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电流、电压与负荷电力

在连接加热器、风扇、LED灯带、伺服驱动器或其他模块之前，您需要理解三件事：

  • 电压；
  • 电流；
  • 电力。

如果没有这个，很容易购买错误的电源、过热电线、熔化连接器、烧毁MOSFET模块或将负荷连接到控制器，使其不稳定工作。

参数在哪里找

电压、电流和电力通常可在以下位置找到：

  • 元件外壳上；
  • 电源标签上；
  • 产品页面上；
  • 技术规格中；
  • 手册中；
  • 电路图或引脚排列图中。

如果未指定参数，这不是小问题。这是停下来弄清楚您要连接什么的理由。

对于3D打印机外设中的元件，典型的参数如下：

  • 风扇：24V 0.2A；
  • 加热器：24V 100W；
  • LED灯带：24V 9.6W/m；
  • 伺服驱动器：5V，电流取决于负荷；
  • 控制器板：每个输出的最大电流单独指定。

电压必须匹配

负荷是为特定电压设计的。

例子：

  • 风扇可以是5V、12V或24V；
  • LED灯带可以是5V、12V或24V；
  • 伺服驱动器通常额定为5V或6V；
  • 加热器可以是12V、24V或110-230V AC。

如果您将24V风扇连接到12V，它可能无法启动或工作不力。如果您将12V风扇连接到24V，它可能很快失效。

主要规则：

电源电压必须与负荷电压匹配。

不要仅因为连接器在物理上适配就将设备连接到更高电压。

电力显示负荷大小

电力显示负荷消耗或转化为工作、热、光或运动的能量。

电力以瓦特测量：W。

例子：

  • 24V 5W - 小负荷；
  • 24V 24W - 约1A；
  • 24V 120W - 已约5A；
  • 24V 240W - 约10A。

加热器通常消耗大量电力。风扇消耗较少，但可能有高浪涌电流。LED灯带如果很短可能是小负荷，或者如果很长且很亮可能是重负荷。

电流对电线和电源元件加载

电流显示流过电线、端子、连接器和电源元件的电量。

电流经常造成实际问题：

  • 电线发热；
  • 端子变暗；
  • 连接器熔化；
  • MOSFET过热；
  • 电源不足；
  • 负荷打开时设备重新启动；
  • 保险丝熔断不是巧合，而是由于实际过载或错误。

因此，仅知道电压是不够的。您需要计算电流。

计算公式

对于大多数简单计算，您需要电力公式：

P = U * I

其中：

  • P - 瓦特电力W；
  • U - 伏特电压V；
  • I - 安培电流A。

要找到电流：

I = P / U

欧姆定律：带电源、电流和电阻的电路

来源：Wikimedia Commons、GorillaWarfare、CC0 Public Domain

此公式不是为了考试。需要理解电源、电线、端子、MOSFET模块、继电器、SSR或电路板输出是否能承受它。

24V的快速表

在3D打印机和外设中，24V很常见。为了快速评估，记住以下有用：

电力 24V时的电流
12W 0.5A
24W 1A
48W 2A
96W 4A
120W 5A
240W 10A
300W 12.5A

这些是近似值，但对于电源、电线和电源开关的首次选择非常有用。

示例：24V 100W加热器

您有一个加热器：

24V 100W

计算电流：

I = 100W / 24V = 4.17A

这意味着以下必须能承受超过4.17A：

  • 电源；
  • 电线；
  • 端子；
  • 连接器；
  • MOSFET或SSR；
  • 保险丝和保险丝架；
  • 电路板迹线（如果加热器连接到电路板）。

如果电源额定为24V 5A，形式上接近负荷，但几乎没有余量。对于真实设备，最好选择更大的。

示例：多个负荷

假设24V设备有：

  • 加热器100W；
  • 风扇24V 0.2A；
  • LED灯带24V 1A；
  • 另一个风扇24V 0.15A。

计算加热器：

100W / 24V = 4.17A

将它们相加：

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

最小电源"紧凑型"将约为24V 6A，但这对于长期运作是个糟糕的选择。使用50%余量：

5.52A * 1.5 = 8.28A

实际上，如果外壳、冷却和安全允许，您应该查看24V 9A、24V 10A或更大电源。

余量是必须的

电源、布线、端子和电源模块不能根据计算电流精确选择。

对于本指南，粗略第一次评估的简单规则：

计划至少50%的余量，除非特定元件的文档要求更多。这不是普遍保证，而是开始估计。最终选择根据技术规格、外壳内温度、冷却、降额和端子/电线的实际加热进行。

需要余量的原因：

  • 电源升温；
  • 外壳内的温度可能高于室温；
  • 风扇和马达有浪涌电流；
  • 接触点老化并松动；
  • 端子有电流和温度限制；
  • SSR和MOSFET产生热量；
  • 电源可能有降额 - 在高温或通风不良时最大功率降低。

工业电源通常在技术规格中有一条降额曲线——随温度升高最大功率降低的曲线。降额意味着在高温或通风不良时，制造商降低最大允许功率。因此，电源上的240W标签并不总是意味着在密闭热外壳中能安全供应240W。

弱点可能不是电源

即使电源强大，电路可能在其他地方较弱。

您需要检查整个电路：

  • 电源输出；
  • 电线；
  • 端子块；
  • 连接器；
  • 保险丝；
  • MOSFET模块；
  • 继电器或SSR；
  • 电路板迹线；
  • 负荷本身。

例如，电源可以承受10A，但小连接器或劣质螺丝端子在较低电流下可能已经升温。这对加热器和LED灯带特别重要。

什么是电源开关

电源开关是一种受控开关。

控制器不直接为重负荷供电。它给出弱控制信号，电源开关打开或关闭负荷电流。

例子：

  • 用于12V/24V DC负荷的MOSFET模块；
  • 继电器；
  • SSR；
  • 现成的负荷驱动器；
  • 电路板的标准输出（如果为所需负荷额定）。

对于加热器、风扇、LED灯带和马达，规则几乎总是适用：

控制器的GPIO不向负荷供电。GPIO仅控制。

关于欧姆定律的一点

欧姆定律将电压、电流和电阻相关联：

U = I * R

对于本文，简单的想法很重要：如果您向负荷施加电压，电流将通过它流动。流动多少电流取决于负荷本身。

但并非所有负荷都表现相同：

  • 加热器接近电阻负荷；
  • 风扇和马达有浪涌电流；
  • 伺服驱动器在阻塞时电流急剧增加；
  • LED灯带按长度和亮度消耗电流；
  • 电子模块打开时可能有瞬态电流。

因此，对于真实设备最好从技术规格获取数据或用万用表/实验室电源测量电流（如果安全）。

连接前检查的内容

在连接负荷之前，回答：

  1. 负荷的额定电压是多少？
  2. 是DC负荷还是AC负荷？
  3. 指定什么电力或电流？
  4. 您从公式I = P / U得到多少电流？
  5. 同一电源上还有哪些其他负荷？
  6. 至少有50%的余量吗？
  7. 电线、端子、连接器和电路板能承受吗？
  8. 什么控制负荷：MOSFET、继电器、SSR或标准输出？
  9. 需要保险丝吗？
  10. 如果发生短路、马达卡住或风扇故障会怎样？

如果这是加热器或商用电源110-230V AC，安全要求更高。商用段不能通过猜测组装：您需要合适的外壳、保险丝、绝缘、保护接地PE、电线应力释放和合格人员的验证。

主要点

  • 电源电压必须与负荷电压匹配。
  • 电力显示负荷的大小。
  • 电流显示对电线、端子、连接器和电源元件的负荷。
  • 基本公式：I = P / U。
  • 在24V系统中24W约1A，120W约5A，240W约10A。
  • 一个电源上所有负荷的电流相加。
  • 粗略第一次估计需要至少50%余量；精确选择根据技术规格、温度、冷却和降额进行。
  • 弱点可能不是电源，而是端子、连接器、电线、MOSFET或电路板迹线。
  • 控制器的GPIO不向重负荷供电，只控制电源开关。

参考资料