Arco-systems.ru

Журнал Арко Системс
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Сила тока через медный кабель

Как правильно определить сечение провода по току

Как правильно выбрать сечение провода для разводки в доме, какие при этом необходимо использовать параметры электрической сети? Эти и другие похожие вопросы сегодня волнуют начинающих электриков или тех, кто решил своими руками сделать электроразводку в своем собственном доме. Жизненные ситуации нас сталкивают с разными проблемами, где проблема выбора сечения провода – не самая сложная. Конечно, знать некоторые основные нюансы просто необходимо. Поэтому в этой статье разберемся с тем, как правильно выбрать сечение провода по току.

Почему именно по току? Все дело в том, что чем выше сила тока в потребляющей сети дома, тем больше тепла выделяет кабель, разбросанный по потребителям. Не будем вдаваться в физику происходящих процессов, не будем разбираться с законами Ома, которые преподаются в школе. Нас в этой статье будут волновать нюансы и моменты, а также расчет сечения провода по току.

Таблица расчета сечения провода по току

Итак, существуют определенные таблицы, в которых четко расписано, сечение какого кабеля подходит под определенные токовые нагрузки. Эти таблицы можно найти в интернете, так что в этом проблем нет. Можно провести расчет и самостоятельно, затратив на это небольшое количество времени. Но для этого придется подсчитывать суммарную мощность всех потребителей, запитанных на один электрический шлейф, а затем, используя формулы и законы Ома, рассчитать саму токовую нагрузку. Но нас в этой статье будут интересовать именно нюансы.

Алюминиевые жилы

Алюминиевые жилы — легкие и дешевые материалы, обладающие высокой электропроводностью. Алюминий хорошо отдает тепло, химически стоек. Однако у него есть несколько недостатков.

  1. Не обладает достаточной гибкостью. Провода, выполненные из этого металла, применяют только в стационарных установках и там, где при прокладке кабеля нет острых углов поворота.
  2. Окисляется на воздухе. Тугоплавкая пленка темного цвета, образующаяся на поверхности алюминия, обладает диэлектрическими свойствами и в местах контакта может серьезно препятствовать течению электрического тока. Отсюда излишний перегрев и возможность потери контакта в местах соединения.
  3. Чистый алюминий — прекрасный проводник, но избавить его от примесей очень трудно. Электропроводность этого металла в полтора раза меньше, чем у меди.

Формула силы тока

Формула для чайников будет выглядеть вот так:

I – собственно сила тока, Амперы

N – количество электронов

t – период времени, за которое эти электроны пробегут через поперечное сечение проводника, секунды

Более правильная (официальная) формула выглядит вот так:

Δq – это заряд за какой-то определенный промежуток времени, Кулон

Δt – тот самый промежуток времени, секунды

I – сила тока, Амперы

В чем прикол этих двух формул? Дело все в том, что электрон обладает зарядом приблизительно 1,6 · 10 -19 Кулон. Поэтому, чтобы сила тока была в проводе (проводнике) была 1 Ампер, нам надо, чтобы через поперечное сечение прошел заряд в 1 Кулон = 6,24151⋅10 18 электронов. 1 Кулон = 1 Ампер · 1 секунду.

Итак, теперь можно официально сказать, что если через поперечное сечение проводника за 1 секунду пролетят 6,24151⋅10 18 электронов, то сила тока в таком проводнике будет равна 1 Ампер! Все! Ничего не надо больше придумывать! Так и скажите своему преподавателю по физике).

Если преподу не понравится ваш ответ, то скажите типа что-то этого:

Сила тока – это физическая величина, равная отношению количества заряда прошедшего через поверхность (читаем как через площадь поперечного сечения) за какое-то время. Измеряется как Кулон/секунда. Чтобы сэкономить время и по другим морально-эстетическим нормам, Кулон/секунду договорились называть Ампером, в честь французского ученого-физика.

Инструкция как рассчитать сечение кабеля по току и мощности

Сегодня человек не мыслит своей жизни без электричества, но для того чтобы его использовать должным образом, необходимо устраивать систему особым образом. Для того чтобы проложить проводку, необходимо будет пользоваться специальным оборудованием, использовать особые элементы и приборы, которые позволят сделать систему максимально полезной для человека. При этом нужно установить по всему дому розетки, произвести монтаж выключателей и т.д. Но что же отвечает за соединение всех элементов между собой? Конечно же, электрические провода и кабели. Чтобы система работала исправно у проводов должно быть особое сечение. Смотрите обзор видов и типов резисторов здесь: https://howelektrik.ru/elektrooborudovanie/rezistory/obzor-vidov-i-tipov-rezistorov.html.

Сечение кабеля на фото

Зависимость сечения провода от силы тока

При проектировании схематического распределения проводов по квартире или дому, необходимо будет делать акцент на такие показатели, как сечение провода, допустимая плотность провода и кабеля, а также рабочая плотность кабеля. При этом для правильного проведения электрической проводки нужно будет учитывать максимальное возможное потребление тока.

Сечение провода измеряют в кв.мм. для длительного использования применяют провода с максимальным пределом в 4А, а вот для проводов из меди этот показатель равняется 10 А. Во многих случаях применяют медные провода, причин тому много, главная из которых отличная токопроводимость и невысокая цена, а вот алюминиевые провода используют в несколько раз реже, потому как они обладают большей толщиною.

Читать еще:  Mystery mtv 3211lw уменьшить ток подсветки

Выбор

Таблица сечения кабеля по мощности

  • на силе тока;
  • на мощностном показатели.

От этих двух физических показателей будет зависеть и безопасность системы, и ее период эксплуатации и количество возможных приборов, которые можно использовать единовременно. Более подробно о том, как необходимо выбирать кабель по сечению будет рассказано далее. Читайте обзор видов дросселей для люминесцентных ламп.

Таблица

Для определения рабочей мощности и максимально возможной силы тока, которая может проходить через провод, необходимо будет использовать табличные значения, с которыми можно ознакомиться ниже.

Таблица сечения кабеля по мощности и току

Расчет сечения

По мнению опытных специалистов, получить наиболее точные показатели можно только при расчете сечения кабеля по току. Именно по этой причине необходимо пользоваться этим видом расчета. Необходимо отметить, что этот вариант предполагает возможность определения токовой нагрузки на электрическую проводку.

Первоначально необходимо будет рассчитать силу тока, которая будет возникать при питании конкретного электрического прибора.

Для этого стоит ознакомиться с таблицей средней мощности бытовых электрических приборов.

Таблица средней мощности бытовых электрических приборов

Что же касается сети с трехфазным током, то в данном случае необходимо будет пользоваться иным вариантом математической формулы:

Формула расчета трехфазного тока

После этого нужно будет сложить все показатели силы тока. По полученным данным следует выбрать сечение кабеля по току. Оно указывается в таблице. Ознакомиться с датчиком движения для включения света и советами как выбрать можно здесь.

Еще стоит учитывать, что при внешней прокладке проводки необходимо будет применять провода с большей нагрузкой по току и мощности.

Что же касается расчета сечения кабеля по мощности, то у каждого она своя. Есть мощностной порог, который способен выдержать каждый используемый провод. В том случае, если мощность всех используемых в помещении электроприборов будет намного больше, чем мощностной максимум кабеля электропроводки.
Смотрите на видео расчет сечения кабеля:

К примеру, для расчета общей мощности, можно будет с помощью калькулятора сложить все показатели воедино. После этого необходимо будет выбрать кабель, чья мощность будет превышать общее значение мощности на 30%. По этому показателю и нужно выбирать оптимальный диаметр кабеля для прокладки в квартире или доме.

Сечение алюминиевого провода по току

Таблица сечения алюминиевого провода

Сечение токопроводящей жилы – 2,5-120 кв.мм. При этом напряжение рабочее для таких проводов и 220 В и 380 В. Мощность от 4,4кВт до 132 кВт. Читайте обзор видов и характеристик стабилизатора напряжения 220В для дома на этой странице.

Медного

А вот медные провода рассчитаны на напряжение в 220В и 380 В, при этом сечение жилы может варьироваться от 1,5 кв.мм. до 10 кв.мм. При этом мощностной показатель медного провода от 4,1 кВт до25,7 кВт.

Таблица сечения медного провода по току

Соотношение сечения провода и силы тока

Что же касается соотношения проводов и силы тока, то чем больше показатель электрического тока, который идет по проводу, тем выше «квадрат» сечения. При этом максимальный ток, который может проходить по тому или иному сечению тока указывается в таблицах. Читайте как выбрать пластиковый кабель-канал.

Чтобы определить сечение кабеля по диаметру жилы необходимо пользоваться следующей формулой:

Формула расчета сечения кабеля по диаметру

Получается, что в защите нуждаются не только люди и живые организмы, но и бытовая техника. Если в системе будет применяться провода и кабели, не соответствующие хотя бы минимальным требованиям помещения, то вполне вероятно, что спустя некоторое время приборы и бытовые устройства начнут попросту гореть. Как следствие, человека ждут дополнительные финансовые затраты.

Видео

Смотрите на видео формулы для расчета кабеля тока и мощности:

Специалисты утверждают, что правильно подобранный провод – это не только, долговечная проводка и подача электрической энергии, но и защита собственных финансовых ресурсов: не нужно будет платить больше за электричество (толстые провода потребляют намного больше, чем тонкие); замена системы.

Формула расчета силы тока в розетке

I=P/(U*cos ф) , где I — Сила тока (ампер), P — мощность подключенного оборудования (Вт), U — напряжение в сети (Вольт), cos ф — коэффициент мощности (если этого показателя нет в характеристиках оборудования, принимать 0,95)

Давайте рассчитаем по этой формуле сколько ампер сила тока в обычной домашней розетке с напряжением (U) 220В при подключении к ней утюга мощностью 2000 Вт (2кВт), cos ф у утюга близок к 1.

Значит, при включении и нагреве утюга мощностью 2кВт, в сила тока в розетке будет около 9,1 Ампер.

При одновременном включении нескольких устройств в одну розетку, ток в ней будет равен сумме токов этого оборудования.

Медная проводка

При покупке или строительстве дома, квартиры желательно использовать этот тип проводки. Однако, имейте ввиду, что, заменив проводку в квартире вы еще не получили надежную и способную выдерживать большие нагрузки сеть. Не забывайте, что вводной кабель от лестничного щитка до квартиры в старых квартирах всегда выполнен из алюминия. Следует заменить этот участок, ведь его проводимость теперь слабое место новой сети.

Читать еще:  Что для светодиода важнее ток или напряжение

Достоинства медной проводки

Сравнение параметров, представленных ниже с параметрами алюминия позволит сделать правильный выбор в дальнейшем. Медь, как материал для электропроводки имеет ряд достоинств, к которым относят:

  • хорошую проводимость (даже после окисления пленка на поверхности не препятствует прохождению электрического тока);
  • срок службы доходит до 50 лет;
  • высокую механическая прочность (жила легко выдерживает изгибание и скручивание до 10-15 раз);
  • легкость монтажа (промышленностью выпускается несколько видов проводов с различными параметрами и жилами, с которыми удобно работать).

Минус домашней сети из меди, наверное, один – это ее цена, однако, когда необходимо выполнить качественную проводку отдавайте предпочтение этому материалу.

В строительных магазинах можно приобрести провода из сплавов цинка, покрытых медным напылением. Они стоят дешевле, чем медные, однако и характеристики материалов уступают проводам из чистой меди.

При нехватке средств лучше выполнить комбинированную проводку, розеточную группу отдельно запитать медными проводами, рассчитанными на большую силу тока, а цепи освещения – алюминиевыми. Однако имейте в виду, что соединение алюминий и медь выполняют только через специальные зажимы или соединительные колодки, которые препятствуют прямому контакту меди и алюминия, вызывающему сильное окисление последнего. Из-за окисления стыка вырастает удельное сопротивление контакта, происходит нагрев и обгорание в итоге.

Рассмотрев характеристики легко прийти к выводу, что лучше для выполнения монтажных работ использовать медь, однако при необходимости можно выполнить сеть и из алюминия, вот только следить за ней придется тщательнее. Выбирать тот или иной тип проводки необходимо с учетом требований электробезопасности, ведь от этого зависит как долго прослужит сеть без необходимости вмешательства специалистов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

SamsPcbGuide, часть 3: Предельный ток печатной дорожки

Шутки в сторону, тема серьёзная, пожароопасная. Поехали. Это третья статья из цикла, в ней рассмотрены модели оценки предельного тока печатной дорожки, который в некоторых ситуациях является определяющим параметром при выборе толщины проводящих слоёв печатной платы.

В предыдущей статье говорилось о том, выбор толщины медных слоёв печатной платы определяется, прежде всего, требуемыми минимальным зазором и минимальной шириной проводника, а также максимальным током, протекающим по проводнику. Эти параметры могут противоречить друг другу: чем тоньше проводящий слой, тем меньший топологический рисунок может быть получен, но тем меньший предельный ток выдержит печатная дорожка (при прочих равных условиях – ширина проводника, частота тока, теплоотвод и др.). Тепловая энергия Q выделяющаяся на омическом сопротивлении R печатной дорожки (джоулево тепло Q=I 2 Rt, где I – сила тока, t — время), вызывает повышение её температуры относительно окружающей среды, приводя к перегреву самого проводника и связанных с ним компонентов или, в крайнем случае, к его перегоранию при предельном токе (англ. fusing current). Соотношение между током через печатную дорожку и приростом температуры зависит от многих параметров и в общем виде трудно представимо, однако существуют формулы, позволяющие сделать предварительные оценки.

Прис, Ондердонк и Брукс

Одна из первых попыток принадлежит У.Г.Прису (англ. W.H.Preece). Свою эмпирическую зависимость он получил в лабораторном эксперименте, в котором он постепенно увеличивал ток через проводник до момента его накала докрасна. Формула Приса связывает ток накала c диаметром проводника d для различных материалов:

где K – табличная константа, примерно равная 80 для меди. Используя соотношение площади круга, можно переписать эту формулу для случая медного проводника с площадью сечения S:

В эксперименте Приса проводник был подвешен в воздухе, в отличие от проводника на печатной плате, условия теплоотвода для которого совсем другие. Более близкими являются условия теплоотвода для случаев одиночного соединительного проводника, а также для некоторых случаев микропроволочной разварки (когда для её защиты не используется компаундирование), где эта формула может давать хорошую оценку для предельного тока.

Допустимым приростом температуры печатной дорожки обычно считается 10-30 ˚С. Это значение может быть и больше в зависимости от параметров проекта, однако во всём диапазоне рабочих температур изделия температура дорожки должна быть меньше температуры стеклования материала печатной платы (англ. glass transition temperature, Tg) и тем более температуры накала меди. Поэтому полезна зависимость прироста температуры ∆T от тока I печатной дорожки шириной w и толщиной фольги h, приведённая Д.Бруксом в [1]:

где C, α, β, γ – константы, значения которых для внешних и внутренних слоёв приведены в таблице 1. Стоит учитывать, что на внешних слоях толщина фольги обычно больше на 20-40 мкм относительно базового значения в связи с дополнительным напылением при создании переходных отверстий. Также влияние финишного покрытия на платах без маски может быть значительным. Это используют в силовых приборах, когда на вскрытую от маски печатную дорожку паяют дополнительный припой.

Читать еще:  Выключатель света ваз как работает

Ещё одной известной формулой расчёта предельной токонесущей способности проводника является формула Ондердонка (англ. I.M.Onderdonk), которая содержит такой важный параметр, как время. Она связывает время t пропускания тока I через медный проводник сечением S и прирост температуры ∆T относительно начальной температуры T:

Так как при выводе формулы [2] исключается всякий теплоотвод, то для случая печатной дорожки эта формула применима для короткого импульса тока длительностью до 1-2 секунд. С увеличением времени и влияния теплоотвода точность оценки падает, в разы занижая предельный ток. Графики зависимостей по всем трём приведённым формулам для различных параметров печатной дорожки приведены на рисунках 1 и 2.

Всегда важно учитывать условия эксперимента или аналитические допущения при выводе, чтобы понимать границы применимости той или иной формулы. Ни одна из приведённых формул не даст точное и оптимальное соотношение между предельным током и требуемым сечением проводника для реальных приложений. Это же касается и простых калькуляторов, которые можно найти в сети Интернет (например), потому что они основаны на этих или аналогичных формулах. Влияние соседних проводников и компонентов как источников и приемников тепла, излучения, активного или пассивного охлаждения может быть учтено только при термоэлектрическом моделировании в специализированных САПР (таких как Cadence, ANSYS и других). Однако даже в этом случае результаты моделирования и эксперимента могут значительно отличаться. Дело в том, что печатная дорожка имеет не прямоугольное сечение, а близкое к трапециевидному (рис. 3), а её ширина и значение проводимости медной фольги могут не только отличаются от расчётных по модели, но и имеют некоторый разброс от образца к образцу, партии к партии, изготовителю к изготовителю и т.д. Влияние отклонений ширины усиливается с её уменьшением. Тем не менее, расчётные результаты по формулам и рекомендации стандартов чаще всего будут представлять наихудший случай, обеспечивая тем самым запас прочности системы. Если разработчику требуется оптимизировать соотношение между предельным током и требуемым сечением печатной дорожки, то к этой цели необходимо идти итеративным путём моделирования и эксперимента.

Скин-эффект

Увеличение сечения печатной дорожки пропорционально снижает её омическое сопротивление на единицу длины, что уменьшает тепловые потери при протекании постоянного тока. Ситуация с переменным током не так проста по причине существования скин-эффекта (англ. skin effect), который приводит к тому, что плотность переменного тока неравномерно распределена по сечению проводника, экспоненциально убывая до нуля от поверхности проводника к центру. Для удобства расчётов применяется понятие эффективного сечения проводника с глубиной, определяемой соотношением:

где f – частота тока, σ – проводимость металла, μ – магнитная проницаемость. На глубине равной δ плотность тока становится меньше в e раз относительно плотности тока на поверхности JS. Математически можно показать верность следующего приближённого равенства для плотности тока J(x,y) в проводнике:

То есть для приближённых вычислений можно принять, что ток течёт только в граничном слое проводника периметра l глубиной δ, причём с равномерным распределением (рис. 4).

В рамках этой упрощённой модели, если глубина поверхностного слоя меньше половины толщины печатной дорожки, то импеданс печатной дорожки на данной частоте будет определяться именно этим эффективным сечением, приводя к увеличению омического сопротивления и незначительному снижению индуктивности. На рис. 5 представлена зависимость глубины поверхностного слоя от частоты тока с учётом разброса проводимости осаждённой меди. Из него видно, что для слоёв меди толщиной 18 мкм граничная частота (выше которой скин-эффект играет роль) находится в районе 50-70 МГц, а для слоёв толщиной 35 мкм – в районе 15-20 МГц. Отметим, что на частотах свыше 100 МГц глубина скин-эффекта меняется незначительно, это позволяет пренебрегать его зависимостью от частоты при расчётах для высокочастотных сигналов.

При проектировании печатных плат с постоянно действующими токами величиной в несколько ампер необходимо выполнять тепловые расчёты как для электрических компонентов, так и для проводников. Представленные модели и аналитические соотношения позволяют выполнить оценку предельного тока печатных дорожек и на её основании выбрать необходимую толщину медных слоёв и топологию проводников. Для получения точного решения необходимо использовать специализированные САПР, при этом желательно задавать геометрию с учётом технологических погрешностей изготовления и данные по проводимости меди, полученные от производителя печатных плат. Очень рекомендую ознакомиться со статьями Д.Брукса, посвящёнными подробному анализу методов оценки температуры печатных проводников, где представлены наглядные результаты моделирования температурных полей.

Литература

[1] Brooks D. G., Adam J. «Trace Currents and Temperatures Revisited», UltraCAD, 2015.
[2] Adam J., Brooks D. G. «In Search For Preece and Onderdonk», UltraCAD, 2015.

Статья была впервые опубликована в журнале «Компоненты и технологии» 2018, №1. Публикация на «Geektimes» согласована с редакцией журнала.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector