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電流、電圧、負荷電力

ヒーター、ファン、LEDストリップ、サーボドライブ、または他のモジュールを接続する前に、3つのことを理解する必要があります：

  • 電圧；
  • 電流；
  • 電力。

これなしでは、間違った電源を購入したり、ワイヤーを過熱したり、コネクタを溶かしたり、MOSFETモジュールを焼いたり、負荷をコントローラに接続して不安定に動作させたりするのは簡単です。

パラメータはどこにあるか

電圧、電流、電力は通常、以下で見つけられます：

  • コンポーネントのハウジング上；
  • 電源ラベル上；
  • 製品ページ上；
  • 技術仕様書中；
  • マニュアル中；
  • ボード回路図またはピンアウト中。

パラメータが指定されていない場合、それは軽微な問題ではありません。何を接続しているのかを確認して立ち止まる理由です。

3Dプリンタの周辺機器のコンポーネントの場合、典型的なパラメータは次のようになります：

  • ファン：24V 0.2A；
  • ヒーター：24V 100W；
  • LEDストリップ：24V 9.6W/m；
  • サーボドライブ：5V、電流は負荷に依存します；
  • コントローラボード：各出力の最大電流は別々に指定されます。

電圧は一致する必要があります

負荷は特定の電圧に対して設計されています。

例：

  • ファンは5V、12V、または24Vである可能性があります；
  • LEDストリップは5V、12V、または24Vである可能性があります；
  • サーボドライブはしばしば5Vまたは6Vに定格されています；
  • ヒーターは12V、24V、または110-230V ACである可能性があります。

24Vファンを12Vに接続すると、起動しないか、弱く動作する可能性があります。12Vファンを24Vに接続すると、すぐに故障する可能性があります。

主なルール：

電源電圧は負荷電圧と一致する必要があります。

コネクタが物理的に合うからという理由だけで、デバイスをより高い電圧に接続しないでください。

電力は負荷のサイズを示します

電力は、負荷が消費または仕事、熱、光、または動きに変換する量を示します。

電力はワットで測定されます：W。

例：

  • 24V 5W - 小負荷；
  • 24V 24W - 約1A；
  • 24V 120W - 既に約5A；
  • 24V 240W - 約10A。

ヒーターは通常多くの電力を消費します。ファンはより少なく消費しますが、高いラッシュ電流を持つことができます。LEDストリップは短い場合は小さな負荷、または長く明るい場合は重大な負荷である可能性があります。

電流はワイヤと電源要素に負荷をかけます

電流は、ワイヤ、端子、コネクタ、および電源要素を流れる電気の量を示します。

電流はしばしば実用的な問題を引き起こします：

  • ワイヤが熱くなる；
  • 端子が暗くなる；
  • コネクタが溶ける；
  • MOSFETが過熱する；
  • 電源が不十分；
  • 負荷がオンになるとデバイスが再起動する；
  • ヒューズが偶然ではなく、実際の過負荷またはエラーのために破裂する。

したがって、電圧だけを知るのは十分ではありません。電流を計算する必要があります。

計算式

ほとんどの単純な計算には、電力式が必要です：

P = U * I

ここで：

  • P - ワット単位の電力W；
  • U - ボルト単位の電圧V；
  • I - アンペア単位の電流A。

電流を求めるには：

I = P / U

オームの法則：電圧源、電流、および抵抗を備えた回路

出典：Wikimedia Commons、GorillaWarfare、CC0 Public Domain

この式は試験用ではありません。電源、ワイヤ、端子、MOSFETモジュール、リレー、SSR、またはボード出力がそれに耐えるかどうかを理解するために必要です。

24Vの簡易表

3Dプリンタと周辺機器では、24Vが一般的です。迅速な評価のために、次のことを覚えておくと便利です：

電力 24Vでの電流
12W 0.5A
24W 1A
48W 2A
96W 4A
120W 5A
240W 10A
300W 12.5A

これらはおおよその値ですが、電源、ワイヤ、および電力スイッチの最初の選択に対して非常に有用です。

例：24V 100Wヒーター

あなたはヒーターを持っています：

24V 100W

電流を計算します：

I = 100W / 24V = 4.17A

これは、以下が4.17A以上に耐える必要があることを意味します：

  • 電源；
  • ワイヤ；
  • 端子；
  • コネクタ；
  • MOSFETまたはSSR；
  • ヒューズとヒューズホルダー；
  • ボードトレース、ヒーターがボードに接続されている場合。

電源が24V 5Aに定格されている場合、それは形式的に負荷に近いですが、ヘッドルームはほぼありません。実際のデバイスの場合、もっと大きいものを取る方が良いです。

例：複数の負荷

24Vデバイスが以下を持つとします：

  • ヒーター100W；
  • ファン24V 0.2A；
  • LEDストリップ24V 1A；
  • 別のファン24V 0.15A。

ヒーターを計算します：

100W / 24V = 4.17A

それらを合計します：

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

最小電源の「ぴったりフィット」は約24V 6Aですが、長期運用には悪い選択です。50%ヘッドルームで：

5.52A * 1.5 = 8.28A

実際には、エンクロージャ、冷却、および安全性が許可する場合、24V 9A、24V 10A、またはそれ以上の電源を見るべきです。

ヘッドルームは必須です

電源、配線、端子、および電源モジュールは、計算された電流に正確に選択することはできません。

このガイドでは、粗い最初の評価のための簡単なルール：

少なくとも50%のヘッドルームを計画してください、特定のコンポーネントのドキュメンテーションがより多くを必要としない限り。これは普遍的な保証ではなく、開始推定です。最終的な選択は、技術仕様、エンクロージャ内の温度、冷却、リレーティング、および端子/ワイヤの実際の加熱に従って行われます。

ヘッドルームが必要な理由：

  • 電源が熱くなる；
  • エンクロージャ内の温度が室温より高い可能性がある；
  • ファンとモーターのラッシュ電流；
  • 接点が老化して緩む；
  • 端子には電流と温度の制限がある；
  • SSRとMOSFETは熱を生成する；
  • 電源はリレーティングを持つ可能性があります - 高温または通風が悪い場合の最大電力の削減。

業界用電源には、技術仕様の中に減額曲線があることが多くあります — 温度が上昇するにつれて最大電力が低下する曲線。リレーティングは、高温または通風が悪い場合、メーカーが最大許容電力を削減することを意味します。したがって、電源のラベルに240Wと書かれていても、閉じた暑いエンクロージャで安全に240Wを供給できるわけではありません。

弱点は電源ではない場合があります

電源が強力であっても、回路は別のどこかが弱い可能性があります。

回路全体をチェックする必要があります：

  • 電源出力；
  • ワイヤ；
  • 端子ブロック；
  • コネクタ；
  • ヒューズ；
  • MOSFETモジュール；
  • リレーまたはSSR；
  • ボードトレース；
  • 負荷自体。

例えば、電源は10Aに耐えることができますが、小さなコネクタまたは悪いねじ端子はより低い電流で既に熱くなる可能性があります。これは特にヒーターとLEDストリップに重要です。

電力スイッチとは何ですか

電力スイッチは制御されたスイッチです。

コントローラは重い負荷に直接電源を供給しません。弱い制御信号を与えて、電力スイッチが負荷電流をオン/オフにします。

例：

  • 12V/24V DC負荷用のMOSFETモジュール；
  • リレー；
  • SSR；
  • 既製の負荷ドライバ；
  • 必要な負荷に対して定格された場合、ボードの標準電源出力。

ヒーター、ファン、LEDストリップ、およびモーターの場合、ルールがほぼ常に適用されます：

コントローラのGPIOは負荷に電源を供給しません。GPIOはコントロールのみです。

オームの法則について少し

オームの法則は、電圧、電流、および抵抗を関連付けます：

U = I * R

この記事では、簡単な考え方が重要です：負荷に電圧を印加すると、電流がそれを通して流れます。どのくらいの電流が流れるかは、負荷自体によります。

しかし、すべての負荷が同じように動作するわけではありません：

  • ヒーターは抵抗負荷に近い；
  • ファンとモーターのラッシュ電流；
  • サーボドライブはブロックされたときに電流を急激に増加させる；
  • LEDストリップは長さと明るさによって電流を消費する；
  • 電子モジュールはオンになるとき過渡電流を持つ可能性があります。

したがって、実際のデバイスの場合、技術仕様からデータを取得するか、安全である場合、マルチメータ/ラボ電源で電流を測定する方が良いです。

接続前にチェックすること

負荷を接続する前に、答えてください：

  1. 負荷はどの電圧に定格されていますか？
  2. DC負荷ですか、AC負荷ですか？
  3. どのような電力または電流が指定されていますか？
  4. 式I = P / Uから何の電流を取得しますか？
  5. 同じ電源上に他にどんな負荷がありますか？
  6. 少なくとも50%のヘッドルームがありますか？
  7. ワイヤ、端子、コネクタ、ボードはそれに耐えますか？
  8. 何が負荷を制御するのか：MOSFET、リレー、SSR、または標準出力？
  9. ヒューズが必要ですか？
  10. 短絡、モータジャム、またはファン障害が発生した場合はどうなりますか？

これがヒーターまたは商用電源110-230V ACである場合、安全要件はより高いです。商用セクションは推測で組み立てることはできません：適切なエンクロージャ、ヒューズ、絶縁、保護接地PE、ワイヤのストレインリリーフ、および適格者による検証が必要です。

メインポイント

  • 電源電圧は負荷電圧と一致する必要があります。
  • 電力は負荷のサイズを示します。
  • 電流はワイヤ、端子、コネクタ、および電源要素への負荷を示します。
  • 基本式：I = P / U。
  • 24Vシステムでは24Wは約1A、120Wは約5A、240Wは約10Aです。
  • 1つの電源上のすべての負荷の電流が加算されます。
  • 粗い最初の推定には少なくとも50%のヘッドルームが必要です；正確な選択は、技術仕様、温度、冷却、およびリレーティングに従って行われます。
  • 弱点は電源ではなく、端子、コネクタ、ワイヤ、MOSFET、またはボードトレースである可能性があります。
  • コントローラのGPIOは重い負荷に電源を供給しません。電力スイッチのコントロールのみです。

参考資料