跳轉至

電流、電壓與負荷電力

在連接加熱器、風扇、LED燈帶、伺服驅動器或其他模組之前，您需要理解三件事：

  • 電壓；
  • 電流；
  • 電力。

如果沒有這個，很容易購買錯誤的電源、過熱電線、熔化連接器、燒毀MOSFET模組或將負荷連接到控制器，使其不穩定工作。

參數在哪裡找

電壓、電流和電力通常可在以下位置找到：

  • 元件外殼上；
  • 電源標籤上；
  • 產品頁面上；
  • 技術規格中；
  • 手冊中；
  • 電路圖或引腳排列圖中。

如果未指定參數，這不是小問題。這是停下來弄清楚您要連接什麼的理由。

對於3D打印機外設中的元件，典型的參數如下：

  • 風扇：24V 0.2A；
  • 加熱器：24V 100W；
  • LED燈帶：24V 9.6W/m；
  • 伺服驅動器：5V，電流取決於負荷；
  • 控制器板：每個輸出的最大電流單獨指定。

電壓必須匹配

負荷是為特定電壓設計的。

例子：

  • 風扇可以是5V、12V或24V；
  • LED燈帶可以是5V、12V或24V；
  • 伺服驅動器通常額定為5V或6V；
  • 加熱器可以是12V、24V或110-230V AC。

如果您將24V風扇連接到12V，它可能無法啟動或工作不力。如果您將12V風扇連接到24V，它可能很快失效。

主要規則：

電源電壓必須與負荷電壓匹配。

不要僅因為連接器在物理上適配就將設備連接到更高電壓。

電力顯示負荷大小

電力顯示負荷消耗或轉化為工作、熱、光或運動的能量。

電力以瓦特測量：W。

例子：

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

加熱器通常消耗大量電力。風扇消耗較少，但可能有高浪涌電流。LED燈帶如果很短可能是小負荷，或者如果很長且很亮可能是重負荷。

電流對電線和電源元件加載

電流顯示流過電線、端子、連接器和電源元件的電量。

電流經常造成實際問題：

  • 電線發熱；
  • 端子變暗；
  • 連接器熔化；
  • MOSFET過熱；
  • 電源不足；
  • 負荷打開時設備重新啟動；
  • 保險絲熔斷不是巧合，而是由於實際過載或錯誤。

因此，僅知道電壓是不夠的。您需要計算電流。

計算公式

對於大多數簡單計算，您需要電力公式：

P = U * I

其中：

  • P - 瓦特電力W；
  • U - 伏特電壓V；
  • I - 安培電流A。

要找到電流：

I = P / U

歐姆定律：帶電源、電流和電阻的電路

來源：Wikimedia Commons、GorillaWarfare、CC0 Public Domain

此公式不是為了考試。需要理解電源、電線、端子、MOSFET模組、繼電器、SSR或電路板輸出是否能承受它。

24V的快速表

在3D打印機和外設中，24V很常見。為了快速評估，記住以下有用：

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

這些是近似值，但對於電源、電線和電源開關的首次選擇非常有用。

示例：24V 100W加熱器

您有一個加熱器：

24V 100W

計算電流：

I = 100W / 24V = 4.17A

這意味著以下必須能承受超過4.17A：

  • 電源；
  • 電線；
  • 端子；
  • 連接器；
  • MOSFET或SSR；
  • 保險絲和保險絲架；
  • 電路板迹線（如果加熱器連接到電路板）。

如果電源額定為24V 5A，形式上接近負荷，但幾乎沒有餘量。對於真實設備，最好選擇更大的。

示例：多個負荷

假設24V設備有：

  • 加熱器100W；
  • 風扇24V 0.2A；
  • LED燈帶24V 1A；
  • 另一個風扇24V 0.15A。

計算加熱器：

100W / 24V = 4.17A

將它們相加：

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

最小電源"緊湊型"將約為24V 6A，但這對於長期運作是個糟糕的選擇。使用50%餘量：

5.52A * 1.5 = 8.28A

實際上，如果外殼、冷卻和安全允許，您應該查看24V 9A、24V 10A或更大電源。

餘量是必須的

電源、佈線、端子和電源模組不能根據計算電流精確選擇。

對於本指南，粗略第一次評估的簡單規則：

計劃至少50%的餘量，除非特定元件的檔案要求更多。這不是普遍保證，而是開始估計。最終選擇根據技術規格、外殼內溫度、冷卻、降額和端子/電線的實際加熱進行。

需要餘量的原因：

  • 電源升溫；
  • 外殼內的溫度可能高於室溫；
  • 風扇和馬達有浪涌電流；
  • 接觸點老化並鬆動；
  • 端子有電流和溫度限制；
  • SSR和MOSFET產生熱量；
  • 電源可能有降額 - 在高溫或通風不良時最大功率降低。

工業電源通常在技術規格中有一條降額曲線——隨溫度升高最大功率降低的曲線。降額意味著在高溫或通風不良時，製造商降低最大允許功率。因此，電源上的240W標籤並不總是意味著在密閉熱外殼中能安全供應240W。

弱點可能不是電源

即使電源強大，電路可能在其他地方較弱。

您需要檢查整個電路：

  • 電源輸出；
  • 電線；
  • 端子塊；
  • 連接器；
  • 保險絲；
  • MOSFET模組；
  • 繼電器或SSR；
  • 電路板迹線；
  • 負荷本身。

例如，電源可以承受10A，但小連接器或劣質螺絲端子在較低電流下可能已經升溫。這對加熱器和LED燈帶特別重要。

什麼是電源開關

電源開關是一種受控開關。

控制器不直接為重負荷供電。它給出弱控制信號，電源開關打開或關閉負荷電流。

例子：

  • 用於12V/24V DC負荷的MOSFET模組；
  • 繼電器；
  • SSR；
  • 現成的負荷驅動器；
  • 電路板的標準輸出（如果為所需負荷額定）。

對於加熱器、風扇、LED燈帶和馬達，規則幾乎總是適用：

控制器的GPIO不向負荷供電。GPIO僅控制。

關於歐姆定律的一點

歐姆定律將電壓、電流和電阻相關聯：

U = I * R

對於本文，簡單的想法很重要：如果您向負荷施加電壓，電流將通過它流動。流動多少電流取決於負荷本身。

但並非所有負荷都表現相同：

  • 加熱器接近電阻負荷；
  • 風扇和馬達有浪涌電流；
  • 伺服驅動器在阻塞時電流急劇增加；
  • LED燈帶按長度和亮度消耗電流；
  • 電子模組打開時可能有瞬態電流。

因此，對於真實設備最好從技術規格獲取數據或用萬用表/實驗室電源測量電流（如果安全）。

連接前檢查的內容

在連接負荷之前，回答：

  1. 負荷的額定電壓是多少？
  2. 是DC負荷還是AC負荷？
  3. 指定什麼電力或電流？
  4. 您從公式I = P / U得到多少電流？
  5. 同一電源上還有哪些其他負荷？
  6. 至少有50%的餘量嗎？
  7. 電線、端子、連接器和電路板能承受嗎？
  8. 什麼控制負荷：MOSFET、繼電器、SSR或標準輸出？
  9. 需要保險絲嗎？
  10. 如果發生短路、馬達卡住或風扇故障會怎樣？

如果這是加熱器或商用電源110-230V AC，安全要求更高。商用段不能通過猜測組裝：您需要合適的外殼、保險絲、絕緣、保護接地PE、電線應力釋放和合格人員的驗證。

主要點

  • 電源電壓必須與負荷電壓匹配。
  • 電力顯示負荷的大小。
  • 電流顯示對電線、端子、連接器和電源元件的負荷。
  • 基本公式：I = P / U。
  • 在24V系統中24W約1A，120W約5A，240W約10A。
  • 一個電源上所有負荷的電流相加。
  • 粗略第一次估計需要至少50%餘量；精確選擇根據技術規格、溫度、冷卻和降額進行。
  • 弱點可能不是電源，而是端子、連接器、電線、MOSFET或電路板迹線。
  • 控制器的GPIO不向重負荷供電，只控制電源開關。

參考資料