بسیاری از علاقهمندان به پروژههای DIY (خودت انجام بده) در نهایت به نوعی با سیمکشی الکتریکی سروکار پیدا میکنند. ورود به این حوزه اغلب با یک سؤال اساسی آغاز میشود: گیج سیم چیست و چرا اهمیت دارد؟ گیج سیم (یا ضخامت سیم)، که در آمریکای شمالی معمولاً با استاندارد AWG (American Wire Gauge) اندازهگیری میشود، معیاری برای ضخامت یا بهطور دقیقتر، قطر بخش هادی درون سیم است. قطر یا سطح مقطع هادی اهمیت دارد، زیرا در نهایت تعیینکننده مقدار جریانی است که میتواند بهطور ایمن از طریق سیم منتقل شود.
استاندارد AWG کمی غیرشهودی است، زیرا سیمهای نازکتر شماره AWG بزرگتری دارند، در حالی که برای سیمهای ضخیمتر برعکس است. این یعنی یک سیم ۴ AWG سنگینتر، پهنتر و قادر به حمل مقدار بسیار بیشتری جریان نسبت به همتای ۸ AWG خود است. این نامگذاری گیجدار گیجکننده ریشه در فرآیند تولید سیم در قرن نوزدهم دارد، که در آن یک سیم با قطر استاندارد از طریق مجموعهای از قالبهای بهتدریج کوچکتر کشیده میشد تا به اندازه مورد نظر برسد. هرچه شماره AWG بزرگتر باشد، قطر قالب کوچکتر است، که باعث میشود سیمی که از آن کشیده میشود نازکتر شود.
اندازههای استاندارد سیم AWG میتوانند از بزرگترین سیم ۰۰۰ AWG با قطر ۰.۴۶ اینچ تا چیزی به کوچکی ۳۶ AWG که بهطور تصاعدی کوچکتر با قطر ۰.۰۰۵ اینچ است، متفاوت باشند. این استاندارد فراتر از ۳۶ AWG هم میرود، اما حتی برای کوچکترین پروژههای الکترونیکی، داشتن سیمهایی نازکتر از ۳۲ AWG غیرمعمول است.
چرا باید به اندازههای مختلف سیم اهمیت داد؟
مقاومت الکتریکی یک سیم با سطح مقطع آن افزایش مییابد، در حالی که ظرفیت حمل جریان (یا آمپاسیت) آن به همان میزان کاهش مییابد. در عمل، استفاده از یک کابل با اندازه ناکافی برای تغذیه دستگاهی که جریان زیادی مصرف میکند، باعث گرم شدن بیش از حد سیم و عملکرد نادرست دستگاه به دلیل آمپراژ ناکافی میشود. در موارد شدید، هادی میتواند آنقدر داغ شود که عایق را مشتعل کند و به یک خطر آتشسوزی تبدیل شود.
به همین دلیل است که سیمها برای حمل مقدار معینی از حداکثر جریان رتبهبندی میشوند، که با افزایش شماره AWG کاهش مییابد و با افزایش سطح مقطع افزایش مییابد. برای مثال، یک کابل ۴ AWG برای ۷۰ آمپر رتبهبندی شده است، در حالی که یک کابل ۲۲ AWG تنها میتواند حداکثر ۳ آمپر را بهطور ایمن در دمای ۶۰ درجه سانتیگراد حمل کند. وسایل پرمصرف مانند واحدهای تهویه مطبوع و شارژرهای خودروهای برقی به کابلهای تغذیهای ضخیم (۶ AWG تا ۴ AWG) نیاز دارند تا بارهای الکتریکی بیش از ۳۰ آمپر را بدون گرم شدن بیش از حد تحمل کنند.
در حالی که یک کابل ۴ AWG ظرفیت کافی برای مدیریت تقریباً همهچیز را دارد، هدر دادن مس همچنان بهطور قابلتوجهی گران است. از آنجا که کابلهای بیش از حد بزرگ احتمالاً در مجراها و پانلهای الکتریکی جا نمیشوند، اندازهگیری کارآمد سیمها در کاربردهای خودروسازی و هوافضا که هر گرم و میلیمتر اهمیت دارد، ضروری است. در عین حال، کابلهای الکتریکی نازکتر نه تنها انعطافپذیر هستند، بلکه فضای کافی برای بهبود جریان هوا نیز فراهم میکنند.
یک مهندس خوب بار الکتریکی یک سیستم را محاسبه میکند و از آن دادهها برای انتخاب سیمهای الکتریکی با ضخامت مناسب برای تغذیه ایمن سیستم استفاده میکند.
چگونه سیمهای الکتریکی را بهینه اندازهگیری کنیم
اندازهگیری دقیق سیمهای الکتریکی موضوع مهمی است وقتی سعی دارید تعادل کاملی بین استفاده کارآمد از مس در یک سر طیف و یک آتشسوزی الکتریکی خطرناک در سر دیگر پیدا کنید. خوشبختانه، ریاضیات زیربنایی انتخاب گیج سیم ساده است و تنها به جمع کردن کل بار الکتریکی برای محاسبه جریان کل مورد انتظار برای حمل توسط سیم نیاز دارد.
برای مثال، اندازهگیری کابلی که به مدار آشپزخانه برق میرساند، نیازمند محاسبه حداکثر توان مصرفی جمعی تمام وسایل آشپزخانه در مدار است. همین منطق برای کاربردهای DC کوچکتر اعمال میشود، جایی که تعیین گیج کابل باتری به محاسبه حداکثر توان مصرفی جمعی موتورهای تغذیهکننده بستگی دارد.
مرحله بعدی شامل محاسبه حداکثر جریانی است که انتظار میرود از طریق سیمی که در نظر گرفته شده جریان یابد. این کار با تقسیم توان کل محاسبهشده بر ولتاژ مدار انجام میشود.
با این حال، کار ما با انتخاب گیج سیمی که برای حداکثر نیاز جریان شما رتبهبندی شده پایان نمییابد. در دنیای واقعی، عوامل مختلفی از خواص مواد خود سیم تا متغیرهای محیطی که توسط نوع کاربرد تعیین میشوند، اندازه و انتخاب کابل را دیکته میکنند. بیایید نگاهی دقیقتر به نحوه عملکرد این موضوع بیندازیم.
چگونه گیج سیم بر افت ولتاژ تأثیر میگذارد
تجهیزات متصل به کابلهای الکتریکی انتظار دارند که ولتاژ در محدوده مشخصی تأمین شود. کمبود یا فراتر رفتن از این محدوده ولتاژ باریک به عواقب ناخوشایندی منجر میشود. اشتباهات در انتخاب کابل اغلب به افت ولتاژ منجر میشوند، که میتوانند مشکلاتی از نور کمرنگ و هیترهای با عملکرد ضعیف تا خرابی الکترونیکها و سوختن موتورها ایجاد کنند. به همین دلیل است که نهادهای مهندسی مانند IEEE حداکثر آستانه افت ولتاژ را ۲.۵ درصد ولتاژ تأمین در هر نقطه از مدار تعیین کردهاند.
دانستن عواملی که باعث افت ولتاژ میشوند، کلید یافتن راههایی برای ماندن در آستانه افت ولتاژ ایمن است. هدایت الکتریکی ماده استفادهشده در کابل عامل کلیدی است که افت ولتاژ را تعیین میکند. هدایت بالاتر سیمهای مسی به آنها اجازه میدهد در مقایسه با همتایان آلومینیومی خود افت ولتاژ کمتری را تجربه کنند.
با این حال، این رویکرد برای اهداف عملی بیمعنی است، زیرا اکثر مدارهای الکترونیکی و مدارهای الکتریکی مسکونی و تجاری از سیمهای مسی استفاده میکنند. وقتی ماده سیم ثابت میماند، افزایش سطح مقطع یکی از راههای کاهش افت ولتاژ است. کاهش مقاومت الکتریکی ناشی از سیم با گیج بزرگتر همچنین شدت افت ولتاژ تجربهشده توسط بارهای متصل را کاهش میدهد.
طول کل مسیر کابل عامل کلیدی دیگری است که بر مقاومت و در نتیجه افت ولتاژ تأثیر میگذارد. بهینهسازی مدار الکتریکی برای به حداقل رساندن مسیرهای سیم، دستیابی به اهداف افت ولتاژ را آسان میکند. تصمیمگیری در مورد اینکه آیا گیج سیم را افزایش دهید و/یا طول کابل را کاهش دهید (و به چه میزان) بهتر است با کمک یک ماشینحساب افت ولتاژ انجام شود.
کاهش رتبهبندی (Deratings) چیست و چگونه بر انتخاب گیج سیم تأثیر میگذارد؟
انتخاب گیج سیم مناسب با محاسبه افت ولتاژ و پارامترهای آمپاسیت پایان نمییابد. عوامل محیطی مختلفی که توسط نوع کاربرد تعیین میشوند، اغلب نیازمند تغییرات اساسی در نوع و ضخامت سیمهای مورد نیاز برای اطمینان از تحویل ایمن توان هستند. کاهش رتبهبندیهای دمایی اغلب برای کاربردهای الکتریکی اعمال میشود، مانند کابلهای الکتریکی که از اتاق زیرشیروانی عبور میکنند یا در محفظه موتور قرار دارند، زیرا ظرفیت حمل جریان سیمها با افزایش دمای محیط کاری کاهش مییابد.
عکس این موضوع نیز صادق است. ماشینحسابهای آنلاین رایگان با وارد کردن پارامترهای مرتبط مانند رتبهبندی دمای عایق، دمای محیط کاری و تعداد رشتههای درون سیم، محاسبه آمپاسیت مؤثر را آسان میکنند.
محدودیتهای فضایی در بستهبندی هادیها درون یک مجرا نیز به کاهش آمپاسیت کمک میکند. NEC توصیه میکند که بیش از سه هادی حملکننده جریان از یک مجرا، کابل یا دفن در زمین عبور نکنند. فراتر رفتن از این تعداد، کابلها را به ۸۰ درصد از آمپاسیت نامی خود برای بستههای چهار تا شش هادی محدود میکند، و بستههای ۷ تا ۹ هادی ۱۰ درصد کاهش اضافی متحمل میشوند. بنابراین، انتخاب گیج کابل شما باید با این کاهشهای محیطی تعدیل شود، با افزودن ۲۰ تا ۳۰ درصد فضای اضافی برای ایمنی و گسترش آینده.
