To, jestli bude elektroinstalace v jakémkoli zařízení správně fungovat, záleží nejen na tom, zda jsou správně zapojené vodiče ve smyslu odkud a kam mají vést, ale také na tom, kudy vedou, a jaké byly použity.
Průřez vodičů
Volba typu kabelů a jejich uspořádání je tím důležitější, čím větší proud jimi teče, takže se týká v první řadě napájení pohonů a přívodů k jejich zdroji. Z hlediska funkce a výkonových ztrát je podstatný průřez kabelů, které musí být dimenzovány na ustálený proud při nejvyšším možném odběru. Jde-li o elektromotor, většinou to bude odběr s motorem běžícím „na plný plyn“. Samozřejmě platí, čím větší je průřez vodiče, tím menší je jeho odpor a tedy i výkonové ztráty v něm. Silnější vodiče jsou ale zároveň těžší, tlustší, méně ohebné a dražší. Nejčastěji se používají měděné kabely „standardních“ průřezů 0,5, 0,75, 1,0, 1,5, 2,5 a 4,0 mm2.
Aby se vodiče příliš nezahřívaly a úbytek na nich byl přijatelný, volíme u vodičů volně vedených a chlazených okolním vzduchem zpravidla proudovou hustotu maximálně 10 až 15 A/mm2 . To v praxi znamená, že přívody k motoru s odběrem 10 A děláme z vodiče o průřezu 0,8 nebo 1 mm2 .
Kvalita izolace
Nejdostupnější a také nejlevnější jsou kabely s PVC izolací. Lze je samozřejmě použít, ale mají mnoho nevýhod. Izolace se při pájení konců teplem deformuje, odolnost proti otěru a teplu je malá, snadno dojde k narušení. S měnící se teplotou okolí kabely silně mění svou tvrdost a časem (během více roků) izolace i praská. Podstatně lepší jsou kabely se silikonovou izolací, které uvedené nevýhody nemají, a nejsou ani příliš drahé.
Normální a vysoce ohebné kabely
Když potřebujeme kabely na instalaci uvnitř zařízení, kde se nepohybují, naprosto postačují ty složené z drátků stejného průměru jako u kabelů v PVC (obvykle jich bývá ve svazku kolem 30). Tam, kde jsou kabely velmi často ohýbány a kde se s nimi manipuluje, použijeme vysoce ohebné kabely s jádrem z velkého počtu tenkých drátků (bývá jich zhruba 4x víc) – samozřejmě v silikonové izolaci. Tyto kabely jsou podstatně dražší, ale například jako přívody k akumulátorům se rozhodně vyplatí.
„Měděné“ kabely bez mědi
V posledních létech na mezinárodním trhu hodně zdražila měď. To vedlo některé výrobce ke snaze omezit množství mědi v „měděných“ kabelech. Jak se to dá udělat? Poměrně jednoduše. Jednotlivé drátky jsou ve skutečnosti z hliníku, který má na povrchu tenoučkou vrstvičku mědi, takže vypadá jako měděný. Tyto kabely se značí CCA (Copper Clad Aluminium) a obvyklý poměr měď/hliník je 10:1. Tyto kabely mají jen asi 60% vodivosti pravých měděných kabelů, na to se musí pamatovat a zvolit odpovídajícím způsobem větší průřez. Navíc mají větší snahu se lámat a mohou se obtížně pájet. Pokud možno se jim vyhněte!
Vodič s jádrem ze železa nebo hliníku a povrchovou vrstvou mědi
Analogicky existují vodiče s označením CCS (Copper Clad Steel), které mají jádro ze železa a na povrchu měď (té je většinou 6, 12 nebo 20% průměru vodiče). Tyto kabely mají vodivost doslova mizernou, jen 21, 30 nebo 40% vodivosti pravých měděných kabelů. Opět se musí použít podstatně větší průřez. Jsou těžké a špatně ohebné, pájet se většinou dají, jedinou výhodou je vyšší pevnost v tahu.
Pozor na kabely CCA a CCS, průřezy se musí jinak dimenzovat a reálně žádné výhody neposkytují kromě nižší ceny, ale když použijete větší průřez, úspora se ztrácí. Tyto kabely nebývají u prodejců označené jinak než CCA nebo CCS, příklad najdete tady.
Poloha výkonových vodičů
Umístění výkonových vodičů vůči ostatní elektronice a zejména řídící jednotce s mikrokontrolérem musí respektovat několik zásad. Předně vodiče nesmí překážet v přístupu k funkčním celkům a pokud možno by měly být uchyceny, aby se nemohly volně pohybovat. Pohybující se vodič znamená možnost prodření izolace a možnost, že se u pájeného konce nebo konektoru postupně uláme.
Druhou zásadou je používat co nejkratší vodiče. Každý kousek kabelu navíc znamená větší ztráty a tím i méně energie pro motor a vše ostatní. Nedělá to moc, ale každá maličkost se počítá. Když se posčítají, už to zanedbatelné není.
Jak a kudy mají být kabely vedeny, na to se někdy názory různí. Říká se, že je lepší pohonné kabely vzájemně zkroutit do svazku (takto uspořádanému vedení se také říká twist) kvůli menšímu rušení respektive ovlivění okolní elektroniky. Pro mnohé amatérské konstruktéry je zcela nepochopitelné, jak může zkroucení kabelu vůbec rušení a funkci ovlivnit. Může, a dokonce dost. Není cílem tohoto článku uvádět komplikované vztahy pro výpočet intenzity rušivého elektromagnetického pole v okolí různě uspořádaných kabelů, můžeme si ale předvést výsledky názorné simulace.
Budeme v řezu sledovat dva vodiče, které tvoří přívod k motoru, takže jedním teče proud směrem k nám a druhým směrem od nás. Sledujeme prostor v šíři 50 mm, použité kabely o průřezu 1,5 mm2 mají vnější průměr izolace 2,8 mm. V prvním případě umístíme rovné rovnoběžné vodiče dále od sebe (jejich vzdálenost os je 44 mm) a představíme si, že tyto vodiče obcházejí ze stran řídící jednotku, která je mezi nimi.
Elektromagnetické pole není vidět a není ani jednoduché jeho intenzitu měřit tak, abychom získali přehled o jeho rozložení v prostoru. Na obrázcích jsou výsledky počítačové simulace rozložení pole převedeny do barev. Každý barevný přechod z černé přes modrou do červené ze vzdáleného okolí vodičů směrem k nim znamená zvětšení intenzity pole o jeden díl. Je naprosto jedno, v jakých jednotkách intenzita pole je, jde pouze o srovnání čtyř případů lišících se uspořádáním vodičů.
Středy vodičů jsou 44 mm vzdálené od sebe
Žlutá je barva průřezu vodiče, bílá znázorňuje izolaci. Je vidět, jak intenzita pole velmi prudce narůstá v těsné blízkosti vodičů, nicméně i mezi nimi je dost vysoká. Prostor s „nulovou“ (lépe řečeno vztažnou) intenzitou na obrázku není, byla by to černá barva někde nad snímkem, který je u horního okraje tmavě modrý, ale další předěl barev už mimo snímek není. Pokud by byla elektronika (třeba v šířce 25 mm, tedy ½ šířky snímku) uprostřed mezi vodiči, bude vystavena určité intenzitě pole, ale nebude to mnoho. Když se pokusíme najít na snímku místo s nejmenší intenzitou, bude to co nejdál od vedení, někde nahoře.
Středy vodičů jsou 14 mm od sebe
Další snímek ukazuje ještě dva samostatné vodiče, ale už blíž k sobě. Pokud by elektronika byla uprostřed dole, bude vystavena mnohonásobně silnějšímu poli než v předchozím případě. Naopak, u horního okraje je pole slabší než předešlé.
Vodiče jsou rovnoběžné a těsně u sebe (dvoulinka)
Třetí snímek odpovídá použití dvojlinky, kdy oba dva vodiče jsou vedeny rovnoběžně těsně u sebe tak, že jejich izolace se téměř dotýkají. Pole se dál „zakoncentrovalo“, „stáhlo“ kolem vodičů, takže když bude elektronika v těsné blízkosti dvoulinky, bude vystavena značné intenzitě pole, ale ve větší vzdálenosti (u horního okraje) je už intenzita mizivá.
Dvoulinka stejně jako v předchozím případě, ale vodiče nejsou rovnoběžné, jsou zkroucené (twist)
A teď ten rozdíl, ke kterému směřujeme. Stejná dvoulinka, ale pevně zakroucená. Vodiče sice zabírají skoro stejně místa a jsou stejně daleko od sebe, ale pole se ještě víc soustředilo do jejich těsného okolí a už v nevelké vzdálenosti má mizivou intenzitu. Kolem twistu stačí malý ochranný prostor, elektronika by už mohla být nejen nahoře, ale i po stranách velmi dobře chráněná.
I slabší vodiče má smysl nakroutit do twistu, může to být dokonce úhlednější, než je nechat samostatně
Snad je názorně vidět, že čím jsou vodiče dál od sebe, tím jejich pole zasahuje do větší vzdálenosti. Když už jsou na dotek izolací u sebe, zdálo by se, že další zlepšení není možné. Je možné. Zkroucením svazku se dál pole podstatně omezí na nejbližší okolí vodičů.
Poznámka: Každý z obrázků představuje asi 600 000 000 výpočtů intenzity pole provedených během 3 hodin na PC