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Corrente, Tensão e Potência de Carga

Antes de conectar um aquecedor, ventilador, fita LED, servo drive ou outro módulo, você precisa entender três coisas:

  • tensão;
  • corrente;
  • potência.

Sem isso, é fácil comprar uma fonte inadequada, aquecer demais o fio, derreter o conector, queimar um módulo MOSFET ou conectar a carga ao controlador de forma que funcione instabilidade.

Onde encontrar os parâmetros

Tensão, corrente e potência são geralmente encontradas:

  • na carcaça do componente;
  • na etiqueta da fonte de alimentação;
  • na página do produto;
  • na especificação técnica;
  • no manual;
  • no diagrama esquemático ou pinout.

Se o parâmetro não for especificado, não é um detalhe menor. É uma razão para parar e descobrir exatamente o que você está conectando.

Para componentes de periféricos de impressora 3D, os parâmetros típicos se parecem com:

  • ventilador: 24V 0.2A;
  • aquecedor: 24V 100W;
  • fita LED: 24V 9.6W/m;
  • servo drive: 5V, corrente depende da carga;
  • placa do controlador: corrente máxima para cada saída é especificada separadamente.

A tensão deve corresponder

Uma carga é projetada para uma tensão específica.

Exemplos:

  • ventilador pode ser 5V, 12V ou 24V;
  • fita LED pode ser 5V, 12V ou 24V;
  • servo drive geralmente é classificado para 5V ou 6V;
  • aquecedor pode ser 12V, 24V ou 110-230V AC.

Se você conectar um ventilador 24V a 12V, ele pode não ligar ou funcionar fracamente. Se você conectar um ventilador 12V a 24V, ele pode falhar rapidamente.

A regra principal:

a tensão da fonte de alimentação deve corresponder à tensão da carga.

Não conecte um dispositivo a uma tensão mais alta apenas porque o conector se encaixa fisicamente.

Potência mostra tamanho da carga

Potência mostra quanta energia a carga consome ou converte em trabalho, calor, luz ou movimento.

Potência é medida em watts: W.

Exemplos:

  • 24V 5W - carga pequena;
  • 24V 24W - cerca de 1A;
  • 24V 120W - já cerca de 5A;
  • 24V 240W - cerca de 10A.

Aquecedores geralmente consomem muita potência. Ventiladores consomem menos, mas podem ter corrente de inrush alta. Fitas LED podem ser uma carga pequena se curtas, ou uma carga séria se longas e brilhantes.

Corrente carrega fios e elementos de potência

Corrente mostra quanta eletricidade flui através de fios, terminais, conectores e elementos de potência.

Corrente frequentemente cria problemas práticos:

  • os fios aquecem;
  • os terminais ficam escuros;
  • os conectores derretem;
  • MOSFET superaquece;
  • fonte de alimentação não é suficiente;
  • dispositivo reinicia quando a carga liga;
  • fusível dispara não por acaso, mas por sobrecarga real ou erro.

Portanto, não é suficiente conhecer apenas a tensão. Você precisa calcular a corrente.

Fórmula de cálculo

Para a maioria dos cálculos simples, você precisa da fórmula de potência:

P = U * I

Onde:

  • P - potência em watts W;
  • U - tensão em volts V;
  • I - corrente em amperes A.

Para encontrar corrente:

I = P / U

Lei de Ohm: circuito com fonte de tensão, corrente e resistência

Fonte: Wikimedia Commons, GorillaWarfare, CC0 Public Domain

Esta fórmula não é para um exame. É necessária para entender se a fonte de alimentação, fio, terminal, módulo MOSFET, relé, SSR ou saída da placa conseguirá suportar.

Tabela rápida para 24V

Em impressoras 3D e periféricos, 24V é comum. Para avaliação rápida, é útil lembrar:

Potência Corrente em 24V
12W 0.5A
24W 1A
48W 2A
96W 4A
120W 5A
240W 10A
300W 12.5A

Estes são valores aproximados, mas para a primeira escolha de fonte de alimentação, fio e interruptor de potência são muito úteis.

Exemplo: aquecedor 24V 100W

Você tem um aquecedor:

24V 100W

Calcule a corrente:

I = 100W / 24V = 4.17A

Isso significa que o seguinte deve suportar mais de 4.17A:

  • fonte de alimentação;
  • fio;
  • terminais;
  • conector;
  • MOSFET ou SSR;
  • fusível e porta-fusível;
  • trilhas da placa, se o aquecedor estiver conectado à placa.

Se a fonte de alimentação para as condições para 24V 5A, formalmente se aproxima da carga, mas quase sem margem. Para um dispositivo real é melhor levar mais.

Exemplo: múltiplas cargas

Suponha que um dispositivo 24V tem:

  • aquecedor 100W;
  • ventilador 24V 0.2A;
  • fita LED 24V 1A;
  • outro ventilador 24V 0.15A.

Calcule o aquecedor:

100W / 24V = 4.17A

Some-os:

4.17A + 0.2A + 1A + 0.15A = 5.52A

Uma fonte de alimentação mínima "encaixe apertado" seria em torno de 24V 6A, mas essa é uma escolha ruim para operação de longo prazo. Com 50% de margem:

5.52A * 1.5 = 8.28A

Na prática você deve procurar uma fonte de alimentação 24V 9A, 24V 10A ou maior, se o gabinete, resfriamento e segurança permitirem.

Margem é obrigatória

Fonte de alimentação, fiação, terminais e módulos de potência não podem ser selecionados exatamente de acordo com a corrente calculada.

Para este guia, uma regra simples para avaliação inicial aproximada:

planeje pelo menos 50% de margem, a menos que a documentação de um componente específico exija mais. Esta não é uma garantia universal, mas uma estimativa inicial. A seleção final é feita de acordo com especificações técnicas, temperatura dentro do gabinete, resfriamento, derating e aquecimento real de terminais/fios.

Margem é necessária porque:

  • fonte de alimentação aquece;
  • temperatura dentro do gabinete pode ser maior que a temperatura ambiente;
  • ventiladores e motores têm corrente de inrush;
  • os contatos envelhecem e afrouxam;
  • terminais têm limites de corrente e temperatura;
  • SSR e MOSFET geram calor;
  • fonte de alimentação pode ter derating - redução de potência máxima em alta temperatura ou ventilação inadequada.

As fontes de alimentação industrial geralmente têm uma curva de derating na especificação técnica — uma curva de potência máxima reduzida conforme a temperatura sobe. Derating significa que em alta temperatura ou ventilação inadequada, o fabricante reduz a potência máxima permitida. Portanto, o rótulo 240W em uma fonte de alimentação nem sempre significa que ela entregará com segurança 240W em um gabinete fechado e quente.

O ponto fraco pode não ser a fonte de alimentação

Mesmo que a fonte de alimentação seja poderosa, o circuito pode ser fraco em outro lugar.

Você precisa verificar todo o circuito:

  • saída da fonte de alimentação;
  • fio;
  • bloco de terminais;
  • conector;
  • fusível;
  • módulo MOSFET;
  • relé ou SSR;
  • trilhas da placa;
  • a carga em si.

Por exemplo, uma fonte de alimentação pode suportar 10A, mas um conector pequeno ou terminal parafuso deficiente pode aquecer já em corrente menor. Isso é especialmente importante para aquecedores e fitas LED.

O que é um interruptor de potência

Um interruptor de potência é um interruptor controlado.

O controlador não alimenta uma carga pesada diretamente. Ele fornece um sinal de controle fraco e o interruptor de potência liga ou desliga a corrente de carga.

Exemplos:

  • módulo MOSFET para cargas DC 12V/24V;
  • relé;
  • SSR;
  • controlador de carga pronto;
  • saída de potência padrão da placa, se for para opções de carga necessárias.

Para aquecedores, ventiladores, fitas LED e motores, a regra quase sempre se aplica:

GPIO do controlador não alimenta a carga. GPIO apenas controla.

Um pouco sobre a lei de Ohm

A lei de Ohm relacionada tensão, corrente e resistência:

U = I * R

Para este artigo, a ideia simples é importante: se você aplicar tensão a uma carga, a corrente fluirá através dela. Quanta corrente flui depende da carga em si.

Mas nem todas as cargas se comportam da mesma forma:

  • aquecedor é próximo a uma carga resistiva;
  • ventilador e motor têm corrente de inrush;
  • servo drive aumenta bruscamente a corrente quando bloqueado;
  • fita LED consome corrente por comprimento e brilho;
  • módulo eletrônico pode ter corrente transitória quando ligado.

Portanto, para um dispositivo real é melhor levar dados de especificações técnicas ou medir a corrente com um multímetro / fonte de alimentação de laboratório para ter certeza.

O que verificar antes de conectar

Antes de conectar a carga, responda:

  1. Para qual tensão a carga é classificada?
  2. É uma carga DC ou AC?
  3. Qual potência ou corrente é especificada?
  4. Qual corrente você obterá da fórmula I = P / U?
  5. Quais outras cargas estão na mesma fonte de alimentação?
  6. Há pelo menos 50% de margem?
  7. Fios, terminais, conectores e placa suportam?
  8. O que controlará a carga: MOSFET, relé, SSR ou saída padrão?
  9. Um fusível é necessário?
  10. O que acontece se houver um curto-circuito, travamento do motor ou falha do ventilador?

Se for um aquecedor ou tensão de rede PE, os requisitos de segurança são mais altos. A seção de rede não pode ser montada por suposição: você precisa de um gabinete adequado, fiação, isolamento, aterramento protetor PE, ruptura de tensão para fios e seleção por uma pessoa danificada.

O ponto principal

  • A tensão da fonte de alimentação deve corresponder à tensão da carga.
  • Potência mostra o tamanho da carga.
  • Corrente mostra a carga em fios, terminais, conectores e elementos de potência.
  • Fórmula básica: I = P / U.
  • Em um sistema 24V, 24W é cerca de 1A, 120W é cerca de 5A, 240W é cerca de 10A.
  • As correntes de todas as cargas em uma fonte de alimentação se somam.
  • Você precisa de margem de pelo menos 50% para estimativa inicial aproximada; a seleção precisa é feita de acordo com especificações técnicas, temperatura, resfriamento e derating.
  • O ponto fraco pode não ser a fonte de alimentação, mas um terminal, conector, fio, MOSFET ou trilha de placa.
  • GPIO do controlador não alimenta uma carga pesada, apenas controla um interruptor de potência.

Materiais de referência