Perusluokan palsta 2015-19/Virtaliittimet

Tämä sivu on osa Tomi Helpiön Perusluokan palsta 2015–19 -kirjaa, johon on uudelleentoimitettu Radioamatööri-lehdessä vuosina 2015–2019 julkaistut Perusluokan palsta -juttusarjan artikkelit.

Radioamatööriaseman virtaliittimet

Verkkoliittimet

Kuva 1. Yleisimmät verkkojohdot.

Kiinteällä radioamatööriasemalla on yleensä useita sähköverkkoon kytkettyjä laitteita. Kuvassa 1 on esitetty yleisimmät välijohdot laitteiden asianmukaiseen liittämiseen sähköverkkoon. Etummaisena on tavanomainen suojamaadoitetun laitteen kytkentään tarkoitettu välijohto. Sen yhdessä päässä on ”Suko”-pistotulppa ja toisessa päässä laitteeseen tarkoitettu maadoituskoskettimellinen liitin. Laitteessa on vastaavasti siihen sopiva verkkoliitin (kuva 2). Tällaisen runkoliittimen etuna on, että johtoon kohdistuessa riittävä veto se yksinkertaisesti irtoaa laitteesta, eikä verkkojohdon liitokseen kohdistu liiallista rasitusta. Runkoliittimen yhteydessä on usein myös laitteen verkkosulake. Verkkojohto voi toki olla laitteessa myös kiinteästi kiinni. Tällöin on huolehdittava siitä, että kiinnityskohdassa verkkojohto on ehjä ja vedonpoisto on kunnossa.

Kuva 2. Suojamaadoitetun sähkölaitteen verkkoliitin. Tässä liittimeen on integroitu myös laitteen verkkosulake. © Werkbild WiMo

Kuvassa 1 takana vasemmalla on suojaeristettyjä laitteita varten tarkoitettu ”Euro”-välijohto. Sen tunnistaa yhdessä päässä olevasta litteästä pistotulpasta, jossa ei ole maadoitusliuskoja. Toisessa päässä on laitteeseen kytkemistä varten kaksinapainen liitin. Laitteessa on vastaava verkkoliitin.

Kuvassa 1 takana oikealla on hieman harvinaisempi välijohto. Sen yhdessä päässä on tavanomainen maadoitettu pistotulppa, mutta toisessa päässä on apilanlehden muotoinen kolminapainen liitin. Tämä on yleinen (kannettavien) tietokoneiden verkkolaitteissa, ja siksi siihen voi törmätä.

Tässä liittimet on kiinteästi kiinnitetty välijohtoihin, mutta ne voivat olla myös irrallisia, jolloin käyttäjä voi itse valmistaa tarvitsemansa verkkojohdon. Tällöin liitännät on tietenkin tehtävä niin, että ne ovat sähköturvallisia. Esimerkiksi maadoitetun ”Suko”-pistotulpan käyttäminen on ”lupaus” siitä, että siihen kytketty laite tai jatkojohto todella on suojamaadoitettu.

Edellä olevien liitinten virrankesto on vähintään 10 A, mutta välijohdoissa käytettävä kaapeli määrää yleensä kokonaisuuden virrankeston: jos yksittäiset johtimet ovat poikkipinta-alaltaan 1 mm², on virrankesto 10 A, 0,75 mm²:n johtimilla taas 6 A. Yleensä laitteet ovat virrankulutukseltaan tätä huomattavasti pienempiä, mutta esimerkiksi siirrettävän sähkölämmittimen kohdalla tämä täytyy ottaa huomioon. Kun olin vielä tutkijana, laboratorioon ilmaantui kerran omituinen käryävän kumin haju. Kun syytä ruvettiin etsimään, osoittautui, että joku oli epähuomiossa kytkenyt kaksi käyttämäämme 1000 W:n halogeenivalonheitintä avaamattomaan kaapelikelaan, jolla oli kymmeniä metrejä kumipäällysteistä kaapelia. Kaapelikela oli tulikuuma ja olisi varmaan pian syttynyt palamaan, jollei virtaa olisi katkaistu. Verkkojohtojen lämpeneminen on siis syytä ottaa huomioon, jottei vaaratilanteita pääse syntymään.

Tasavirtaliittimet

Yleensä aseman laitteiden käyttöjännite on 13,8 VDC (12…15 V). Tätä varten asemalla on yksi tai useampia virtalähteitä, joiden ulostuloliittimet ovat yleensä kuvan 3 kaltaisia naparuuveja eli 4 mm:n banaanirunkoliittimiä. Näihin johtimen voi kiinnittää banaanipistokkeilla (kuva 4) tai haarukkaliittimillä (kuva 5). Voi johtimen kyllä puristaa ruuvin alle sellaisenaankin; tätä helpottamaan on liittimen ulkokierreosassa usein sen läpi menevä reikä. Pysyvin kiinnitys syntyy, jos käyttää silmukkaliittimiä (kuva 6). Usein (mutta ei aina) naparuuvin sisäkierreosa (musta tai punainen) on tätä varten irrotettavissa. Silmukkaliittimen käyttäminen laitteiden maadoitusjohdoissa on myös suositeltavaa.

Kuvassa 7 on esitetty yleisimpiä tasavirtajohtoja. Takana vasemmalla on haarukkaliittimillä varustettu HF-transceiverin virtajohto, jonka toisessa päässä olevan liittimen lähikuva on kuvassa 8. Kuvassa 7 takana oikealla on virtajohto, jonka yhdessä päässä on banaanipistokkeet ja toisessa pyöreä DC-pistoke. Näitä pistokkeita on montaa eri kokoa, mutta radioamatöörisovelluksissa ehdottomasti yleisimmän ulkohalkaisija on 5,5 mm ja sisähalkaisija 2,1 mm (kuva 9). Yleensä plusnapa on liittimen sisä- (keski-)pinta ja vastaavasti sen ulkopinta on miinusnapa. Tämä voi kuitenkin olla myös päinvastoin. Tarkista siis aina napaisuus! Kuvassa 7 etummaisena on turvabanaanipistokkeilla varustetut laboratoriojohdot. Niitä voi myös käyttää virtasovelluksissa esimerkiksi jatkojohtoina. Ne eivät jännitteisinäkään aiheuta tahatonta oikosulkua. Tavanomainen naparuuvi ei tosin sovellu niille. Toiseen päähän voi tämän vuoksi vaihtaa esimerkiksi haarukkaliittimen.

• 

  Kuva 3. Virtalähteen ulostulossa yleisiin naparuuveihin voi johtimen kiinnittää 4 mm:n banaanipistokkeella, haarukkaliittimellä, silmukkaliittimellä tai sellaisenaan paljaana. © Werkbild WiMo

• 

  Kuva 4. 4 mm:n banaanipistokkeet ovat yleisiä laboratorio- ja mittauskäytössä, mutta myös virtapistokkeina ne ovat laajassa käytössä. © Werkbild WiMo

• 

  Kuva 5. Haarukkaliittimen saa kiinnitettyä naparuuviin luotettavasti. © Werkbild WiMo

• 

  Kuva 6. Silmukkaliitin on vielä haarukkaliitintäkin luotettavampi. Kaikkiin naparuuveihin sitä ei kuitenkaan saa kiinnitettyä. Maadoitusjohtimen liittimenä se on suositeltava, koska se ei vahingossa pääse luiskahtamaan maadoitusruuvin alta pois. © Werkbild WiMo

• 

  Kuva 7. Yleisimpiä virtajohtoja. Takana vasemmalla on HF-transceiverin virtajohto ja takana oikealla aseman oheislaitteen virtajohto. Molemmat johdot on varustettu sulakkeilla. Etualalla on turvabanaanipistokkeilla varustetut laboratoriojohdot.

• 

  Kuva 8. Kaikissa yleisimmissä HF-transceivereissä on tällainen tai samantapainen virtaliitin. © Werkbild WiMo

• 

  Kuva 9. Holkkimaisia DC-liittimiä on eri sovelluksia varten montaa eri kokoa.

Ajoneuvoliittimet

Kuva 10. ”Savukkeensytytin”-pistoke autokäyttöön. Nykyautoissa ei välttämättä ole enää tuhkakuppiakaan, mutta tähän pistokkeeseen sopivia virtaulosottoja sen sijaan on usein useampia kuin yksi. © Werkbild WiMo

Autoissa käytetään yleisesti +12 V:n käyttöjännitteen jakoon ”savukkeensytytin”-liitäntöjä, joihin sopii kuvan 10 mukainen pistoke. Tällaisen pistokkeen virrankesto on usein 8 A, mutta liitännän sulakkeen koko määrää yleensä käytettävissä olevan virran. Lähettimen, varsinkin 100 W:n HF-transceiverin, virtajohto täytyy kumminkin kytkeä suoraan auton akkuun ja varustaa omilla sulakkeillaan.

Kuva 11. Lajitelma ”ABIKO”-liittimiä sekä niiden puristamiseen tarkoitetut pihdit.

Kuvassa 11 on lajitelma puristettavia ”ABIKO”-liittimiä sekä niiden puristamiseen tarkoitetut pihdit. Liittimet on värikoodattu niihin kiinnitettävän johtimen poikkipinta-alan mukaan: punainen 0,5…1,5 mm², sininen 1,5…2,5 mm² ja keltainen 4…6 mm². Johtimen koko määrää maksimivirran.

Anderson Powerpole

Anderson Powerpole-liitin on jo vanha keksintö, lähtöisin 1950-luvulta. Yleisemmässä radioamatöörikäytössä se on sen sijaan ollut vasta joitakin vuosia. Erityisesti pelastuspalvelun piirissä USA:ssa siitä on jo tullut virtaliitinten standardi. Tavoitteena on ollut, että kaikki radiolaitteet ja virtalähteet sopisivat yhteen. Powerpole-liittimiä on olemassa raskaaseen käyttöön, aina 350 ampeeriin saakka. Radioamatöörikäyttöön ovat vakiintuneet pienimmät mallit 15, 30 ja 45 A:n maksimivirroille (johdinkoot 0,5…4 mm²). Kaikissa on sama runko, joten ne sopivat keskenään yhteen; vain varsinainen johtimeen kiinnitettävä kosketinosa vaihtuu maksimivirran, ja siis johdinkoon, mukaan.

Kuva 12. Powerpole-virtaliitin ennen kokoamistaan. Edessä olevien varsinaisten kosketinosien koko määräytyy maksimivirran eli johdinkoon mukaan. Johtimiin kiinnitetyt kosketinosat työnnetään taustalla olevien runko-osien sisään, mihin ne lukkiutuvat metallikynsien avulla. © Werkbild WiMo

Kuvassa 12 on Anderson Powerpole-liitin ennen kokoamistaan. Oikeastaan kuvassa on kaksi liitintä, jotka liitetään yhteen liitinrunkojen kyljessä olevien urien ja kohoumien avulla. Liittimiä voi itseasiassa liittää yhteen rajattomasti korkeus- ja leveyssuunnissa eri sovelluksia varten, mutta tasavirtajohdon päässä on tietenkin vain yhdistettynä musta ja punainen liitin. Erivärisiä liitinrunkoja on tosin runsaasti tarjolla.

Powerpole-liittimet ovat korkealaatuisia, ja oikein asennettuina ne muodostavat luotettavan pieniohmisen liitoksen. Ne myös estävät tahattoman virtaliittimen väärinpäin kytkemisen.

Powerpole-runkoliittimen voi kiinnittää virtalähteeseen. Myös radiolaitteisiin voi asentaa Powerpole-runkoliittimen tai käyttää adapterikaapelia, jonka yhdessä päässä on laitteen virtaliitin (esim. kuva 8) ja toisessa päässä Powerpole-liitin (kuva 12). Tehdasasennuksena Powerpole-liitimen käyttäminen virtaliittimenä on vielä harvinaista; sen löytää vain joistakin laitteista (esim. Elecraft K3).

Powerpole-liittimet suositellaan asennettaviksi siihen tarkoitetuilla puristuspihdeillä. Laadukkaat pihdit maksavat, mutta jos liittimiä on paljon asennettavana, niiden hankinta on perusteltua. Pihdit voi hankkia vaikka kerholle kerholaisten käytettäviksi. Liittimen voi kiinnittää johtimeen myös varovasti juottamalla.

Virtajohdoista

100 W:n HF-transceiverin täydellä lähetysteholla ja käyttöjännitteellä 13,8 VDC vaatima virta on 20 A tai jopa hieman tätä suurempi. Tällainen virta edellyttää vähintään 2 x 2,5 mm²:n virtajohdon käyttämistä; 2 x 4 mm² ei myöskään ole liioittelua. Mitä ohuempi johto, sitä suurempi jännitehäviö johdossa, ja sitä enemmän haihtuu tehoa ilmaan.

Johtimen resistanssi saadaan kaavasta $R=\rho {\frac {L}{A}}$, missä $\rho$ on materiaalin ominaisresistanssi (kuparilla $0,0168\cdot 10^{-6}\,\mathrm {\Omega m}$ 20 °C:n lämpötilassa), $L$ johtimen pituus ja $A$ sen poikkipinta-ala. 2 metrin pituisen 2,5 mm²:n johtimen resistanssi on näin $R=0,0168\cdot {\frac {10^{-6}\,\mathrm {\Omega m} \cdot 2\,\mathrm {m} }{2,5\cdot 10^{-6}\,\mathrm {m^{2}} }}=13,4\,\mathrm {m\Omega }$. Ohmin lain mukaan jännitehäviö johtimessa 20 A:n virralla on $U=R\cdot I=(13,4\cdot 20)\,\mathrm {mV} =268\,\mathrm {mV}$. Tämä vielä kerrotaan kahdella, koska virtajohdossahan on kaksi johdinta. Kokonaisjännitehäviö on siis 536 mV. Jos virtalähteen jännite on 13,8 V, putoaa sen jännite virtajohdossa näin 13,8 – 0,536 = 13,3 volttiin.

Jos virtajohtona jostakin syystä käytetään 0,75 mm²:n johtoa, on yhden johtimen resistanssi nyt $R=0,0168\cdot {\frac {10^{-6}\,\mathrm {\Omega m} \cdot 2\,\mathrm {m} }{0,75\cdot 10{-6}\,\mathrm {m^{2}} }}=44,8\,\mathrm {m\Omega }$ ja jännitehäviö johdossa $U=(2\cdot 44,8\cdot 20)\,\mathrm {mV} =1,8\,\mathrm {V}$. Virtalähteen jännite 13,8 V putoaa näin johdossa $13,8-1,8=12$ volttiin. On siis selvä, että virtajohtimen poikkipinta-ala on nyt liian pieni.

Liitosten laatu

Myös liitosten teon, siis liittimien asennuksen, yhteydessä on otettava huomioon mahdollisen jännite- eli tehohäviön vaikutus. Liitoksen on oltava ajan mittaan luotettava ja sen on käytettävä hyväksi johtimen koko pinta-alaa. Erityisesti ulko- tai mobilesovelluksissa saattaa liitoksen hapettuminen johtaa ylimenovastuksen syntymiseen.

Jos hapettuneen liitoksen ylimenovastus on vain 0,1 Ω, johtaa se kuitenkin 20 A:n virralla häviötehoon $P=I^{2}R=(20\cdot 20\cdot 0,1)\,\mathrm {W} =40\,\mathrm {W}$. Tällainen teho saattaa johtaa liitoksen ylikuumenemiseen ja jopa eristemateriaalien syttymiseen.

Vastaavasti mekaanisesti huono, esimerkiksi löystynyt, liitos saattaa olla yhteydessä vain osaan johtimen poikkipinta-alasta. Tällöin esimerkiksi 2,5 mm²:n johtimesta saattaa vain 0,25 mm² olla kosketuksissa liittimeen. Koko 20 A:n virta kulkee siis liittimessä vain muutaman kuparisäikeen kautta. Tämä johtaa liittimen kuumenemiseen. Mitattaessa liitosta yleismittarilla näyttää mittari kuitenkin arvoa 0,0 Ω eli kaikki kunnossa. Tällaisen vian havaitseekin parhaiten tunnustelemalla käytön aikana eri liitosten lämpötiloja kädellä.