Rede doméstica de 5 V

Estou planejando adicionar vários dispositivos de IoT em minha casa e estou procurando uma solução elegante para alimentar todos eles. Todos eles precisarão de 5 V, um pequeno número deles (câmeras) consumiria até 2 amperes, enquanto a maioria consumiria menos de 500 mA.

Estou pensando em executar uma linha separada de 5 V, através da casa, com cabo 10 AWG (para reduzir a queda de tensão) e um transformador de 120 V - 5 V, 20 amperes em cada andar. Eu adicionaria algum tipo de conector, cada um com alguns metros, para poder conectar-me à linha facilmente no futuro.

O principal objetivo de tudo isso é manter minhas tomadas elétricas livres, salvar todos os transformadores únicos que preciso e permitir que eu estenda minha rede IoT no futuro, sem usar nenhuma tomada extra / cabos suspensos desnecessários. Essa é uma solução viável ou existe uma maneira mais eficiente de alcançar meu objetivo?

Estou pensando em se seria melhor usar um transformador de 120 V - 12 V, para compensar qualquer queda de tensão e adicionar conversores de buck / reguladores lineares em cada dispositivo, mas gostaria de economizar o hardware extra, se for viável.

1. Uma rede de 5VDC pode ser "uma má ideia".
2. Uma rede de voltagem um pouco maior com reguladores locais deve ser um pouco melhor, mas acrescenta complexidade eletrônica.
3. A fonte de alimentação de 5V local com um sistema de distribuição de curta distância pode ser melhor no geral.

O cabo de calibre 12 tem uma resistência de ~ = 1,6 Ohms por 1000 pés ou por 500 "pés em loop".
Assim, você obtém uma queda de 1,6V por amp para 500 pés de loop ou cerca de 3 mV por loop de pés por amp.

Opção 1:

Uma corrida de 5V, digamos 100 pés a 10 A, cairá 3 mV x 100 x 10 = 3V.
Obviamente isso é demais em 5V.
Você PODE decidir que 5A máx é OK - ou que a corrente média é metade do máximo se distribuída ecenemente, e um comprimento máximo de 50 pés pode ser aceitável.
Mas, fazer compromissos ainda lhe dará quedas na faixa de 0,5 - 1,5 V.
Algumas câmeras no extremo oposto podem "estragar o seu dia".

Sua rede precisa ser "burra" e capaz de fornecer energia máxima a 5 VCC ou inteligente e apenas fornecer energia por negociação. Em 10A, são 5V x 10A = 50 W e provavelmente o dobro disso para permitir queda e fusão e .... 50 - 100W é suficiente para iniciar um incêndio com um pouco de criatividade. Murphy tem muita criatividade. Não é fatalmente defeituoso, mas é necessário cuidado. Esta é uma corrente mais baixa e uma voltagem mais baixa do que os circuitos CA da rede elétrica fornecem - portanto, se você tomar tanto cuidado com a sua rede CC quanto a rede CA, pode estar OK - observando a necessidade de interruptores capazes de lidar bem com a CC na corrente nominal (CC sendo substancialmente mais difícil que a CA).

Opção 2:

A distribuição em, digamos, 8VDC ou superior (10-12VDC melhor) (ou você pode usar AC) permitirá que não haja problemas de queda de tensão. Se você usar reguladores locais lineares, perderá a eficácia com o aumento da tensão de alimentação. Se 8VDC é "apenas o suficiente", você está perdendo (8-5) / 8 ~ = 40% de sua potência. E mais uma vez com mais voltagem. E você adicionou complexidade e custo e um sistema fora do padrão.

Se você usar conversores locais no modo de comutação, a eficiência será relativamente constante com a tensão de alimentação e as perdas na fiação caem à medida que a tensão aumenta devido às perdas resistivas serem proporcionais à corrente ao quadrado. Mas os conversores acrescentam complexidade e custo. POE (power over ethernet) é uma versão disso - e o custo por conversor pode ser substancial para equipamentos prontos para uso, e comparado ao uso de suprimentos comerciais alimentados por rede elétrica.

Opção 3:

Uma única tomada por local permite que você opere uma fonte de alimentação local de 5v OU um painel de alimentação CA com uma coleção de packpacks.
Na mesa onde estou digitando isso, tenho discos rígidos USB de 18 x 12V em uma prateleira. Eu considerei o uso de uma fonte de 20A mais 12V, cabos personalizados (soquete e cabo padrão do HDD para um sistema de conexão), mas até agora os powerpacks de 18 x 12V 1A, além dos plugues de rede necessários, foram vencidos. A queda de tensão não é um problema; eu tenho uma excelente redundância de fonte de alimentação fornecendo 2 psus de 12V sobressalentes ou emprestando uma fonte de uma fonte menos crítica, se necessário.

Minhas necessidades de suprimento "USB" de 5V são atendidas por vários PCs com soquetes USB, além de alguns dos HDDs terem saídas de 5V alimentadas. E os psus "USB" de 5V estão muito disponíveis, com bom preço (principalmente porque os usados ​​são geralmente confiáveis) e o conector é universal.

E a rede elétrica CA (230 V 50 Hz no meu caso) está disponível em toda a casa ou em qualquer casa ou empresa que eu visito.

Para mim, e provavelmente para você, a opção 3 faz mais sentido.

Usei a alimentação por Ethernet com êxito em vários dispositivos implantados em minha casa.

As vantagens incluem:

• Pode usar qualquer fiação Cat-5 existente que você possa ter
• Qualquer fiação que você colocar pode ser redirecionada mais tarde, se não for necessária.
• Adaptadores prontos para fornecer e receber energia estão disponíveis (normalmente vendidos para sistemas de CFTV).
• Você pode usar para conexões de rede com fio, que geralmente são mais confiáveis ​​que o Wi-Fi

Estou usando PoE "passivo" (4 fios para rede, 4 fios para DC +/-) a 24V, com redução de 5V local na extremidade receptora. O 'injetor' de PoE sai do meu no-break, para que os aparelhos permaneçam energizados por um corte de energia.

Queda de tensão é o assassino

O problema é que a queda de tensão é extremamente aguda em tensões muito baixas, porque as correntes são inerentemente mais altas e a queda de tensão é uma função das correntes (E = IR). É uma função quadrada contra tensão. Isso significa que distribuir 5 V em vez de 12 V é pior por um fator de 5,76. Como um exemplo rápido, para uma corrida de 100 pés (30 m) com queda de tensão de 3,6%:

5 volts a 12 amperes (60 W) precisam de 212 kcmil (4/0 AWG)
12 volts a 5 amperes (60 W) precisam de 26 kcmil (6 AWG)

Não "bombardeie o wah"; na verdade, faça o cálculo da queda de tensão

Uma vez, olhei para um projeto solar. Um fio de 15 A a 12-19 V, 14 AWG seria bom. Exceto que ele estava indo 200 '(60 m). Então, ele deu um aumento no tamanho do fio e uma medida extra ou boa, liberou até 10 fios AWG. Obviamente, o sistema falhou completamente e não recarregou as baterias conforme calculado. Ele não conseguia entender. "Bat ah nasceu o wah!" ^†

^{† Tradução: "Mas eu esbarrei (aumentei o tamanho) do fio"}

E você acenou com isso também. Você deu um salto superficial para o # 10 e disse "deve ser o suficiente!" Você realmente precisa entrar na calculadora de queda de tensão e verificar . Isso deve basear-se na corrente real consumida pelas cargas nos fios, não no disjuntor ou na classificação de alimentação. Classificar um ramo longo para 20 A quando ele precisa apenas transportar 2 A é um desperdício.

Fiz cálculos de colisão onde acabou que não precisava da colisão.

Cumpra com o código ... Mas não é tão ruim

Você ainda precisa seguir os códigos elétricos para a instalação que faz parte do edifício. Felizmente, os códigos elétricos são muito relaxados para instalações de baixa tensão e ainda mais relaxados para instalações com <55 W.

O site vizinho diy.stackexchange.com é bom para perguntas de código.

12 V é muito melhor do que você deveria.

Como você viu no cálculo de queda de tensão de 12/5 acima, 12 V funciona mundos melhor. Ainda tem considerações sobre queda de tensão; mas eles são muito reduzidos. Enquanto isso, é altamente versátil, e o sistema pode até ser estendido para ser um sistema de backup completo em casa.

• A iluminação LED de 12 V possui uma variedade enorme e é mais dimerizável e cortável do que a iluminação da rede elétrica
• A maioria dos roteadores e modems da Internet pode ser executada nele
• Algumas TVs podem rodar nele
• As baterias estão prontamente disponíveis por isso barato ou em várias químicas
• A maioria dos controladores de carga solar pode fornecê-lo
• o que significa uma queda de energia, você tem luzes e Netflix
• Algumas campainhas inteligentes podem funcionar com ele.
• Que, com um forno apenas a gás, como um Império, o aquecedor de água a gás e o fogão podem tornar uma casa perfeitamente habitável com a grade baixa ou ausente

Além do mais, passar de 12 V a 5 V não é realmente um problema. É possivelmente o conversor de energia mais vendido em qualquer lugar!

Depende da distância como outros mencionados. Na verdade, operamos uma rede RS485 com um mestre alimentando escravos a 6 metros de distância em uma configuração em estrela.

Poderíamos facilmente rodar com um 5v 3A no mestre, já que os escravos precisavam de apenas 3,3v, que eram gerenciados usando um simples regulador de tensão.

E usamos fios elétricos trançados baratos para reduzir o custo de uma implementação em vários locais.