Wiring Unlimited

De wet van Ohm is de belangrijkste wet van een elektrisch circuit. Het vormt de basis van bijna alle elektrische berekeningen. Het maakt mogelijk de stroom te berekenen die door een kabel (of een zekering) loopt bij verschillende spanningen. Weten hoeveel stroom er door een kabel loopt is essentiële kennis om de juiste kabel voor uw systeem te kiezen. Maar eerst is wat basiskennis over elektriciteit nodig.

Wat is elektriciteit:

Elektriciteit is de beweging van elektronen in een materiaal,een geleider genoemd. Deze beweging maakt een elektrische stroom. Deze stroom wordt gemeten in “Ampère” en het symbool is de letter A.

De kracht die vereist is om de elektronen te laten stromen wordt spanning (of potentiaal) genoemd. Het potentiaal wordt gemeten in "Volt" en het symbool is de letter U (buiten Europa ook naar verwezen als V).

Als er een elektrische stroom door een materiaal loopt, ervaart het een zekere weerstand. Deze weerstand wordt gemeten in Ohm. Het symbool is Ω.

Hoe spanning, stroom en weerstand met elkaar in verband staan:

De wet van Ohm:

Men kan zeggen dat de weerstand van een geleider bepaalt hoeveel stroom er door een materiaal loopt bij een bepaalde spanning. Dit kan weergegeven worden in een formule. De formule wordt de wet van Ohm genoemd:

De wet van Ohm beschrijft de relatie tussen weerstand, stroom en spanning. Maar er is nog één elektrische eenheid die afgeleid kan worden uit de wet van Ohm en dat is vermogen.

Vermogen drukt uit hoeveel werk elektrische stroom kan uitvoeren. Het wordt gemeten in Watt en het symbool is P. Vermogen kan berekend worden met de volgende formule:

Uit de wet van Ohm kunnen ook andere formules afgeleid worden. Alle mogelijke formules worden vermeld in de onderstaande afbeelding. Houd er rekening mee dat er twee symbolen in de wereld gebruikt worden die spanning weergeven. Dit zijn U of V.  

Enkele van deze formules zijn erg nuttig bij het berekenen van stroom in een kabel. Een vaak gebruikte formule is de volgende:

Deze formule kan berekenen hoeveel stroom door een kabel loopt als de spanning en het vermogen bekend zijn.

Een voorbeeld van hoe deze formule gebruikt kan worden:

Bepaalde materialen geleiden elektriciteit beter dan andere materialen. Materialen met een lage weerstand geleiden elektriciteit goed en materialen met een hoge weerstand geleiden elektriciteit slecht of helemaal niet.

Metalen hebben een lage weerstand en ze geleiden elektriciteit goed. Deze materialen worden geleiders genoemd. Dit is de reden waarom ze in elektrische kabels als kern gebruikt worden.  

Plastic of keramiek hebben een zeer hoge weerstand, ze geleiden elektriciteit helemaal niet. Ze worden isolatoren genoemd. Dit is waarom niet-geleidende materialen, zoals plastic of rubber, gebruikt worden aan de buitenkant van kabels. Je krijgt geen elektrische schok als je de kabel aanraakt omdat elektriciteit niet door dit materiaal kan voortbewegen. Isolatoren worden ook gebruikt om een kortsluiting te voorkomen, mochten twee kabels elkaar raken.

A: In een geleider kunnen de elektronen bewegen.

B: In een isolator kunnen de elektronen niet bewegen of maar heel traag bewegen.

Elk materiaal heeft een eigen specifieke weerstand. Die weerstand wordt gemeten in Ohm-meter (Ω/m) en het symbool is ρ (rho).

De geleidbaarheid van een materiaal is omgekeerd evenredig met zijn weerstand. Het wordt weergegeven door deze formule: σ = 1/ρ. Het wordt gemeten in Siemens per meter (S/m) en het symbool is σ (sigma).

De onderstaande tabel vermeldt verschillende geleidende materialen, hun elektrische geleidbaarheid en hun specifieke weerstand. Zoals getoond geleidt koper elektriciteit goed en heeft het een lage weerstand. Zoals getoond is koper een uitstekende geleider met lage weerstand, daarom wordt het ook algemeen gebruikt in elektrische kabels. Als contrast heeft titanium zwakke elektrische geleidbaarheid en een hogere specifieke weerstand, het minder geschikt makend als een elektrische geleider.

Twee extra factoren bepalen de kabelweerstand. Dit zijn de lengte en de dikte van de geleider (kabel):

Deze factoren houden op de volgende manier met elkaar verband:

De weerstand van een lengte kabel kan berekend worden met de volgende formule:

Zoals in de bovenstaande formule zijn er 3 factoren die kabelweerstand bepalen. Namelijk:

Het is belangrijk de weerstand van een kabel te kennen omdat, als een stroom door een kabel loopt, de kabelweerstand verantwoordelijk is voor deze twee effecten:

Als de stroom hoger wordt, verergeren deze effecten. Een hogere stroom verhoogt het spanningsverlies en de kabel wordt nóg warmer.

Een voorbeeld van hoe de weerstand van een kabel te berekenen:

Vraag:

Gegeven:                                                                          

Antwoord:

Het effect van kabellengte:

Laat ons het voorgaande voorbeeld gebruiken en de berekening maken voor een kabel van 5 meter. Het resultaat is dat de weerstand 5,3 mΩ is. Als je de kabel langer maakt, zal de weerstand toenemen.  

Het effect van kabeldikte:

Laat ons het originele voorbeeld nemen en de berekening maken voor een kabel met een doorsnede van 2,5 mm². Het resultaat is dat de weerstand 10,2 mΩ is. Als je de kabel dunner maakt, zal de weerstand toenemen.  

Conclusie:

Zowel kabeldikte als kabellengte hebben een grote invloed op de kabelweerstand.

Elektrische isolatoren worden gebruikt om de loop van elektrische stroom van één deel van een stroomkring naar een ander te voorkomen en om personen en apparatuur te beschermen tegen elektrische schokken.

Zoals we gezien hebben in de tabel in het vorige hoofdstuk, als een materiaal elektriciteit niet goed geleidt, dan wordt het een isolator genoemd.

Voorbeelden van elektrische isolatoren omvatten rubber, plastic, glas, keramiek en lucht. Deze materialen worden gebruikt in verschillende elektrische toepassingen, zoals isolatie voor draden, isolatoren voor elektrische apparatuur en bekleding voor elektrische componenten.

Elektrische isolatoren spelen een cruciale rol in het zorgen voor de veilige en efficiënte werking van elektrische systemen en in het voorkomen van elektrische gevaren.

Als vuistregel geldt hoe hoger de spanning, hoe dikker of beter de isolatie moet zijn. Dit is waarom bijvoorbeeld speciale kabels vereist zijn naar en van een PV-reeks van hoge spanning.

Geïsoleerde kabels en elektrisch gereedschap zijn bestemd voor een specifieke maximale spanning. Zorg ervoor dat deze spanning overeenkomt met uw toepassing.

Weerstand in een elektrische installatie wordt niet alleen bepaald door de weerstand van de kabel, daar de weerstand van de elektrische verbindingen ook bijdraagt aan de totale weerstand.

Hoe ontstaat verbindingsweerstand:

Als er verbinding gemaakt wordt tussen een kabel en een apparaat of tussen een kabel en een kabelaansluiting, verhoogt de weerstand van het circuit. De hoeveelheid van weerstand wordt beïnvloed door de kwaliteit van de verbinding en het oppervlak van de verbindingszone.

Hoe verbindingsweerstanden beperken:

Wees ervan bewust dat weerstand ook hitte maakt:

Een slechte verbinding met hoge weerstand genereert overmatige hitte. De relatie tussen vermogen, stroom en weerstand wordt beschreven door de formule P = I²R. In extra-lage DC-spanning kan zelfs een kleine hoeveelheid weerstand resulteren in een gevaarlijk niveau van hitte dat kan veroorzaken data apparatuur en kabels beschadigd raken of dat zelfs in ernstige gevallen brand kan veroorzaken.

Zoals beschreven in het vorige hoofdstuk is het belangrijk om elektrische verbindingen strak aan te trekken daar losse verbindingen leiden tot weerstand, hitte en mogelijk corrosie door vonken. Maar let er ook op dat u deze verbindingen niet te strak aandraait, want dan kan de aansluiting van het verbindingsstuk beschadigd raken.

Elektrische verbindingssluitingen, schroeven of bouten worden vaak gemaakt van vertind messing. Het is een algemene verkeerde opvatting om ervan uit te gaan dat deze sluitingen gemaakt zijn van roestvrij staal met te strak aandraaien en schade aan de sluiting als resultaat.

Gebruik steeds een momentsleutel (of momentschroevendraaier) zodat u weet dat de bout of schroef juist vastgedraaid is.

Houd er rekening mee dat onze producten metrische aansluitbouten hebben. Veelgebruikte schroefdraden zijn M4, M5, M6, M8 en M10. De aanbevolen aanhaalmomentwaarden in onze documentatie worden vermeld in Nm (Newton.meter).

Hoe een momentsleutel juist te gebruiken

Volg deze stappen om een momentsleutel te gebruiken:

Een lage spanning resulteert in een hoge stroom:

Zoals reeds uitgelegd is de stroom die door een stroomkring loopt voor een vaste belasting verschillend voor tal van circuitspanningen. Hoe hoger de spanning hoe lager de stroom.

Onderaan vindt u een overzicht van de hoeveelheid stroom die in drie verschillende circuits loopt waar de belasting hetzelfde is, maar de accuspanning in elke circuit verschillend is:

Kabelweerstand geeft een spanningsverlies over de kabel:

Ook heeft een kabel, zoals reeds uitgelegd, een zekere hoeveelheid weerstand. De kabel maakt onderdeel uit van de stroomkring en kan behandeld worden als een weerstand.

Als er stroom door een weerstand loopt, warmt de weerstand op. Hetzelfde gebeurt in een kabel; als er stroom door een kabel loopt, warmt de kabel op en vermogen gaat verloren in de vorm van warmte. Deze verliezen worden kabelverliezen genoemd. Het verloren vermogen kan met de volgende formule berekend worden:

Een ander effect van kabelverlies is dat een spanningsverlies ontstaat over de lengte van de kabel. Het spanningsverlies kan met de volgende formule berekend worden:

De 1ste en 2de wet van Kirchhoff:

Om het effect van een spanningsverlies over de kabel te kunnen berekenen, moet u twee extra elektrische wetten te kennen, namelijk de eerste en tweede wet van Kirchhoff:

De stroomwet van Kirchhoff (1ste wet):

De stroom die in een vertakking vloeit, moet gelijk zijn aan de stroom die er uitloopt.

Een voorbeeld hiervan is een parallel geschakeld circuit. De spanning over elke weerstand is hetzelfde terwijl de som van stroom die door elke weerstand loopt gelijk is aan de totale stroom.

De spanningswet van Kirchhoff (2de wet):

De som van alle spanningen rond elke gesloten lus in een circuit moet gelijk zijn aan nul.

Hier is het exact tegenovergestelde het geval. In een serie circuit is de stroom, die door elke weerstand loopt, hetzelfde terwijl de som van de spanningen over elke weerstand gelijk is aan de totale spanning.

Voorbeeld berekening spanningsverlies:

Laat ons nu een echt voorbeeld gebruiken van een omvormer die aangesloten is op een 12 V-accu en de kabelverliezen berekenen. In het schema aan de rechterkant vindt u een 2400 W omvormer, aangesloten op een 12 V-accu via twee 1,5-meter-lange, 16 mm² kabels.

Zoals we eerder al berekend hebben, heeft elke kabel een weerstand van 1,6 mΩ. Met dit in gedachten kunnen we nu het spanningsverlies over één kabel berekenen:

Het vermogen van de omvormer is constant in dit circuit. Dus als de spanning in de omvormer daalt, dan stijgt de stroom. Denk aan I = P/U.

De accu levert nu meer stroom om te compenseren voor het verlies. Dit betekent, in het eerdere voorbeeld, dat de stroom stijgt tot 210 A.

Dit maakt het systeem inefficiënt omdat we nu 5% (0,64/12) van de totale energie verloren hebben. Deze verloren energie wordt omgezet in warmte.

Hoe spanningsverlies verminderen:

Het is belangrijk om het spanningsverlies zo laag mogelijk te houden. De voor de hand liggende manier om dit te doen is om de dikte van de kabel te verhogen of om de kabellengte zo kort mogelijk te houden. Maar er is nog iets dat u kunt doen. Dit is de spanning van de stroomkring te verhogen. Het spanningsverlies van de kabel varieert voor verschillende accu(systeem)spanningen. Over het algemeen geldt hoe hoger de spanning van het circuit, hoe lager het spanningsverlies.  

Voorbeeld:

Als we kijken naar dezelfde 2400 W belasting, maar nu bedraagt de systeemspanning 24 of 48 V:  

Niet alleen de kabelweerstand maar ook andere factoren geven weerstand:

Het is belangrijk om te beseffen dat weerstand niet alleen in de kabel zelf optreedt. Extra weerstand wordt gemaakt door alle zaken op het pad waar de stroom doorheen loopt.

Een lijst met mogelijke zaken die de totale weerstand kunnen verhogen:

En kijk vooral uit voor:

Er wordt weerstand toegevoegd aan het elektrische circuit telkens als er een verbinding wordt gemaakt of als er iets in het pad tussen de accu en de omvormer wordt geplaatst.

Een lijst met mogelijke zaken die de totale weerstand kunnen verhogen:

We weten nu wat we moeten doen om weerstand in een circuit laag te houden om een spanningsverlies te voorkomen. Maar wat zijn de negatieve effecten als er een hoog spanningsverlies in een systeem is?

Dit zijn de negatieve effecten van een hoog spanningsverlies:

U kunt spanningsverlies op de volgende manier voorkomen:

Het is een goede praktijk om het systeemspanningsverlies te meten als u een elektrische installatie met accu's voltooid hebt. Onthoud dat een spanningsdaling meestal optreedt bij een hoge stroom. Het spanningsverlies wordt groter als de stroom verhoogt. Dit is het geval als er een omvormer belast wordt met maximale belasting of als een acculader oplaadt met maximale stroom.

Hoe bijvoorbeeld spanningsverlies te meten in een systeem met een omvormer:

Hoe spanningsverlies te meten als de accu ter ver weg is in een andere ruimte of in een behuizing:

Eén van de negatieve effecten van een hoog spanningsverlies in een systeem is rimpelspanning.

Rimpelspanning komt voor in systemen met een omvormer:

Rimpelspanning verschijnt in een systeem waar de voeding een accu (DC) is en de belasting een AC-apparaat. Dit is altijd het geval in een systeem met een omvormer. De omvormer verbindt met accu's, maar het voedt een AC-belasting.

Hoe rimpelspanning meten:

Denk eraan, bij het meten van rimpelspanning, dat dit alleen gebeurt als het systeem onder volle belasting staat. Rimpelspanning kan alleen gedetecteerd worden als de omvormer een volledige belasting voedt of als een lader laadt met een hoge stroom. Hetzelfde geldt bij het meten van het spanningsverlies.

Rimpelspanning kan gemeten worden op de volgende twee manieren:

De negatieve effecten van rimpelspanning:

Een kleine hoeveelheid rimpelspanning kan bestaan zonder meetbaar effect. Overmatige rimpelspanning kan echter een negatief effect hebben.

Het negatieve effect van overmatige rimpelspanning:

Doe het volgende om hoge rimpelspanningen in een systeem te herstellen: