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¿Por qué el tamaño del cable que he calculado es mucho mayor que las trazas de mi tira de LED?

He impreso en 3D un conjunto de nanohojas que llevarán tiras de LED WS2812B. Estoy calculando el tamaño correcto del cable, pero mi resultado parece fuera.

Tengo 14 piezas hexagonales que tienen lados de 10 cm. Utilizo tiras de leds WS2812B con 30 leds/m. Cada led consume algo menos de 60 mA (20 mA por cada color).

Así que calcular el amperaje necesario:

14 x 6 x 0,1 = 8,4 m
30 x 8,4 = 252 LEDs
252 x 0,06 = 15,12 A

He pedido una fuente de alimentación de 5V/20A y ahora sólo necesito cables y quizá un conector de CC. La distancia entre la fuente de alimentación y las tiras es de unos 2 m (6,6 pies). Las dos últimas tardes he leído todas las preguntas y respuestas relacionadas en este sitio, he consultado las tablas que he podido encontrar y he utilizado calculadoras en línea del tamaño de los cables. Todas las fuentes que he consultado dicen que necesito cables de entre 10 y 7 AWG, es decir, entre 2,6 y 3,7 mm.

Las especificaciones de las tiras WS2812B dicen que necesito añadir potencia cada 5 m. Así que calculando el amperaje necesario para 5 m:

30 x 5 x 0,06 = 9A

Ahora, cuando miro qué tamaño de cable se necesitaría para conducir 9 A a lo largo de 5 m, parece que estoy haciendo algo muy mal. El tamaño que encuentro no se acerca ni de lejos al tamaño de las trazas de las tiras de LED.

Lo que me confunde aún más es que, cuando miro, por ejemplo, el cargador USB C PD de mi portátil, que suministra 100 W (a 20 V, es decir, 5 A), el cable de 2,5 m parece superfino.

Por favor, ayúdenme a entender en qué falla mi razonamiento.

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Probably_wrong Puntos 56

Creo que podría tratarse de un caso en el que los fabricantes interpretan de forma, digamos, indulgente las normas de manipulación actuales. Las guías que probablemente hayas visto suelen ser muy conservadoras. Si tienes una buena idea de las capacidades del cable específico que estás utilizando y el entorno en el que se va a utilizar, normalmente puedes encontrar que puedes salirte con la tuya con un cable más delgado de lo que una tabla genérica va a recomendar, que es la razón por la que tu cargador USB-C probablemente no está utilizando un cable de 14 AWG.

En el caso de tus tiras de LED, el ancho de traza IPC-2221 para 9A en cobre de 1 onza es de ~3,5mm para un aumento de temperatura de 25C; supongo que tus trazas son más estrechas que esto. Si realmente quieres tirar los dados, 1,83 mm de ancho te dará un aumento de 75C que te acerca incómodamente a la típica temperatura de transición de PCB FR4 de 130C. Yo iría a lo seguro y alimentaría las tiras con más frecuencia que cada 5m, sobre todo porque los LEDs también van a calentar la placa.

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Anders Hansson Puntos 179

La selección del cable (y la traza) tiene que ver sobre todo con el aumento de la temperatura. Si puede tolerar un aumento de temperatura de 10 ó 15 °C, puede utilizar un conductor más fino que si sólo pudiera tolerar un aumento de temperatura de 5 a 10 °C. Diferentes calculadoras pueden tener suposiciones sobre los aumentos de temperatura tolerables, o pueden permitir que usted especifique. (Y las calculadoras de ancho de traza pueden basarse en normas diferentes, como IPC-2221 e IPC-2152).

La anchura de las trazas en las tiras de LED tiende a ser escasa. Si suministras 5 V a un solo extremo, medirás una caída de tensión apreciable en el extremo opuesto. El cable de mayor calibre que alimenta las tiras de LED a intervalos de distancia regulares ayudará a evitar este problema al proporcionar una vía menos resistiva.

Ten en cuenta que, a menos que planees hacer funcionar los LED en blanco constante, tu consumo actual será menor. Pero planificar el uso máximo de corriente con una sobrecarga razonable es una buena estrategia para que el sistema funcione bien y no se sobrecaliente.

Aquí tienes una tabla aleatoria de calibres de cables:

Wire gauge chart

( Fuente )

Para 9 amperios, observará que podría utilizarse calibre 21 para el cableado del chasis, o calibre 12 para la transmisión de potencia. Bien, ¿qué quieren decir con estos términos?

Los amperios máximos para la transmisión de potencia utilizan la regla de 700 mils circulares por amperio, que es muy muy conservadora. Los amperios máximos para el cableado del chasis también son conservadores, pero están pensados para el cableado en el aire y no en un haz.

La principal diferencia aquí (de nuevo) es el aumento aceptable de la temperatura. Tenga en cuenta que la columna "cableado del chasis" está pensada para situaciones en las que los cables pueden disipar el calor fácilmente.

En caso de duda, utilice un cable de mayor calibre, pero por supuesto supondrá un gasto adicional.

Para hacer frente a su confusión acerca de su cargador USB, calibre del cable es no de potencia, sino de corriente. El aislamiento de un cable es lo que proporciona la tensión nominal* (mejor aislamiento = mayor tensión), mientras que el calibre del cable es lo que proporciona la corriente nominal (mayor calibre = mayor corriente).

* Y también su temperatura nominal. Un aislante que se funde a cierta temperatura podría crear un peligro cuando el conductor alcance su temperatura, pudiendo provocar un incendio aunque el conductor aún no corra el riesgo de fallar.

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Ian Puntos 108

La respuesta sencilla es que no se necesita un cable tan pesado. Cuanto más fino sea el hilo, más resistencia tendrá y más se calentará. A temperaturas muy altas, el cable acabará fundiendo el aislamiento. Estas tablas son muy conservadoras.

He aquí una respuesta que escribí hace un tiempo para lo que es esencialmente la misma pregunta: https://electronics.stackexchange.com/q/580866

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Passerby Puntos 28913

El diseño de tiras de leds de alto consumo de corriente consiste en equilibrar los valores nominales con los reales.

Las propias tiras de leds utilizan FPC de resistencia comparativamente alta. Esto impide que la tira consuma toda la corriente debido a la forma en que la resistencia acumulada se suma en comparación con la corriente consumida. Por otro lado, cada sección de la tira de leds consume cada vez menos corriente que la anterior. Todo es lineal.

Ya sabes que debes inyectar potencia cada 5 m, pero en la práctica probablemente deberías hacerlo cada 2,5 m y en ambos extremos, para reducir mejor los problemas de resistencia de los FPC.

En cuanto al cableado total, parece que estás mirando la tabla de transmisión de potencia en lugar de la tabla de cableado del chasis. El cableado del chasis es lo que estás haciendo. Una longitud relativamente corta, dentro de una caja, probablemente desagrupado. Así que no está ejecutando 100 conductores dentro de un solo cable donde el calor realmente se suma. Es probable que esté utilizando cables individuales o cable zip. Y dependiendo de su diseño, la corriente acumulada será diferente en cada módulo.

Pero consideremos su caso de uso real, 14 módulos independientes. Cada uno sólo 0,6m de tira led o 18 leds o alrededor de 1 Amp. Cada módulo puede funcionar de forma independiente, puede funcionar en paralelo y si se organiza sabiamente tendrá una necesidad mínima de cables de alta capacidad. Los cables de entrada tendrán que llevar toda la corriente, pero si se utiliza una topología de árbol, o se ramifican en una topología de estrella sólo uno o dos módulos verán toda esa corriente.

Si conectas otros 3 módulos al módulo primario, éste verá 1 amperio para sí mismo y 14 amperios para los demás, y cada salida podrá llevar entre 1 y 12 amperios. Si cada uno de esos 3 tiene el mismo número de módulos conectados, la salida media del primero es de 4,33 Amperios cada uno. etc. Si conectas dos módulos aguas abajo, la potencia también se divide. La cosa se complica rápidamente. Pero si sólo conectas un módulo entre sí en una configuración en serie grande, entonces sí tienes que preocuparte de que la corriente se sume.

En la práctica, hay dos respuestas. Una es que utilices cables de tamaño generoso dentro de cada uno. Para tu objetivo de 15A y nunca ampliar, a 2 m hasta el módulo y otros 2 metros de cableado sólo de alimentación, entonces 14 AWG debería ser suficiente.

La segunda solución es la regulación localizada de la potencia. El problema de la baja tensión a alta corriente en tramos largos es que los conductores necesarios son cada vez más grandes. Si se reducen las necesidades de corriente, el problema desaparece. Por eso se utilizan 120/240 V en lugar de 12 V o 5 V para el cableado doméstico. La potencia necesaria es la misma, pero la corriente no. Si cambias tu objetivo de 5V 15A o 75W a 12V, para 75W solo necesitaras 6 Amperios. Para 24V son 3 Amperios. Ahora puedes usar cable de 18 o 20 AWG. Pero la contrapartida es que el módulo es más complejo. Regularas los 12V a 5V dentro del modulo para tus leds. Un regulador de conmutación en cada módulo lo haría. Usted tiene que ajustar para la pena regulador, así, digamos que el 20% de la necesidad local de energía (5V 1A o 5W a cabo necesitaría alrededor de 6W en).

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