Kabel-Labor

Wieviel Leistung bleibt im Heizbett- oder Hotend-Kabel stecken? Wir haben nachgemessen.

Dazu lassen wir Ströme bis 20A durch drei verschiedene Heizbett- oder Hotend-Heizungsleitungen fließen und messen, wieviel Spannung auf der Leitung abfällt.

Der Aufbau

Links oben: Das Lambda-Netzteil zeigt links die Spannung (12.00V) und rechts den Strom (9.98A) an. Der Strom fließt von hinten durch die dickeren roten und schwarzen Strippen zum Startpunkt der auszumessenden Heaterleitung. Das Netzteil misst die zu regelnde Spannung mit dem zweiten Paar dünner Strippen direkt am Startpunkt. Damit spielen die Leitungsverluste auf der Zuleitung keine Rolle. Das Netzteil stellt hinten eine höhere Spannung so ein, dass vorne noch genau 12V ankommen.

Links unten: Das HP-Voltmeter zeigt zur Kontrolle die Spannung am Startpunkt (12.00166V). Dazu sind die vergoldeten Klemmenstecker direkt ins Voltmeter gesteckt.

Rechts oben: Die Array-Last simuliert das Heatbed oder den Hotend-Heater. Sie ist so konfiguriert, dass sie für einen konstanten Strom (constant current = CC, hier 10A) sorgt. Sie zeigt auch den Strom, der tatsächlich fließt (9.97A). Das ist in guter Übereinstimmung mit dem Lamda-Netzteil (9.98A).

Rechts unten: Das Siglent-Multimeter misst die Spannung (11,0910V) am Ende der auszumessenden Heaterleitung.

Im Vordergrund: Die auszumessende Leitung: Genau 1 Meter der bei China-Druckern typischen Leitung mit gewachster Gewebeisolierung.

Dabei gehört rechts der Übergangswiderstand von den vergoldeten Klemmbananen in die Bananenbuchsen der Messleitung zum Voltmeter noch mit zur gemessenen Strecke, da der gemessene Strom hier ja auch noch für einen Spannungsabfall sorgt. Damit messen wir im Bild also 1 Meter „Wachskabel“ plus eine – recht gute – Steckverbindung. Das repräsentiert die Situation im 3D-Drucker recht gut, weil dort häufig auch eine Steckverbindung existiert.

Ohne Strom

Solange kein Strom fließt, liegt die Spannung von 12V an Start- und Zielpunkt an, völlig unabhängig davon, wie dick das Kabel ist.

Die Voltmeter zeigen auf weniger als ein Millivolt genau die gleiche Spannung an.

Ergebnis mit dünnem Wachskabel

Die Messung bei 10A zeigt das Titelbild (hier nochmal):

Bei einem Strom von  9.98A, und der fließt schon beim 120W-Heatbed eines Ender 2, kommen von den 12V also nur 11,091V am Heizbett an. 12,00V – 11,09V = 0,91V fallen auf der Strippe ab. Das ist eine Leistung von P = U x I = 0,91V x 9,98A = 9,08W. 9 Watt von 120 Watt oder 8% der Leistung werden also vom Kabel verheizt, bevor sie am Heatbed ankommt.

Ergebnis mit dickem Silikonkabel

Mit 12 AWG, das sind knapp 4mm² Querschnitt, ist die auch häufiger für 3D-Drucker angebotene silikonisolierte Strippe schon deutlich dicker.

Wenig überraschend fällt der Spannungsabfall hier entsprechend kleiner aus.

Nun fallen nur noch 12,00V – 11,83V = 0,17V auf der Strippe ab. Das sind 1,7W oder 1,4% der Gesamt-Leistung und nur noch 1/6 der Verluste des Wachskabels.

Ergebnis mit Kombination

Am Heatbed lässt sich so ein dickes Kabel nicht immer direkt anlöten, am Hotend-Heater geht das nie. Hier muss man also ein Stück Wachsstrippe stehen lassen. Ich verbinde die lange Leitung dann gerne mit einer Lüsterklemme.

Das dritte Testkabel sind also 90 cm Silikonkabel und 10 cm Wachskabel, durch eine 4mm²-Lüsterklemme verbunden. Die Litzen sind mit passenden Aderendhülsen vercrimpt.

Die spannende Frage: Verbrutzelt die Lüsterklemme den Vorteil der 90cm dickeren Kabels wieder?

Nein. Es fallen 12,00V – 11,74V = 0,26V auf der Strippe ab. Das sind 2,6W oder 2,2% der Gesamt-Leistung und immer noch nur 1/4 der Verluste des durchgehenden Wachskabels.

Und was ist mit 24V?

Der Spannungsabfall auf dem Kabel bleibt bei gleichem Strom der gleiche. Er hängt nicht von der Spannung ab.

Da diese elektronische Last die 240 Watt bei 24V und 10A nicht verkraften würde, hier zur Plausibilisierung die Messung mit 5V und 10A:

Es fallen genau gerechnet 5,0026V – 4,7466V = 0,2560V auf der Strippe ab, bei 12V waren es 12,0005V – 11,7420V = 0,2585 V, also im Rahmen der Messgenauigkeit das Gleiche.

Für 24V gilt bei gleichem Strom das Gleiche. Der Spannungsabfall bleibt konstant.

Aber bei gleicher Leistung flösse bei doppelter Spannung nur noch der halbe Strom, und damit halbieren sich bei gleicher Leistung auch die Kabelverluste bei 24V gegenüber 12V.

Und was ist bei noch höheren Strömen?

Bei doppeltem Strom verdoppelt sich grundsätzlich auch der Spannungsabfall.

Bei 20A auf dem Kombi-Kabel fallen 5,00V – 4,48V = 0,52V ab, also wie erwaret das doppelte der 0,26V bei 10A.

Während dieser kurzen Messung wurde das dünne Wachskabel schon mehr als handwarm. Wer also mit Niedervolt große Heizleistungen anstrebt, muss sich um durchgehend dicke Kabel kümmern. Der Einsatz von 24V statt 12V halbiert dabei die Ströme und damit die Kabelverluste.