Proud, napětí a výkon zátěže¶
Před připojením topidla, ventilátoru, LED pásu, servopohonu nebo jiného modulu musíte pochopit tři věci:
- napětí;
- proud;
- výkon.
Bez toho je snadné koupit nesprávný zdroj napětí, přehřát drát, rozpustit konektor, spálit modul MOSFET nebo připojit zátěž k řídícímu prvku tak, aby fungoval nestabilně.
Kde najít parametry¶
Napětí, proud a výkon se obvykle nacházejí:
- na pouzdru součástky;
- na štítku zdroje napětí;
- na stránce produktu;
- v technické specifikaci;
- v manuálu;
- ve schématu desky nebo pinoutu.
Pokud parametr není uveden, není to malý problém. Je to důvod pro zastavení a zjištění, co přesně připojujete.
Pro součástky z periferie 3D tiskárny vypadají typické parametry takto:
- ventilátor:
24V 0.2A; - topidlo:
24V 100W; - LED pás:
24V 9.6W/m; - servopohon:
5V, proud závisí na zátěži; - řídící deska: maximální proud pro každý výstup je uveden zvlášť.
Napětí se musí shodovat¶
Zátěž je navržena pro specifické napětí.
Příklady:
- ventilátor může být
5V,12Vnebo24V; - LED pás může být
5V,12Vnebo24V; - servopohon je často hodnocen na
5Vnebo6V; - topidlo může být
12V,24Vnebo110-230V AC.
Pokud připojíte 24V ventilátor na 12V, nemusí se spustit nebo bude pracovat slabě. Pokud připojíte 12V ventilátor na 24V, může rychle selhat.
Hlavní pravidlo:
napětí zdroje napětí se musí shodovat s napětím zátěže.
Nepřipojujte zařízení k vyššímu napětí jen proto, že konektor pasuje fyzicky.
Výkon ukazuje velikost zátěže¶
Výkon ukazuje, kolik energie zátěž spotřebuje nebo převede na práci, teplo, světlo nebo pohyb.
Výkon se měří ve wattech: W.
Příklady:
24V 5W- malá zátěž;24V 24W- přibližně1A;24V 120W- už přibližně5A;24V 240W- přibližně10A.
Topidla obvykle spotřebují hodně energie. Ventilátory spotřebují méně, ale mohou mít vysoký startovní proud. LED pásy mohou být malá zátěž, pokud jsou krátké, nebo vážná zátěž, pokud jsou dlouhé a jasné.
Proud zatěžuje vodiče a prvky výkonu¶
Proud ukazuje, kolik elektrické energie protéká vodiči, svorkami, konektory a prvky výkonu.
Proud často vytváří praktické problémy:
- vodiče se zahřívají;
- svorky ztmavnou;
- konektory se roztaví;
- MOSFET se přehřeje;
- zdroj napětí není dostatečný;
- zařízení se restartuje, když se zátěž zapne;
- pojistka se spálí, ne náhodou, ale kvůli skutečnému přetížení nebo chybě.
Proto není dost znát pouze napětí. Musíte vypočítat proud.
Vzorec pro výpočet¶
Pro většinu jednoduchých výpočtů potřebujete vzorec pro výkon:
Kde:
P- výkon ve wattechW;U- napětí ve voltechV;I- proud v ampérechA.
K zjištění proudu:
Zdroj: Wikimedia Commons, GorillaWarfare, CC0 Public Domain
Tento vzorec není pro zkoušku. Je potřebný k pochopení, zda to zdroj napětí, drát, svorka, modul MOSFET, relé, SSR nebo výstup desky zvládne.
Rychlá tabulka pro 24V¶
V 3D tiskárnách a periférii je 24V běžné. Pro rychlý odhad je užitečné si pamatovat:
| Výkon | Proud na 24V |
|---|---|
12W |
0.5A |
24W |
1A |
48W |
2A |
96W |
4A |
120W |
5A |
240W |
10A |
300W |
12.5A |
Jedná se o přibližné hodnoty, ale pro první volbu zdroje napětí, drátu a výkonového spínače jsou velmi užitečné.
Příklad: topidlo 24V 100W¶
Máte topidlo:
Vypočítejte proud:
To znamená, že následující musí vydržet více než 4.17A:
- zdroj napětí;
- drát;
- svorky;
- konektor;
- MOSFET nebo SSR;
- pojistka a pouzdro pojistky;
- cesty na desce, pokud je topidlo připojeno k desce.
Pokud je zdroj napětí hodnocen na 24V 5A, formálně se přibližuje k zátěži, ale téměř bez rezervy. Pro skutečné zařízení je lépe koupit větší.
Příklad: více zátěží¶
Předpokládejme, že 24V zařízení má:
- topidlo
100W; - ventilátor
24V 0.2A; - LED pás
24V 1A; - další ventilátor
24V 0.15A.
Vypočítejte topidlo:
Sečtěte je:
Minimální zdroj napětí "těsné"] by byl kolem 24V 6A, ale to je špatná volba pro dlouhodobý provoz. S 50% rezervou:
Prakticky byste měli hledat 24V 9A, 24V 10A nebo větší zdroj napětí, pokud to umožňuje pouzdro, chlazení a bezpečnost.
Rezerva je povinná¶
Zdroj napětí, vedení, svorky a výkonové moduly nelze vybrat přesně podle vypočteného proudu.
Pro tento průvodce je jednoduché pravidlo pro hrubý první odhad:
plánujte alespoň 50% rezervu, pokud dokumentace konkrétní součástky nevyžaduje více. Toto není univerzální záruka, ale počáteční odhad. Finální výběr je proveden podle technických specifikací, teploty uvnitř pouzdra, chlazení, deratingu a skutečného topení svorek/vodičů.
Rezerva je potřebná, protože:
- zdroj napětí se zahřívá;
- teplota uvnitř pouzdra může být vyšší než pokojová teplota;
- ventilátory a motory mají startovní proud;
- kontakty stárnou a uvolňují se;
- svorky mají omezení proudu a teploty;
- SSR a MOSFET generují teplo;
- zdroj napětí může mít deration - snížení maximálního výkonu při vysoké teplotě nebo špatné ventilaci.
Průmyslové zdroje napětí mají v technické specifikaci často deratovací křivku — křivku sníženého maximálního výkonu při zvýšení teploty. Deration znamená, že při vysoké teplotě nebo špatné ventilaci výrobce snižuje maximální přípustný výkon. Proto štítek 240W na zdroji napětí vždy neznamená, že bude bezpečně dodávat 240W v uzavřeném horkém pouzdru.
Slabé místo nemusí být zdroj napětí¶
I když je zdroj napětí výkonný, obvod může být slabý jinde.
Musíte zkontrolovat celý obvod:
- výstup zdroje napětí;
- drát;
- svazkový blok;
- konektor;
- pojistka;
- modul MOSFET;
- relé nebo SSR;
- cesty na desce;
- samotná zátěž.
Například zdroj napětí může vydržet 10A, ale malý konektor nebo špatná šroubová svorka se mohou zahřát již při nižším proudu. To je obzvláště důležité pro topidla a LED pásy.
Co je výkonový spínač¶
Výkonový spínač je řízený spínač.
Řídící prvek nepřipojuje těžkou zátěž přímo. Dává slabý řídicí signál a výkonový spínač zapíná nebo vypíná proud zátěže.
Příklady:
- modul MOSFET pro
12V/24Vstejnosměrné zátěže; - relé;
- SSR;
- hotový ovladač zátěže;
- standardní výstup výkonu desky, pokud je hodnocen pro potřebnou zátěž.
Pro topidla, ventilátory, LED pásy a motory se pravidlo téměř vždy použije:
GPIO řídícího prvku nepřipojuje zátěž. GPIO pouze řídí.
Trochu o Ohmově zákonu¶
Ohmův zákon souvisí s napětím, proudem a odporem:
Pro tento článek je důležitá jednoduchá myšlenka: pokud aplikujete napětí na zátěž, proud přes ni bude procházet. Kolik proudu prochází, závisí na samotné zátěži.
Ale ne všechny zátěže se chovají stejně:
- topidlo je blízko odporové zátěži;
- ventilátor a motor mají startovní proud;
- servopohon prudce zvýší proud, když je zablokován;
- LED pás spotřebuje proud podle délky a jasnosti;
- elektronický modul může mít přechodný proud při zapnutí.
Proto je pro skutečné zařízení lépe brát data z technických specifikací nebo měřit proud multimetrem / laboratorním zdrojem napětí, pokud je to bezpečné.
Co zkontrolovat před připojením¶
Před připojením zátěže odpovězte:
- Na jaké napětí je zátěž hodnocena?
- Je to stejnosměrná nebo střídavá zátěž?
- Jaký výkon nebo proud je uveden?
- Jaký proud dostanete ze vzorce
I = P / U? - Jaké další zátěže jsou na stejném zdroji napětí?
- Je zde alespoň
50%rezerva? - Vydržují to vodiče, svorky, konektory a deska?
- Co bude ovládat zátěž: MOSFET, relé, SSR nebo standardní výstup?
- Je potřebná pojistka?
- Co se stane, pokud dojde ke zkratu, zaseknutí motoru nebo selhání ventilátoru?
Pokud se jedná o topidlo nebo síťové napětí 110-230V AC, jsou bezpečnostní požadavky vyšší. Síťová část nemůže být sestavena hádam: potřebujete vhodné pouzdro, pojistku, izolaci, ochranné uzemňování PE, nárazník pro vodiče a ověření kvalifikovanou osobou.
Hlavní bod¶
- Napětí zdroje napětí se musí shodovat s napětím zátěže.
- Výkon ukazuje velikost zátěže.
- Proud ukazuje zatížení vodičů, svorek, konektorů a prvků výkonu.
- Základní vzorec:
I = P / U. - V systému
24Vje24Wpřibližně1A,120Wje přibližně5A,240Wje přibližně10A. - Proudy všech zátěží na jednom zdroji napětí se sčítají.
- Pro hrubý první odhad potřebujete alespoň
50%rezervu; přesný výběr se provádí podle technických specifikací, teploty, chlazení a deratingu. - Slabé místo nemusí být zdroj napětí, ale svorka, konektor, drát, MOSFET nebo cesta na desce.
- GPIO řídícího prvku nepřipojuje těžkou zátěž, pouze řídí výkonový spínač.
Referenční materiály¶
- SparkFun: Voltage, Current, Resistance, and Ohm's Law - jasné základní vysvětlení napětí, proudu, odporu a Ohmova zákona.
- DigiKey: Ohm's Law Calculator - kalkulačka pro výpočet vztahu mezi napětím, proudem, odporem a výkonem.
- Mean Well: How to read a derating curve - proč maximální výkon zdroje napětí závisí na teplotě, ventilaci a vstupním napětí.
- DigiKey: Selecting and Applying AC/DC Power Supplies - výběr zdroje napětí s ohledem na teplotu, deration, kabely a typ zátěže.
- Weidmuller: Derating curve / current-carrying capacity - proč maximální proud svorek a konektorů závisí na teplotě a designu.