Als u wel eens tijd hebt doorgebracht in een schakelkast in een fabriek, is het u wellicht opgevallen dat 24 volt gelijkstroom (DC) wordt gebruikt voor het aansturen van relais, contactoren en andere automatiseringsapparaten. De automatiseringsindustrie gebruikt deze 24 VDC als standaard voor laagspanningsvoeding en signalering, maar waarom juist die spanning, en waarom gelijkstroom? Wat maakt 24 VDC zo bijzonder dat het voor zoveel verschillende toepassingen gebruikt kan worden?In dit artikel onderzoeken we de verschillende redenen waarom we 24 VDC gebruiken en vergelijken we deze standaard met andere spanningen die we in ons bedieningspaneel kunnen aantreffen.Veiligheid in de schakelkastNiet alleen de operators, maar ook de apparaten in de schakelkast moeten veilig zijn. Een manier om deze apparaten veilig te maken, is door ze te laten werken met een extra-laagspanningsbereik (ELV). Een ELV is een spanning lager dan 120 VDC en lager dan 50 VAC. Spanningen binnen dit bereik worden als minder waarschijnlijk beschouwd om een elektrische schok te veroorzaken als iemand per ongeluk het circuit onderbreekt. De classificatie van extra-laagspanning is vastgelegd in IEC 60038 en de Britse IET-norm.Dit is dan ook de eerste reden om voor 24 VDC te kiezen: het zorgt voor een veiligere werkomgeving.SpanningsvalAls je ooit een les over elektrotechniek op school hebt gevolgd of online video's hebt bekeken, heb je waarschijnlijk wel eens iets geleerd over de wet van Ohm, die de relatie tussen spanning, stroomsterkte en weerstand beschrijft. Een spanningsval is de hoeveelheid spanning die verloren gaat doordat er stroom door een weerstand loopt, en een veelvoorkomende bron van weerstand is de lengte van de kabel zelf. Hoe langer de kabel, hoe groter de weerstand in het circuit, en dus hoe hoger de spanningsval.Om de kabelweerstand te verlagen, zouden we de doorsnede van de kabel moeten vergroten (in feite een kabel met een grotere diameter gebruiken), maar dit is kostbaar en niet praktisch in situaties met veel buiging.Een alternatief is om de spanning te verhogen. Dit verlaagt de stroom die de belasting nodig heeft (bewezen door de wet van Watt, die het verband tussen spanning, stroom en vermogen verklaart) en verlaagt daardoor de spanningsval (bewezen door de wet van Ohm).Uit onderzoek is gebleken dat 24 volt de ideale spanning is voor relatief lange kabeltrajecten, zonder dat er dikke draden nodig zijn.Lawaaierige omgevingenMet lawaaierige industriële omgevingen wordt niet zozeer hoorbaar lawaai bedoeld, maar elektrisch lawaai.Alle apparatuur met frequentieomvormers, servoaandrijvingen of grote contactoren genereert aanzienlijke elektrische ruis of elektromagnetische interferentie (EMI) in het elektrische systeem. Als de stuurspanning laag is, bijvoorbeeld 5 VDC, kan deze elektrische ruis ertoe leiden dat ontvangende apparaten de ruis interpreteren als een triggersignaal.Met 24 volt als stuurspanning is de kans kleiner dat de elektrische ruis een amplitude bereikt die hoog genoeg is om een stuursignaal na te bootsen.Men zou zich dan kunnen afvragen: "Waarom de stuurspanning niet nog hoger maken, waardoor deze nog minder gevoelig zou zijn voor ruis en spanningsval?" Dat klopt, maar naarmate je het onveilige (niet-ELV) niveau van 120 VDC nadert, loop je het risico op een elektrische schok.Een 24 VDC-voeding aangesloten op een relaiskaart. Afbeelding met dank aan Unsplash.Waarom Washington D.C.?In een elektrisch systeem bestaan twee soorten spanning: wisselstroom (AC) en gelijkstroom (DC).In een wisselstroomsysteem wisselt de stroomrichting tussen positief en negatief, terwijl gelijkstroom slechts in één richting stroomt, van positief naar negatief (conventioneel). Het is de wisselende frequentie van de wisselspanning die het gevaarlijk maakt als iemand een elektrische schok krijgt. Wisselspanning kan spierspasmen veroorzaken of het hartritme verstoren, zelfs bij lagere spanningen.Een ander probleem met wisselspanning is dat de meeste moderne regelapparaten (PLC's, frequentieomvormers, enz.) werken met halfgeleiders, die alleen op gelijkspanning werken. Als de stroomvoorziening van de schakelkast wisselspanning is, moet elk van deze regelapparaten een AC-DC-omvormer bevatten, wat de kosten verhoogt. In plaats daarvan wordt de DC-conversie slechts één keer uitgevoerd, wat alle halfgeleiders ten goede komt.Om veiligheidsredenen en vanwege de efficiëntie van het ontwerp is gelijkspanning (DC) gekozen als de industriestandaard voor laagspanningsbesturing en -signalering.Wanneer airconditioning te gebruikenHoewel gelijkspanning (DC) een standaardspanning is, wil dat niet zeggen dat er geen plaats is voor wisselspanning (AC).Grote lastapparatenIn sommige situaties, waarbij een grote belasting moet worden aangestuurd, zou 24 VDC te veel stroom trekken. Daarom is een andere stuurspanning nodig. Sommige grote motorschakelaars gebruiken om die reden 120 of zelfs 220 VAC. Deze spanning is al beschikbaar in de motorregelkast, dus het is logisch om deze te gebruiken voor deze grotere besturingen.Ruimte- en kostenbesparingEen andere reden om een wisselstroomstuurspanning te gebruiken, is wanneer er simpelweg niet genoeg ruimte in de schakelkast is voor een voeding. De netspanning moet worden omgezet naar 24 V gelijkstroom, en als er fysiek geen ruimte is voor de voeding, moet u mogelijk een wisselstroomschakelaar overwegen. Bovendien, als er geen regelcomponenten zijn die gelijkstroom nodig hebben, kan het goedkoper zijn om de voeding weg te laten en gebruik te maken van wisselstroomrelais en -solenoïden.StandaardisatieNet als bij software of programmeertalen is standaardisatie de sleutel tot succes. De elektrotechnische industrie heeft 24 VDC als standaard voor de stuurspanning vastgesteld. Dit betekent dat je een PLC van een Chinees bedrijf en een I/O-blok van een Braziliaans bedrijf kunt kopen, en dat beide op 24 VDC werken.Door te standaardiseren besparen ontwerpers en ingenieurs tijd, omdat ze niet hoeven te zoeken naar verschillende voedingen of te controleren of ze de juiste spanning gebruiken.Het meten van de elektrische spanning over contactoren in een schakelkast. Afbeelding met dank aan Unsplash.Spanning: niet zomaar een willekeurig getalZoals u ziet, zijn er veel redenen waarom we 24 volt gebruiken voor signalering en aansturing van apparaten. 24 VDC is veilig om mee te werken, betrouwbaar in lawaaierige omgevingen en geschikt voor gebruik over lange afstanden.Hoewel er situaties zijn waarin u wisselspanning nodig hebt, is het gebruik van een stuurspanning, zoals 24 V gelijkstroom, meestal de voorkeursmethode. Zoals altijd geldt: lees bij het werken met elektrische componenten de documentatie en zorg dat u weet welke voedingsspanning uw apparaten vereisen.
