12V veya 24V Sistem İçin Güç Kaynağı Hesaplama Rehberi

Güç kaynağı hesaplama, bir otomasyon sistemindeki cihazların ihtiyaç duyduğu DC gerilim ve akımın belirlenerek uygun SMPS modelinin seçilmesi işlemidir. SMPS, şebeke gerilimini sensörlerin, rölelerin, fanların, motorların ve kontrol kartlarının kullanabileceği kararlı DC gerilime dönüştüren anahtarlamalı güç kaynağıdır. Bu güç kaynakları otomasyon panolarında, makine içi kontrol sistemlerinde, robotik uygulamalarda ve elektronik projelerde yaygın olarak kullanılır.

Yanlış kapasitede seçilen bir güç kaynağı normal çalışma sırasında yeterli görünse bile motor devreye girdiğinde gerilim düşmesine, kontrol kartının yeniden başlamasına, rölelerin bırakmasına veya güç kaynağının korumaya geçmesine neden olabilir. Bu nedenle hesaplama sürekli akım ve anlık tepe akımı için ayrı yapılmalıdır.

Önce Sistem Gerilimi Belirlenmelidir

Hesaplamaya başlamadan önce cihazların çalışma gerilimleri kontrol edilmelidir. 12 V DC ile çalışan bir cihaz doğrudan 24 V DC güç kaynağına, 24 V DC cihaz da doğrudan 12 V DC güç kaynağına bağlanamaz.

Sistemde hem 12 V hem de 24 V cihazlar bulunuyorsa şu yöntemlerden biri kullanılabilir:

• 12 V ve 24 V yükler için ayrı güç kaynakları kullanmak
• Ana beslemeyi 24 V DC seçerek uygun bir DC-DC dönüştürücüyle 12 V DC elde etmek
• Birden fazla çıkış sunan ve yük gereksinimlerine uygun olduğu doğrulanmış bir güç kaynağı kullanmak

Farklı gerilim seviyelerindeki cihazların akımları doğrudan toplanmamalıdır. Her gerilim hattı kendi içinde hesaplanmalı veya toplam güç watt cinsinden değerlendirilmelidir.

Güç Kaynağı Hesaplama İçin Temel Formüller

Bir DC cihazın güç tüketimi aşağıdaki formülle hesaplanabilir:

Güç = Gerilim × Akım

Örneğin 24 V DC ile çalışan ve 0,20 A çeken bir fanın nominal güç tüketimi:

24 V × 0,20 A = 4,8 W

Aynı gerilim hattına bağlı cihazların toplam sürekli akımı ise şu şekilde hesaplanır:

Toplam sürekli akım = Cihaz adedi × Bir cihazın çalışma akımı

Birden fazla cihaz grubu olduğunda bütün sonuçlar toplanır:

I sürekli = I sensörler + I röleler + I fanlar + I kontrol kartı + I motor

Bu hesap yapılırken yalnızca aynı anda çalışabilecek yükler dikkate alınmalıdır. Ancak çalışma senaryosu kesin olarak bilinmiyorsa bütün cihazların eş zamanlı çalıştığı en ağır durum üzerinden hesap yapmak daha güvenli bir yaklaşımdır.

Örnek 24V Otomasyon Panosu

Aşağıdaki değerler hesaplama yöntemini göstermek amacıyla hazırlanmış örnek değerlerdir. Gerçek projede her cihazın etiketi, datasheet bilgisi veya ölçülen akımı kullanılmalıdır.

Bu panonun sürekli çalışma sırasında beklenen toplam akımı 3,11 A seviyesindedir.

Rölelerde yalnızca bobinin güç kaynağından çektiği akım hesaba katılmıştır. Röle kontaklarından geçirilen motor, lamba, valf veya başka bir yük ayrıca kendi besleme hattına dahil edilmelidir. Rölenin kontak akımı, röle bobininin tükettiği akım değildir.

Sürekli Yük İçin Güvenlik Payı Nasıl Eklenir?

Bir güç kaynağının sürekli olarak kapasitesinin sınırında çalıştırılması; pano sıcaklığı, kablo kayıpları, ür

etim toleransları ve gelecekte sisteme eklenecek küçük yükler nedeniyle uygun olmayabilir.

Bu örnekte tasarım payı olarak yüzde 25 güvenlik payı kullanılabilir:

3,11 A × 1,25 = 3,89 A

Buna göre güç kaynağının sürekli çıkış kapasitesi en az yaklaşık 3,9 A olmalıdır.

Gerekli sürekli güç:

24 V × 3,89 A = 93,36 W

Yalnızca sürekli yük dikkate alındığında 24 V DC, 4,5 A ve yaklaşık 100 W sınıfındaki bir SMPS yeterli görünebilir. Ancak motor bulunan sistemlerde seçim bu noktada tamamlanmamalıdır.

Yüzde 25 değeri her sistem için zorunlu bir standart değildir. Ortam sıcaklığı, pano havalandırması, güç kaynağının derating eğrisi, çalışma süresi ve üretici tavsiyelerine göre daha düşük veya daha yüksek tasarım payı gerekebilir.

Motor Kalkış Akımı Ayrı Hesaplanmalıdır

DC motor dururken henüz ters elektromotor kuvveti oluşmadığından, ilk hareket anında normal çalışma akımından daha yüksek akım çekebilir. Kalkış akımı motorun yapısına, sargı direncine, bağlı mekanik yüke, sürücüye, hızlanma süresine ve uygulanan PWM kontrolüne göre değişir.

Bu nedenle motor kalkış akımı için sabit bir çarpan kullanmak yerine şu kaynaklardan biri tercih edilmelidir:

1. Motor datasheet’indeki kalkış veya stall akımı
2. Motor sürücüsünün akım limiti
3. Üretici tarafından belirtilen tepe akımı
4. Uygun ölçüm cihazıyla gerçek çalışma koşullarında yapılan ölçüm

Omron’un güç kaynağı teknik rehberinde de yük tarafında kalkış akımı bulunması durumunda bu akımı karşılayabilecek kapasitenin seçilmesi önerilmektedir. Bazı güç kaynakları kısa süreli aşırı yük sağlayabilirken bazı modeller anlık aşırı akımda çıkış gerilimini sınırlar veya korumaya geçer.

Örnek panodaki motorun normal çalışma akımı 2 A, doğrulanmış kalkış akımı ise 6 A kabul edilsin.

Motor dışındaki sürekli yükler:

0,30 A + 0,25 A + 0,16 A + 0,40 A = 1,11 A

Motorun kalktığı anda ihtiyaç duyulan toplam akım:

1,11 A + 6 A = 7,11 A

Kalkış anındaki güç ihtiyacı:

24 V × 7,11 A = 170,64 W

Bu durumda 24 V DC, 4,5 A bir güç kaynağı sürekli tüketimi karşılayabilse de motorun kalkışındaki 7,11 A talebi karşılayamayabilir. Sonuç olarak çıkış gerilimi düşebilir, kontrol kartı yeniden başlayabilir veya SMPS aşırı akım korumasına geçebilir.

Güç Kaynağının Tepe Akım Kapasitesi Nasıl Kontrol Edilir?

Güç kaynağı seçilirken yalnızca etiket üzerindeki nominal akım incelenmemelidir. Teknik dokümanda aşağıdaki özellikler aranmalıdır:

• Kısa süreli tepe akım kapasitesi
• Tepe gücün sürdürülebildiği süre
• Aşırı yük korumasının çalışma biçimi
• Sabit akım sınırlama veya kapanıp yeniden başlama davranışı
• Ortam sıcaklığına bağlı güç düşümü
• Kapasitif ve endüktif yüklerle kullanım şartları

Bazı özel güç kaynağı serileri motorların kalkışındaki kısa süreli enerji ihtiyacını karşılamak için nominal gücün üzerinde tepe güç sunabilir. Ancak bu özellik bütün SMPS modellerinde bulunmaz ve seri bazında datasheet üzerinden doğrulanmalıdır.

Örnek pano için üç temel seçenek bulunmaktadır:

• Tepe akım kapasitesi en az 7,11 A olan ve gerekli süreyi desteklediği belgelenmiş bir güç kaynağı kullanmak
• Nominal çıkışı motor kalkış akımını da karşılayan 24 V DC, 8,8 A veya 10 A sınıfı bir güç kaynağı seçmek
• Motoru ayrı, sensör ve kontrol devresini ayrı bir güç kaynağından beslemek

Kontrol devresi ile motor beslemesinin ayrılması, motor kalkışı sırasında oluşabilecek gerilim düşümünün sensörleri ve kontrol kartını etkilemesini azaltabilir.

12V Sistemlerde Hesaplama Değişir mi?

Hesaplama yöntemi 12 V sistemlerde de aynıdır. Ancak cihaz akımları ve gerekli kablo kesitleri yeniden değerlendirilmelidir.

Örneğin 100 W güç için teorik akım:

12 V sistemde: 100 W ÷ 12 V = 8,33 A

24 V sistemde: 100 W ÷ 24 V = 4,17 A

Aynı gücü taşıyan 12 V sistem yaklaşık iki kat akım gerektirir. Akım arttıkça kablo üzerindeki gerilim düşümü ve bağlantı noktalarındaki kayıplar daha önemli hâle gelir. Bu nedenle uzun kablo kullanılan veya yüksek güç taşıyan uygulamalarda, cihazlar uyumluysa 24 V sistem daha düşük hat akımı sağlayabilir.

Ancak yalnızca akımı azaltmak amacıyla 12 V cihazlara 24 V uygulanmamalıdır. Sistem gerilimi her zaman bağlı cihazların izin verilen besleme aralığına göre seçilmelidir.

Voltmetre ve Ampermetre ile Sistem Nasıl Kontrol Edilir?

Hesaplanan akım ile gerçek tüketim arasında fark bulunabilir. Motorun mekanik yükü, fanların durumu, rölelerin aynı anda çalışması ve sensörlerin çıkış durumları toplam tüketimi etkileyebilir.

Pano tamamlandıktan sonra aşağıdaki kontroller yapılabilir:

1. Güç kaynağı çıkış gerilimi yüksüz durumda ölçülür.
2. Bütün sürekli yükler çalıştırılarak toplam akım kontrol edilir.
3. Motor devreye alınırken gerilimde belirgin düşüş olup olmadığı gözlemlenir.
4. Kalkış anındaki tepe akım, bu ölçüme uygun bir cihazla kontrol edilir.
5. Güç kaynağının ve bağlantı noktalarının çalışma sıcaklıkları izlenir.

Panel tipi ölçüm ürünleri için Voltmetre-Ampermetre modelleri incelenebilir. Kullanılacak ölçüm cihazının gerilim ve akım aralığı sisteme uygun olmalı, şönt gerektiren ampermetreler bağlantı şemasına göre kullanılmalıdır.

Kablo ve Klemens Seçimi Neden Hesaba Dahildir?

Güç kaynağının yeterli olması, ince veya uzun bir kablodaki gerilim düşümünü ortadan kaldırmaz. Kablo seçimi yapılırken şu özellikler birlikte değerlendirilmelidir:

• Sürekli taşınacak akım
• Motor kalkış akımı
• Kablo uzunluğu
• İzin verilen gerilim düşümü
• Ortam sıcaklığı
• Kablo döşeme biçimi
• Klemens ve konnektörün nominal akımı
• İletkenin bağlantı noktasına uygunluğu

Özellikle 12 V sistemlerde küçük bir gerilim kaybı, toplam besleme geriliminin daha büyük bir bölümünü oluşturur. Güç dağıtımı için kullanılan klemenslerin, konnektörlerin ve kablo uçlarının da devrenin en yüksek akımını güvenli biçimde taşıyabilmesi gerekir.

Pano bağlantıları için Kablo-Konnektör-Klemens ürünleri, güç dağıtımı için ise klemens çeşitleri değerlendirilebilir.

Güç Kaynağı Seçiminde Sık Yapılan Hatalar

Yalnızca Watt Değerine Bakmak

Güç kaynağının çıkış gerilimi ve akımı birlikte kontrol edilmelidir. 100 W gücündeki 12 V ve 24 V güç kaynaklarının çıkış akımları aynı değildir.

Motorun Normal Akımını Kullanmak

Motorun etiket çalışma akımı sürekli tüketimi gösterebilir ancak kalkış, sıkışma veya ağır mekanik yük durumundaki tepe akımı göstermeyebilir.

Röle Kontak Akımıyla Bobin Akımını Karıştırmak

Üzerinde 10 A kontak değeri yazan bir röle, bobin üzerinden 10 A çekmez. Bobin tüketimi ayrı, kontakların anahtarladığı yük ayrı hesaplanmalıdır.

Bütün Yükleri Tek Güç Kaynağına Bağlamak

Motor ve solenoid gibi ani akım çeken yüklerin hassas kontrol kartlarıyla aynı kaynaktan beslenmesi, gerilim düşümü sorunlarına neden olabilir. Gerektiğinde besleme hatları ayrılmalıdır.

Ortam Sıcaklığını Dikkate Almamak

Birçok güç kaynağında yüksek sıcaklıkta kullanılabilecek maksimum güç azalabilir. Pano içi sıcaklık ile ürünün derating eğrisi birlikte değerlendirilmelidir.

SMPS Giriş Akımıyla Motor Kalkış Akımını Karıştırmak

Motor kalkış akımı güç kaynağının DC çıkış tarafında oluşur. SMPS’nin şebekeye ilk bağlandığında çektiği giriş ani akımı ise AC giriş sigortası ve devre kesici seçimini etkileyen farklı bir olaydır
.

12V ve 24V SMPS Seçenekleri

Meon Robotik Otomasyon’daki DC SMPS güç kaynakları kategorisinde 12 V ve 24 V çıkışlı, farklı akım kapasitelerine sahip metal kasalı ve DIN ray montajlı modeller bulunmaktadır. Kategorideki ürün seçenekleri arasında Mean Well, Delta ve Omron modelleri yer almaktadır.

12 V sistemlerde yük hesabına göre aşağıdaki modeller değerlendirilebilir:

• Mean Well LRS-75-12 12 V DC 6 A SMPS
• Delta 12 V DC 100 W 8,5 A SMPS
• Mean Well EDR-120-12 12 V DC 10 A DIN ray SMPS

24 V sistemlerde ise şu modeller örnek olarak incelenebilir:

• Mean Well LRS-100-24 24 V DC 4,5 A SMPS
• Delta 24 V DC 100 W 4,5 A SMPS
• Mean Well NDR-240-24 24 V DC 10 A DIN ray SMPS
• Omron S8VK-C12024 24 V DC 5 A DIN ray güç kaynağı

Bu modeller yalnızca gerilim ve nominal akım karşılaştırması için örnektir. Motor bulunan uygulamalarda ürünün aşırı yük davranışı, tepe akım kapasitesi, sıcaklık eğrisi ve montaj koşulları teknik dokümandan ayrıca kontrol edilmelidir.

Sonuç

12 V veya 24 V bir sistem için güç kaynağı seçerken önce aynı gerilim hattındaki sürekli yükler toplanmalı, ardından uygun bir tasarım payı eklenmelidir. Motor, solenoid ve kapasitif elektronik yüklerin kalkış akımları sürekli tüketimden ayrı değerlendirilmelidir.

Örnek panoda sürekli ihtiyaç güvenlik payıyla yaklaşık 3,9 A olmasına rağmen motor kalkışı sırasında toplam talep 7,11 A seviyesine çıkmaktadır. Bu nedenle yalnızca 24 V DC, 4,5 A değerine bakılarak yapılan seçim sürekli çalışmayı karşılayabilir ancak kalkış sırasında yetersiz kalabilir.

Son seçim; nominal akım, tepe akım süresi, aşırı yük koruması, pano sıcaklığı, kablo kaybı ve eş zamanlı çalışma senaryosu birlikte değerlendirilerek yapılmalıdır. Şebeke gerilimiyle çalışan güç kaynaklarının pano bağlantısı ve koruma elemanlarının seçimi yetkin kişiler tarafından, üretici dokümanlarına ve geçerli elektrik kurallarına uygun şekilde gerçekleştirilmelidir.

Kaynaklar ve dokümanlar

• Meon Robotik Otomasyon DC SMPS Güç Kaynakları
• Meon Robotik Otomasyon Voltmetre-Ampermetre
• Meon Robotik Otomasyon Kablo-Konnektör-Klemens
• Omron Güç Kaynakları Teknik Rehberi
• Omron S8VK-C Güç Kaynağı Teknik Dokümanı
• Mean Well Motor Uygulamaları İçin Tepe Güç Açıklaması