Cablaggio Illimitato

La legge di Ohm è la più importante per un circuito elettrico. È la base di praticamente tutti i calcoli elettrici. Consente di calcolare la corrente che passa attraverso un cavo (o un fusibile) a varie tensioni. È essenziale sapere quanta corrente passa attraverso un cavo, al fine di poter scegliere il cavo corretto per ogni sistema. Ma prima sono necessarie alcune conoscenze di base sull'elettricità.

Che cos'è l'elettricità:

L’elettricità è il movimento degli elettroni in un materiale, detto conduttore. Tale movimento crea una corrente elettrica. Questa corrente si misura in “Ampere”, che si rappresentano con la lettera A (in inglese si abbreviano anche con “amp”, ma tale abbreviazione non è ammessa dal Sistema Internazionale di Unità di Misura, N.d.T.).

La forza necessaria per far fluire gli elettroni si chiama tensione (o potenziale). Si misura in “Volt” e si rappresenta con la lettera V (in Europa si utilizza anche la lettera U).

Quando una corrente elettrica passa attraverso un materiale, trova una certa resistenza. Tale resistenza si misura in Ohm, che si rappresentano con il simbolo Ω.

Come si relazionano tra loro tensione, corrente e resistenza:

Legge di Ohm:

Si può dire che la resistenza di un conduttore determina quanta corrente passa attraverso un materiale a una determinata tensione. Ciò si può esprimere in una formula, nota come Legge di Ohm:

La legge di Ohm descrive il rapporto tra resistenza, corrente e tensione. Ma dalla legge di Ohm si può derivare anche un’altra unità elettrica, ovvero la potenza.

La potenza è l'espressione della quantità di lavoro che una corrente elettrica può compiere. Si misura in Watt e il simbolo è P. Può essere calcolata mediante la seguente formula:

Dalla legge di Ohm si possono derivare anche altre formule. Tutte le possibili formule sono riassunte nell’immagine a continuazione. Si prega di tenere presente che nel mondo si impiegano due simboli per rappresentare la tensione: U o V.  

Alcune di queste formule sono molto utili per calcolare la corrente in un cavo. Una formula molto utilizzata è:

Questa formula consente di calcolare quanta corrente passa attraverso un cavo quando si conoscono tensione e potenza.

Esempio di utilizzo di tale formula:

Alcuni materiali conducono l’elettricità meglio di altri. I materiali con una bassa resistenza conducono bene l’elettricità, mentre i materiali con un’alta resistenza conducono male l’elettricità o non la conducono affatto.

I metalli possiedono una bassa resistenza, pertanto conducono bene l’elettricità. Tali materiali si chiamano conduttori. Ecco perché sono utilizzati come anima nei cavi elettrici.  

La plastica o le ceramiche possiedono un’altissima resistenza e non conducono affatto l’elettricità. Tali materiali si chiamano isolanti. Ecco perché per ricoprire i cavi si utilizzano materiali non conduttori, come la plastica o la gomma. Non si soffriranno scosse elettriche se si tocca il cavo, giacché l’elettricità non può viaggiare attraverso questo materiale. Gli isolanti sono utilizzati anche per prevenire un cortocircuito se due cavi si toccano.

A: In un conduttore, gli elettroni possono muoversi.

B: In un isolante, gli elettroni non possono muoversi o si muovono molto lentamente.

Ogni materiale ha una propria resistenza specifica. Si misura in Ohmmetri (Ω.m) e il simbolo è ρ (rho).

La conduttività di un materiale è inversamente proporzionale alla sua resistenza. È rappresentata da questa formula: σ = 1/ρ. Si misura in Siemens per metro (S/m) e il suo simbolo è σ (sigma).

La tabella a continuazione elenca vari materiali conduttori, la loro conduttività elettrica e la loro resistenza specifica. Come si può vedere, il rame conduce bene l’elettricità e possiede una bassa resistenza. Come si è visto, il rame è un eccellente conduttore e possiede una bassa resistenza, motivo per cui viene comunemente utilizzato nei cavi elettrici. Il titanio, per contro, ha una scarsa conducibilità elettrica e una maggiore resistenza specifica, che lo rendono meno adatto come conduttore elettrico.

Altri due fattori determinano la resistenza del cavo, ovvero, la lunghezza e lo spessore del conduttore (cavo):

Questi fattori sono correlati come segue:

La resistenza di una certa lunghezza del cavo può essere calcolata utilizzando la seguente formula:

Come evidenzia questa formula, i fattori che determinano la resistenza di un cavo sono tre. Vale a dire:

È importante conoscere la resistenza di un cavo perché, quando una corrente passa attraverso tale cavo, la resistenza di quest’ultimo causa i due seguenti effetti:

Se la corrente aumenta, questi effetti peggiorano. Una maggiore corrente aumenta la caduta di tensione e il cavo si riscalda ancor di più.

Esempio di calcolo della resistenza di un cavo:

Domanda:

Dove:                                                                          

Risposta:

L’effetto della lunghezza del cavo:

Basandoci sul precedente esempio, calcoliamo la resistenza di un cavo di 5 metri. Il risultato sarà una resistenza di 5,3 mΩ. Se si allunga il cavo, aumenta la resistenza.

L’effetto dello spessore del cavo:

Prendiamo in considerazione l’esempio originale e calcoliamo la resistenza di un cavo con sezione trasversale di 2,5 mm². Il risultato sarà una resistenza di 10,2 mΩ. Se il cavo è più sottile, aumenta la resistenza.

Conclusione:

Sia la lunghezza che lo spessore del cavo hanno una gran influenza sulla resistenza dello stesso.

Gli isolanti elettrici sono utilizzati per impedire il passaggio della corrente elettrica da una parte all'altra di un circuito elettrico e per proteggere le persone e le apparecchiature dalle scosse elettriche.

Come abbiamo visto nella tabella del capitolo precedente, se un materiale non conduce bene l'elettricità, viene chiamato isolante.

Esempi di isolanti elettrici sono la gomma, la plastica, il vetro, la ceramica e l'aria. Questi materiali sono utilizzati in diverse applicazioni elettriche, come l'isolamento dei cavi, gli isolanti per le apparecchiature elettriche e i rivestimenti per i componenti elettrici.

Gli isolanti elettrici svolgono un ruolo fondamentale nel garantire il funzionamento sicuro ed efficiente degli impianti elettrici e nel prevenire i rischi elettrici.

Come regola empirica, più alta è la tensione, più spesso o migliore deve essere l'isolamento. Per questo motivo, ad esempio, sono necessari cavi speciali da e verso un modulo solare ad alta tensione.

I cavi e gli strumenti elettrici isolati sono classificati per una tensione massima specifica. Assicurarsi che questa tensione nominale corrisponda a quella dell'applicazione.

La resistenza di un impianto elettrico non è determinata esclusivamente dalla resistenza del cavo, poiché anche quella dei collegamenti elettrici contribuisce alla resistenza totale.

Come si crea la resistenza di connessione:

Ogni volta che si effettua un collegamento tra un cavo e un apparecchio o tra un cavo e un terminale, la resistenza del circuito aumenta. Il grado di resistenza è influenzato dalla qualità del collegamento e dalle dimensioni dell'area di collegamento.

Come limitare le resistenze di connessione:

Tenere presente che la resistenza crea anche calore:

Un collegamento scadente con una resistenza elevata genera un calore eccessivo. La relazione tra potenza, corrente e resistenza è descritta dalla formula P = I²R. In CC a bassissima tensione, anche una piccola quantità di resistenza può generare un livello di calore pericoloso che può danneggiare le apparecchiature e i cavi o, in casi gravi, provocare un incendio.

Come descritto nel capitolo precedente, è importante effettuare connessioni elettriche ben salde, poiché i collegamenti allentati causano resistenza, calore e potenziale corrosione a causa di archi elettrici. Ma bisogna anche fare attenzione a non stringere troppo questi collegamenti, perché si potrebbero danneggiare i dispositivi di fissaggio dei connettori.

I dispositivi di fissaggio dei collegamenti elettrici, viti o bulloni, sono spesso in ottone stagnato. È un luogo comune errato pensare che questi elementi di fissaggio siano in acciaio inossidabile e ciò porta a un serraggio eccessivo e al danneggiamento dell'elemento di fissaggio.

Utilizzare sempre una chiave dinamometrica (o un cacciavite dinamometrico), per tenere sotto controllo il corretto serraggio del bullone o della vite.

Si noti che i nostri prodotti sono dotati di bulloni di collegamento metrici. Le filettature comunemente utilizzate sono M4, M5, M6, M8 e M10 e i valori di coppia raccomandati nella nostra documentazione sono indicati in N.m (Newton metro).

Come utilizzare correttamente una chiave dinamometrica

Per utilizzare una chiave dinamometrica, procedere come segue:

Una bassa tensione si traduce in una corrente elevata:

Come già spiegato, la corrente che scorre attraverso un circuito elettrico per un carico fisso è diversa per le varie tensioni del circuito. Quanto più alta sia la tensione, più bassa sarà la corrente.

Qui sotto appare una panoramica della quantità di corrente che scorre in tre diversi circuiti, nei quali il carico è lo stesso, ma cambia la tensione della batteria:

La resistenza del cavo crea una caduta di tensione lungo il cavo stesso:

Come già spiegato, inoltre, un cavo possiede una certa quantità di resistenza. Il cavo è parte del circuito elettrico e può essere considerato come un resistore.

Quando la corrente scorre attraverso un resistore, questo si riscalda. La stessa cosa succede in un cavo: quando la corrente scorre attraverso il cavo, questo si riscalda e si perde potenza sotto forma di calore. Queste perdite si chiamano perdite del cavo. La perdita di potenza si può calcolare utilizzando la seguente formula:

Un altro effetto della perdita lungo il cavo è che la caduta di tensione si creerà su tutta la lunghezza del cavo. La caduta di tensione si può calcolare utilizzando la seguente formula:

La 1ª e la 2ª legge di Kirchhoff:

Per poter calcolare l’effetto di una caduta di tensione nel cavo, è necessario conoscere altre due leggi elettriche, che sono la prima e la seconda legge di Kirchhoff:

Legge della corrente di Kirchhoff (1ª legge):

La corrente che scorre in una giunzione deve essere uguale alla corrente che scorre al suo esterno.

Un esempio di questa legge è un circuito parallelo. La tensione di ogni resistore è la stessa finché la somma della corrente che scorre attraverso ogni resistore è uguale alla corrente complessiva.

Legge della tensione di Kirchhoff (2ª legge):

La somma di tutte le tensioni attorno ad ogni ciclo chiuso di un circuito deve essere uguale a zero.

Qui ci troviamo di fronte all’esatto opposto. In un circuito in serie, la corrente che passa attraverso ogni resistore è la stessa finché la somma delle tensioni di ogni resistore è uguale alla tensione complessiva.

Esempio di calcolo della caduta di tensione:

Ebbene, vediamo l’esempio reale di un inverter collegato a una batteria da 12 V e calcoliamo le perdite del cavo. Nello schema del circuito sulla destra, si può vedere un inverter da 2400 W collegato a una batteria da 12 V tramite due cavi di 1,5 metri di lunghezza e con una sezione di 16 mm².

Come calcolato in precedenza, ogni cavo possiede una resistenza di 1,6 mΩ. Sapendo ciò, possiamo calcolare la caduta di tensione lungo un cavo:

In questo circuito, la potenza dell’inverter è costante. Pertanto, quando la tensione verso l’inverter cade, la corrente aumenta. Ricordare che I = P/V.

La batteria ora invierà più corrente per compensare le perdite. Ciò significa che, nell'esempio precedente, la corrente aumenterà a 210 A.

Il che rende inefficiente il sistema, giacché ora abbiamo una perdita del 5 % (0,64/12) dell’energia totale. Questa perdita di energia si trasforma in calore.

Come ridurre la caduta di tensione:

È importante fare in modo che la caduta di tensione sia il più bassa possibile. La maniera più ovvia di ottenere è ciò, è incrementare lo spessore del cavo o di accorciare il più possibile la lunghezza dello stesso. Ma si può fare anche un’altra cosa, ovvero incrementare la tensione del circuito elettrico. La caduta di tensione del cavo varia a seconda delle tensioni della batteria (sistema). In generale, quanto più alta sia la tensione del circuito, più bassa sarà la caduta di tensione.  

Esempio:

Se prendiamo lo stesso carico di 2400 W, ma con una tensione del sistema di 24 o 48 V:  

Non solo la resistenza del cavo, ma anche altri fattori creano resistenza:

È importante comprendere che la resistenza non è un’esclusiva del cavo. Ogni elemento che si trova sul percorso della corrente crea una resistenza aggiuntiva.

Ecco un elenco degli elementi che possono aggiungere resistenza al totale:

E fare particolare attenzione a:

Si aggiungerà resistenza al circuito elettrico ogni volta che si realizza una connessione o si posiziona qualcosa lungo il percorso tra la batteria e l’inverter.

Ecco un elenco degli elementi che possono aggiungere resistenza al totale:

Ora sappiamo cosa bisogna fare per conservare una bassa resistenza in un circuito, al fine di prevenire una caduta di tensione. Ma quali sono gli effetti negativi di una gran caduta di tensione in un sistema?

Questo è un elenco di tali effetti negativi:

Ecco come prevenire le perdite di tensione:

Una buona prassi è quella di misurare la caduta di tensione del sistema dopo aver completato un impianto elettrica che comprenda delle batterie. Bisogna ricordare che le cadute di tensione generalmente si verificano durante un evento di alta corrente. La caduta di tensione diventa maggiore quando aumenta la corrente. È il tipico caso in cui un inverter possiede il carico massimo o quando un caricabatterie sta caricando a piena corrente.

Come misurare la caduta di tensione, ad esempio, in un sistema con un inverter:

Come misurare la caduta di tensione quando la batteria è troppo lontana o si trova in un'altra stanza o in un'altra struttura:

Uno degli effetti negativi di una grande caduta di tensione in un sistema è l’ondulazione.

L'ondulazione si verifica nei sistemi che comprendono un inverter:

L’ondulazione appare in un sistema in cui la fonte di alimentazione è una batteria (CC) e il carico è un dispositivo CA. Questo è sempre il caso di un sistema con un inverter. L’inverter si collega alle batterie, ma alimenta un carico CA.

Come misurare l’ondulazione:

Quando si misura l’ondulazione, ricordarsi che si produce solamente quando il sistema è sotto pieno carico. L’ondulazione può essere rilevata solo quando l’inverter sta alimentando un carico pieno o quando un caricabatterie sta caricando ad alta corrente. La stessa cosa vale per misurare la caduta di tensione.

L'ondulazione può essere misurata in questi due modi:

Gli impatti negativi dell’ondulazione:

Si può verificare una piccola quantità di ondulazione con un impatto non misurabile. Tuttavia, un’ondulazione eccessiva può avere un impatto negativo.

Impatto negativo di un'ondulazione eccessiva:

Per eliminare un’alta ondulazione in un sistema, agire come segue: