, 2, 3 и 4 пар кабелей витой пары для популярных категорий 5 и 6.

     

    Длина кабеля [м] Максимальный ток — компьютерная витая пара UTP K5 1 пара
    2 x 0,19625 mm2 [A]
    Максимальный ток — компьютерная витая пара UTP K5 2 пара
    4 x 0,19625 mm2 [A]
    Максимальный ток — компьютерная витая пара UTP K5 3 пара
    6 x 0,19625 mm2 [A]
    Максимальный ток — компьютерная витая пара UTP K5 4 пара
    8 x 0,19625 mm2 [A]
    Максимальный ток — компьютерная витая пара UTP K6 1 пара
    2 x 0,246176 mm2 [A]
    Максимальный ток — компьютерная витая пара UTP K6 2 пара
    4 x 0,246176 mm2 [A]
    Максимальный ток — компьютерная витая пара UTP K6 3 пара
    6 x 0,246176 mm2 [A]
    Максимальный ток — компьютерная витая пара UTP K6 4 пара
    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

    Для всех вышеперечисленных расчетов необходимо знать сечение проводника, выраженное в квадратных миллиметрах. Этот параметр не следует путать с диаметром.

     

    Для более толстых кабелей, например, силовых, производители и дистрибьюторы указывают поперечное сечение в квадратных миллиметрах (мм2). Однако для более тонких кабелей, например, телекоммуникационных или информационных, диаметр кабеля указывается в миллиметрах (мм) и в этих случаях мы должны преобразовать диаметр в поперечное сечение.

     

    Ниже представлен чертеж, показывающий разницу между сечением и диаметром проводника:

     

    где:
    S – сечение проводника, выраженное в квадратных миллиметрах (мм2),
    D – диаметр проволоки в миллиметрах (мм),
    r – радиус проволоки — (половина диаметра) в миллиметрах (мм),
    L – длина кабеля.

     

    Формула для расчета сечения:

     

    или

     

    π – число пи, математическая константа= 3,14

     

    Пример

    Компьютерная витая пара UTP категории 5е. Производитель дает диаметр S=0,5 мм. Вычисляем поперечное сечение в мм2.

     

    или

     

    Таким образом, провод диаметром 0,5 мм имеет поперечное сечение всего 0,19623 мм2.

     

    Основные факторы, влияющие на падения напряжения:

  • ток – соотношение закона Ома: чем выше ток, тем больше падение напряжения;
  • диаметр или поперечное сечение кабеля – чем тоньше кабель, тем больше падение напряжения;
  • длина кабеля – логически: чем длиннее кабель, тем больше сопротивление и падение напряжения;
  • материал, из которого сделан кабель. Сегодня большинство проводников изготовлено из меди, что делает их хорошими проводниками. На рынке доступны дешевые китайские кабели, которые выглядят как медь, но сделаны из сплава, содержащего, например, алюминий и магний. Также встречается стальная проволока с тонким медным покрытием. Все это приводит к увеличения сопротивления и увеличению падения напряжения.