สายไฟ คอนเนกเตอร์ และ PCB

ทำไมต้องรู้

สายไฟและขั้วต่อเป็นจุดที่เกิดเหตุบ่อยที่สุดของระบบไฟฟ้าโดรน สายเล็กเกินไปจะร้อนและทำให้แรงดันตก ขั้วต่อที่หลวมหรือพิกัดต่ำจะร้อนจนพลาสติกละลาย และสายกระแสสูงที่วางใกล้เข็มทิศทำให้โดรนหาทิศผิดจนบินวน งานเหล่านี้ดูเล็ก แต่ตัดสินว่าระบบที่ออกแบบมาดีจะทำงานได้จริงหรือไม่

เลือกขนาดสาย

ความต้านทานของสายทองแดงที่ 20 °C ตาม NBS Handbook 100 (ตารางสายทองแดงอ่อน) เช่น 10 AWG มีความต้านทาน 3.277 Ω/km, 12 AWG 5.21 Ω/km, 14 AWG 8.28 Ω/km และ 16 AWG 13.2 Ω/km เลข AWG ยิ่งน้อย สายยิ่งใหญ่ วงจรไฟตรงต้องนับความยาวทั้งสายบวกและสายลบ

ohm_per_km = {10: 3.277, 12: 5.21, 14: 8.28, 16: 13.2}   # NBS Handbook 100, ทองแดงที่ 20 °C
amps, length_m, limit_v = 80, 0.6, 0.01 * 22.2
for awg, r_km in ohm_per_km.items():
    r = r_km * length_m / 1000
    drop, heat = amps * r, amps ** 2 * r
    verdict = "ok" if drop <= limit_v else "too small"
    print(f"{awg} AWG: {r * 1000:.2f} mΩ, drop {drop:.3f} V, heat {heat:.1f} W -> {verdict}")

10 AWG: 1.97 mΩ, drop 0.157 V, heat 12.6 W -> ok
12 AWG: 3.13 mΩ, drop 0.250 V, heat 20.0 W -> too small
14 AWG: 4.97 mΩ, drop 0.397 V, heat 31.8 W -> too small
16 AWG: 7.92 mΩ, drop 0.634 V, heat 50.7 W -> too small

ขั้วต่อ

พิกัดกระแสของขั้วต่อต้องดูจาก เอกสารข้อมูลของผู้ผลิต ไม่ใช่ตัวเลขในชื่อรุ่นหรือคำโฆษณา เช่น เอกสารของ Amass ระบุ XT60H-M (ฉบับ 2025) ที่ 35 A กับสาย 12 AWG และ XT90H-M ที่ 45 A (ชั่วขณะ 90 A) กับสาย 10 AWG ตัวเลข “90” ในชื่อ XT90 จึงไม่ใช่กระแสต่อเนื่อง โดรนสำรวจที่กระแสสูงสุดราว 100 A ต้องเลือกขั้วต่อที่พิกัดรองรับ หรือจำกัดกระแสสูงสุดให้ต่ำกว่านั้น

ลายวงจรบน PCB

บอร์ดกระจายไฟและบอร์ดเสริมใช้ลายทองแดงแทนสาย สูตรจาก IPC-2221 ที่เครื่องคำนวณของผู้ผลิต PCB ใช้คือ $I=k\Delta T^{0.44}{A}^{0.725}$ เมื่อ $A$ คือพื้นที่หน้าตัด (ตารางมิล) $\Delta T$ คืออุณหภูมิที่เพิ่ม (°C) และ $k=0.048$ สำหรับชั้นนอก ส่วนมาตรฐาน IPC-2152 (2009) เป็นมาตรฐานเฉพาะเรื่องความสามารถรับกระแสของลายวงจร ควรใช้กับงานจริง

k, delta_t, amps = 0.048, 10, 5                    # ชั้นนอก, °C, A
area_mil2 = (amps / (k * delta_t ** 0.44)) ** (1 / 0.725)
thickness_mil = 1.378                              # ทองแดง 1 oz/ft²
width_mil = area_mil2 / thickness_mil
print(f"{amps} A, +{delta_t} °C: area {area_mil2:.0f} mil², width {width_mil:.0f} mil = {width_mil * 0.0254:.2f} mm")

5 A, +10 °C: area 150 mil², width 109 mil = 2.77 mm

ใน KiCad (รุ่น 10 สัญญาอนุญาต GPL) ใช้ ERC ตรวจแผนผังวงจร เช่น ขาไฟที่ไม่ได้ต่อ และ DRC ตรวจแผ่นวงจร เช่น ลายที่แคบกว่ากฎหรืออยู่ชิดกันเกินไป ตั้งกฎความกว้างลายของเส้นไฟให้ตรงกับที่คำนวณไว้

ลดการรบกวนเข็มทิศ

กระแสสูงในสายสร้างสนามแม่เหล็กที่รบกวนเข็มทิศ ให้สายกระแสสูงสั้นที่สุด วางสายบวกและลบชิดกันให้สนามหักล้างกัน และติดเข็มทิศบนเสาให้ห่างจาก PDB และแบตเตอรี่ ArduPilot มีขั้นตอน CompassMot วัดการรบกวนจากมอเตอร์และสายไฟ ผลต่ำกว่า 30% ถือว่ายอมรับได้ 31–60% เป็นช่วงก้ำกึ่ง และเกิน 60% ควรย้ายตำแหน่งหรือใช้เข็มทิศภายนอก

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• เลือกขนาดสายจากความต้านทานต่อความยาว แรงดันตก และความร้อน โดยนับสายไปกลับ
• พิกัดขั้วต่อต้องมาจากเอกสารข้อมูลของผู้ผลิต
• ลายวงจรประมาณด้วยสูตร IPC-2221 และควรตรวจกับ IPC-2152 แล้วตรวจแบบด้วย ERC และ DRC
• สายกระแสสูงต้องสั้น วางชิดกัน และห่างเข็มทิศ CompassMot ต่ำกว่า 30% ยอมรับได้

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. สาย 12 AWG ยาวไปกลับ 1 m มีความต้านทานเท่าใด
2. สายนั้นมีกระแส 40 A แรงดันตกและความร้อนเท่าใด
3. ทำไมตัวเลขในชื่อ XT90 จึงไม่ใช่กระแสต่อเนื่องที่ใช้ออกแบบ
4. ใน KiCad การตรวจใดใช้หาลายวงจรที่ชิดกันเกินไป
5. ผล CompassMot 70% ควรทำอย่างไร