Jak nie rozpalać pożaru elektrycznego: Obliczanie grubości przewodów do następnego projektu DIY?

Dla większości hobbystów wybór drutu jest nieprzemyślanym aspektem projektowania. Używanie zbyt cienkiego drutu może mieć katastrofalne skutki, od spadków napięcia powodujących słabą wydajność po pożary elektryczne.

Pomimo swojego znaczenia, grubszy drut jest droższy. Tak więc hobbyści często będą skąpić na tym materiale.

Naszym celem jest znalezienie najcieńszego przewodu, jakiego możemy użyć, jednocześnie utrzymując spadki napięcia na rozsądnym marginesie i unikając ryzyka pożaru elektrycznego.

Poświęcając czas na przejście przez matematykę, zaoszczędzimy sobie ogromnej ilości pracy w dalszej części drogi. Zanurzmy się!

Rozplątywanie energii elektrycznej z hydrauliką

Elektryczność może być trudna do wyobrażenia, więc spójrzmy na klasyczną metaforę zrozumienia elektryczności. Zamiast elektronów w drucie wyobraź sobie wodę w rurze:

• Aktualny byłaby woda w rurze.
• Napięcie byłoby ciśnienie przepychające wodę przez rurę.
• Opór byłaby średnicą samej rury.

Pod wieloma względami ta metafora jest idealna do myślenia o grubościach przewodów. Podobnie jak średnica rury, średnica drutu jest wprost proporcjonalna do jego oporu wewnętrznego. Im mniej miejsca jest na przepływ prądu (lub wody), tym większy będzie opór dla jej przepływu.

Wracając do rury pełnej wody, co by się stało, gdybyśmy spróbowali wcisnąć 100 litrów wody do rury, która może pomieścić tylko jeden litr? Jak możesz sobie wyobrazić, bardzo szybko znaleźlibyśmy się na telefonie z hydraulikiem, bo ta rura by pękła!

Podobne zjawisko występuje, gdy próbujemy przesłać zbyt duży prąd przez zbyt cienki przewód; tylko zamiast wypływania wody drut przegrzewa się i topi. Przy wystarczająco dużym napięciu popychającym ten prąd, ten stopiony drut może bardzo szybko doprowadzić do pożaru elektrycznego.

Nie martw się, jeśli kupiłeś już przewody i nie odpowiadają one Twoim potrzebom; możesz użyj ich do kilku zabawnych projektów DIY.

Spadek napięcia i dlaczego zbyt dużo może zepsuć obwód

W każdym obwodzie elektrycznym prądu stałego odczujemy spadki napięcia; jest to podstawowa zasada obwodów. Problem pojawia się jednak, gdy utracono zbyt duże napięcie, szczególnie ze względu na rezystancję samego przewodu.

Jeśli znowu pomyślimy o naszych rurach, wyobraźmy sobie bardzo dużą rurę przechodzącą w znacznie mniejszą. Nagle nasz potok zostaje spowolniony, a ciśnienie za wodą spada. Ta spowolniona woda nie ma wystarczającego ciśnienia do obracania kołem wodnym, przez co mamy obniżoną wydajność.

Tak więc, bez użycia znacznie mniejszego koła wodnego, wydaje się, że musimy użyć większych rur. Umożliwiłoby to przepływ wody stosunkowo nieskrępowany, utrzymując ciśnienie wystarczająco wysokie, aby obracać naszym kołem.

Przechodząc do przewodów i elektronów, pomysł jest taki sam! W kategoriach elektrycznych możemy to bardzo łatwo wyjaśnić za pomocą jednego z podstawowych praw fizyki, prawa Ohma:

Prawo Ohma dyktuje relacje między prądem, napięciem i rezystancją. W obwodzie prądu stałego nasz prąd jest przez cały czas stały, ale nasze napięcie i rezystancja są ze sobą odwrotnie proporcjonalne.

Mówiąc prościej, wraz ze wzrostem rezystancji napięcie spada.

Aby przenieść to do naszych rzeczywistych zastosowań: gdy przewody stają się mniejsze, ich rezystancja wzrasta. Dlatego, gdy przewody stają się mniejsze, napięcie na nich spada, podobnie jak cieńsze rury zmniejszają przepływ wody!

W związku z tym użycie grubszych przewodów w obwodzie umożliwia przyłożenie napięcia tam, gdzie jest to potrzebne - i nie marnuje się na rezystancję przewodu.

Obliczanie optymalnej grubości drutu

Zdecydowanie najlepszym sposobem ustalenia grubości przewodu jest skorzystanie z kalkulatora internetowego; aplikacje te umożliwiają użytkownikom wprowadzanie ich napięcia, natężenia (prądu), długości przewodów i dopuszczalnego spadku napięcia. Po przeanalizowaniu liczb kalkulator wyprowadza optymalną grubość drutu dla tego odcinka drutu.

W większości zastosowań dopuszczalny jest spadek napięcia o około trzy procent — cokolwiek więcej, a bardziej czuły sprzęt elektroniczny może zacząć działać nieprawidłowo.

Zawsze chcemy również korzystać z maksymalnego możliwego poboru prądu przez nasze urządzenie — zazwyczaj jest to zapisywane na urządzeniu. Chociaż prawdopodobnie nie będzie miał trwałego poboru prądu o tej wartości, musimy upewnić się, że jesteśmy chronieni przed skokami prądu.

Oto jeden przykład internetowego kalkulatora grubości drutu, który można znaleźć pod adresem wiresizecalculator.net:

Jak widać, ten kalkulator pozwala również na dalsze zmienne dane wejściowe, takie jak ocena cieplna izolacji, z jakiego przewodnika wykonane są przewody i rodzaju instalacji, w jakiej prowadzony jest przewód w.

W tym przykładzie otrzymaliśmy minimalną bezpieczną grubość drutu wynoszącą 3 American Wire Gauge (AWG).

Ze względów bezpieczeństwa zawsze najlepszą praktyką jest przewyższenie przewodów o jeden lub dwa, więc otrzymalibyśmy przewód 2/0 AWG. Uwaga, standard grubości drutu jest całkowicie zacofany; im grubszy drut, tym mniejszy przekrój drutu! Tak więc 2/0 AWG jest w rzeczywistości grubszym drutem niż 3 AWG.

Związane z: Oblicz koszty energii elektrycznej za pomocą tych poręcznych narzędzi

Który przewód wybrać?

Poza grubością drutu, inne zmienne, które należy wziąć pod uwagę, to liczba pasm — tj. ile pasm drutu składa się z kabla - i materiału drutu.

Z reguły więcej pasm drutu zapewnia większą elastyczność. Jeśli prowadzisz drut w ciasnych przestrzeniach, warto zainwestować w większą liczbę splotek.

Jeśli chodzi o rzeczywisty materiał drutu, w większości zastosowań standardem jest miedź, chociaż można również użyć aluminium.

Kluczową rzeczą do zapamiętania jest spójność. Jeśli używasz złączy miedzianych i drutu miedzianego w innym miejscu obwodu, użyj drutu miedzianego. Mieszanie i dopasowywanie materiałów może prowadzić do korozji i pękania złączy, ponieważ materiały rozszerzają się i kurczą w różnym tempie.

Związane z: Nie tylko lutowanie: wyjaśnienie różnych metod łączenia przewodów

Oszczędność pieniędzy i bezpieczeństwo

Istnieje kilka zmiennych, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze odpowiedniego drutu do swojej konstrukcji. Jednak zasadą numer jeden w przypadku elektryczności jest sprowadzenie profesjonalisty, jeśli czujesz się nieswojo.

W przeciwnym razie oblicz grubość przewodu w oparciu o maksymalny prąd, który zamierzasz przez niego przepłynąć, kup przewód o jeden rozmiar większy i zacznij budować! Zawsze utrzymuj spójność materiału między przewodami i złączami i wykonaj obliczenia!

Przy odrobinie namysłu możesz ugasić ryzyko pożaru i zaoszczędzić kilka dolców.

Jaka jest różnica między obwodami szeregowymi a równoległymi?

Dowiedz się więcej o różnych typach obwodów elektronicznych z naszego przewodnika wyjaśniającego.

Czytaj dalej

O autorze