Veidike juhtmetest @ 12V DC

Minu 82. aastal ilmavalgust näinud hobiautol polnud tehasest välja veeredes küljes mitte ühtegi elektriseadet, mida tänapäeva mõistes lisavarustuseks nimetada saaks. Ajad on aga edasi läinud ja nii mõnigi asi, mis toona tundus luksus on tänapäeval muutunud asendamatuks või vähemalt hõlpsasti juurde poogitavaks. Nii saigi sel korral autot suveks ette valmistades autole juurde lisatud keskluku süsteem ja elektrilised aknad.

Et mõlemad opereerivad üksteise vahetuses läheduses tundus mõistlik poest mõned meetrid erinevat värvi juhtmeid juurde osta, et võimalike probleemide korral tõrkeotsing lihtsam oleks. Kui värvieelistus on pigem maitseasi, siis juhtme läbimõõtude vahel valides tasuks siiski füüsika reeglite ja kokkulepitud “heade tavadega” arvestada.

Aga mis need õigupoolest ongi?

Tüüpilise auto pardapinge

Tüüpilise sõiduauto pardapingeks on 12 V, kuid leiab ka 24 V ja 48 V süsteeme – Selliseid pingeid peetakse väikepingeks (extra-low voltage, ELV).
Auto elektriseadmete ja aku vooluga varustamiseks kasutatakse autodes generaatoreid. Kaasaegsetes autodes kasutatakse valdavalt vahelduvvoolugeneraatoreid (AC). Et autode elektrisüsteemid on alalisvoolu (DC) peal, muudetakse vahelduvvool dioodsilla abil alalisvooluks.

Kuna mootori ja sellest tulenevalt ka generaatori pöörlemissagedus kõigub suurtes vahemikes, kasutatakse konstantse pinge hoidmiseks pingeregulaatorit, mis väljastab vajaliku pingega voolu (13,5-14,5 V).
Autodese paigaldatud elektriseadmed on disainitud töötama selles vahemikus.

Väljavõte autoraadio juhendist

Pinge, voolutugevus ja võimsus on omavahelises seoses. Madalama pinge korral tuleb sama võimsuse ülekandmiseks kasutada suuremat voolutugevust ja jämedamaid juhtmeid.

Võimsus (W) = Voolutugevus (A) * Pinge (V)

N: 60 W = 5 A * 12 V

st, et 60W lambipirn kasutab 5 A

Voolutugevus (A) = Võimsus (W) / Pinge (V)

N: 5 A = 60 W / 12 V

Elektrivoolu tugevus

Voolutugevus näitab, kui suur laeng läbib ajaühikus elektrijuhi ristlõiget. Voolutugevuse ühikuks on üks amper (1 A). Alalisvoolu tugevus elektriahela lõigus on Ohmi seaduse kohaselt võrdeline ahelalõigu otste vahelise pingega.

Sõiduautol Žiguli kasutatavate kaitsmete koormustaluvus ja lampide võimsused

Juhtme koormustaluvus ja pingelangus

Juhtme elektrivoolu tugevustaluvus/koormustaluvus sõltub juhtme konstruktsioonist s.o juhtme ristlõikest, kiude materjalist, kattematerjalist, paigaldusviisist ning keskkonna temperatuurist. Teiste juhtmetega koos jooksev juhe kannatab vähem kui üksik, kaetud juhe kannatab vähem kui katmata jne.

Juhtme suurus määrab ohutu elektrivoolu tugevuse. Ohutu suurus tähendab, et juhe ei kuumene ülemäära ning selle kattematerjal ei hakka sulama. Suuruse märkimiseks kasutatakse Euroopas ristlõike pindala ruutmillimeetrites (loe: juhtme metallosa pindala mm²). Ameerikas kasutatakse standardit American Wire Gauge (AWG). Mitmekiulise kaabli puhul liidetakse kõigi kiudude läbilõike pindala.

Enam levinud on juhtmed ristlõike pindaladega 0,5 mm², 1mm², 1,5 mm², 2,5 mm², 4 mm², 6 mm², 10 mm², 16 mm².

PVC Isolatsiooniga kaetud kaablitele kestvalt lubatav koormusvool amprites [allikas: elektriari.ee]

 

Ristlõike pindala ja koormustaluvuse suhe

Oluline mõista, et ristlõike n. kahekordsel suurenemisel ei suurene koormustaluvus kahekordselt.

Juhtme valimisel on juhtme koormustaluvus oluline parameeter, kuid juhtme valimisel tuleb arvestada ka juhtmes tekkiva pingelangusega, mille suurus sõltub lisaks ristlõikele ka juhtme pikkusest ehk seadme ja elektriallika omavahelisest kaugusest.

Pingelang on elektriallika ja tarbijate vahele jääva elektriahela mingile osale langeva pinge erinevus elektriallika pingest. Piltlikult öeldes tähendab see seda, et pingelanguse korral läheb “torust” rohkem sisse, kui toru lõpust välja tuleb. Pingelangus on põhjustatud elektriahela elementide sisetakistusest.
Üldjuhul peetakse alalisvoolu kasutavates süsteemides aksepteeritavaks pingelanguseks 3% s.o 12 V juures 12 * 0,03 = 0,36 V, kuid tuleb lähtuda konkreetse seadme kasutusjuhendist ja seal soovitatust, sest “kõrvalmõjud” võivad väljenduda erinevalt. Auto raadio või keskluku mootori puhul ei pruugi kasutaja seda märgata, tulede puhul tähendab 0,36 V langus aga mõnevõrra tuhmimat valgust, kui tootja on ette näinud.

Pingelangus (V) = Juhtme pikkus (m) * Voolutugevus (A) * Juhtme eritakistus(Ωmm²/m ) / Juhtme ristlõige (mm²)

Kaablivase eritakistus on 0,0178 Ω • mm²/m , alumiiniumil 0,0265 Ω • mm²/m

 

N: 10m 1,5 mm2 juhtme ja 5 amprise voolutugevuse korral on pingelangus:

10 * 5 * ( 0,0178 / 1,5) = 0,593 V = ~ 0,6 V s.o 5% kadu

 

Pingelang jääks lubatu piiridesse, kui kasutusel oleks 2,5mm2 ristlõike pindalaga juhe:

N: 10 * 5 * ( 0,0178 / 2,5) = 0,356 V

 

NB! Kaabli pikkus on teekond vooluallikast seadmeni ja allikani tagasi. Tavaliselt on aga maadusjuhu oluliselt lühem, ning auto kerega esimesel võimalusel ühendatud. Sellisel juhul on reaalne pingelangus arvutatust väiksem.

Ainete eritakistused on leitavad https://et.wikipedia.org/wiki/Eritakistus lehelt. Üleval olevatesse valemitesse pannes tasub olla tähelepanelik ühikutega. Eritakistuse sümboliks on tavaliselt Ω • m, kuid metallide puhul ja üleval olevas valemis on kasutusel Ω • mm2/m

Juhtme valimise lihtsustatud protsess

  1. Määra kindlaks tarbija nõutud voolutugevus. Voolutugevus (A) = Võimsus (W) / Pinge (V).
    Vaata juhtme tootja infolehelt, millise ristlõike pindalaga juhtmetel selline tugevus lubatud on.
  2. Mõõda või arvuta vajaliku juhtme pikkus s.o teekond vooluallikast seadmeni ja allikani tagasi (meetrites)
  3. Määra/arvuta vajamineneva juhtme ristlõige. Tee seda muutes “pingelanguse leidmise valemis” ristlõike parameetrit, jättes voolutugevuse ja juhtme pikkuse parameetrite väärtused samaks.
    Pingelangus (V) = Juhtme pikkus (m) * Voolutugevus (A) * Juhtme eritakistus(Ω • mm²/m ) / Juhtme ristlõige (mm²)
  4. Mõtle hetkeks juhtme paigaldusviisile. Kui juhe läheb millegi alla peitu või teiste juhtmetega punti, siis pane pigem veidi suurem juhe.

Kokkuvõte

Ühtset valemit, mille järgi juhet valida ei olemas. Juhtme valimisel tasuks toetuda juhtme tootja infolehtedele, kus on väljatoodud juhtme koormustaluvus erinevate paigaldusviiside korral, ning arvutada juhtmes tekkiv pingelang tagamaks, et ühendatud tarbija piisava pinge kätte saab.
Kui on üldse olemas mõni “rusikareegel”, siis võib-olla see, et kui sa pole päris kindel, kas juhe on piisavalt suur (ning rahakott kannatab), siis vali vähe suurem juhe : ) See pole küll teab mis teaduslik, kuid suurema ristlõike pindalaga juhtme kasutamisest ei saa midagi “halba” juhtuda.

 

Kasutatud materjal: