Được đề cập trong Hướng dẫn Về Công suất điện
- Định nghĩa của công suất điện
- Ví dụ về truyền năng lượng điện
- Watts, đơn vị công suất SI
- Tính toán công suất sử dụng điện áp, dòng điện và điện trở
- Xếp hạng công suất tối đa
Công suất điện là gì?
Có nhiều loại công suất nhưng chúng tôi sẽ tập trung vào công suất điện. Vậy công suất điện là gì?
Theo thuật ngữ vật lý phổ thông, công suất được định nghĩa là tốc độ mà năng lượng được truyền (hoặc biến đổi) .
Vì vậy, trước tiên, năng lượng điện hay công suất điện là gì và nó được chuyển như thế nào? Thật khó để nhà nước đơn giản, nhưng năng lượng cơ bản là khả năng của một cái gì đó để di chuyển một cái gì đó khác. Có nhiều dạng năng lượng: cơ học, điện, hóa học, điện từ, nhiệt và nhiều dạng khác.
Năng lượng không bao giờ có thể được tạo ra hoặc bị phá hủy, chỉ được chuyển sang dạng khác. Rất nhiều những gì chúng tôi đang làm trong lĩnh vực điện tử là chuyển đổi các dạng năng lượng khác nhau thành và từ năng lượng điện . Đèn LED chiếu sáng biến năng lượng điện thành năng lượng điện từ. Động cơ quay vòng biến năng lượng điện thành cơ năng. Tiếng vo ve vo ve tạo nên năng lượng âm thanh. Việc cấp nguồn cho một mạch pin kiềm 9V biến năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Tất cả những điều này đều là hình thức truyền năng lượng .
| Loại năng lượng được chuyển đổi | Được chuyển đổi bởi |
|---|---|
| Cơ khí | Động cơ điện |
| Điện từ | Đèn LED |
| Nhiệt | Điện trở |
| Hóa chất | Ắc quy |
| Gió | Cối xay gió |
Ví dụ các thành phần điện, chuyển năng lượng điện sang dạng khác.
Năng lượng điện nói riêng, bắt đầu như năng lượng tiềm năng – cái mà chúng ta gọi một cách thân thương là điện áp . Khi dòng điện chạy qua thế năng đó, nó sẽ biến thành năng lượng điện. Trong hầu hết các mạch điện hữu ích, năng lượng điện đó biến đổi thành một số dạng năng lượng khác. Công suất điện được đo bằng cách kết hợp cả bao nhiêu năng lượng điện được chuyển và tốc độ truyền đó xảy ra.
Mỗi thành phần trong mạch tiêu thụ hoặc tạo ra năng lượng điện. Một người tiêu dùng biến đổi năng lượng điện thành một dạng khác. Ví dụ, khi một đèn LED sáng lên, năng lượng điện được biến đổi thành điện từ. Trong trường hợp này, bóng đèn tiêu thụ điện năng. Điện năng được sản xuất khi năng lượng được chuyển thành điện năng từ một số dạng khác. Pin cung cấp năng lượng cho mạch là một ví dụ về bộ sản xuất điện .
Công suất
Năng lượng được đo bằng jun (J). Vì công suất là thước đo năng lượng trong một khoảng thời gian nhất định, chúng ta có thể đo nó bằng jun trên giây . Các đơn vị SI cho joules mỗi giây là watt viết tắt là W .
Rất phổ biến khi thấy “watt” đứng trước một trong các tiền tố SI tiêu chuẩn : microwatts (µW), miliwatt (mW), kilowatt (kW), megawatt (MW) và gigawatt (GW), tất cả đều phổ biến tùy thuộc vào tình huống .
| Tên tiền tố | Viết tắt tiền tố | Mũ |
|---|---|---|
| Nanowatt | nW | 10-9 |
| Microwatt | µW | 10-6 |
| Milliwatt | mW | 10-3 |
| Watt | W | 100 |
| Kilowatt | kW | 103 |
| Megawatt | MW | 106 |
| Gigawatt | GW | 109 |
Các bộ vi điều khiển, như Arduino thường sẽ hoạt động trong phạm vi µW hoặc mW. Máy tính xách tay và máy tính để bàn hoạt động trong dải công suất watt tiêu chuẩn. Mức tiêu thụ năng lượng của một ngôi nhà thường nằm trong khoảng kilowatt. Các sân vận động lớn có thể hoạt động ở quy mô megawatt. Và gigawatt phát huy tác dụng đối với các trạm phát điện và cỗ máy thời gian quy mô lớn.
Tính toán công suất
Công suất điện là tốc độ truyền năng lượng. Nó được đo bằng jun trên giây (J / s) – a watt (W). Với một vài thuật ngữ cơ bản về điện mà chúng ta biết, làm thế nào chúng ta có thể tính công suất trong mạch? Chà, chúng tôi có một phép đo rất chuẩn liên quan đến năng lượng thế – vôn (V) – được định nghĩa theo jun trên một đơn vị điện tích (coulomb) (J / C). Dòng điện, một thuật ngữ điện yêu thích khác của chúng tôi, đo dòng điện tích theo thời gian dưới dạng ampe (A) – coulombs trên giây (C / s). Đặt cả hai lại với nhau và chúng ta nhận được gì ?
Để tính toán công suất của bất kỳ thành phần cụ thể nào trong một mạch, hãy nhân điện áp rơi trên nó với dòng điện chạy qua nó.
Ví dụ
Dưới đây là một mạch đơn giản (mặc dù không phải là tất cả các chức năng): một pin 9V được kết nối với một điện trở 10Ω.
Làm thế nào để chúng tôi tính toán công suất trên điện trở? Đầu tiên chúng ta phải tìm dòng điện chạy qua nó. Đủ dễ dàng … định luật Ohm !
Được rồi, 900mA (0,9A) chạy qua điện trở và 9V trên nó. Khi đó người ta dùng công suất nào để tác dụng vào điện trở?
Một điện trở biến điện năng thành nhiệt năng. Vì vậy, mạch này biến đổi 8,1 jun năng lượng điện để làm nóng mỗi giây.
Tính toán công suất trong mạch điện trở
Khi nói đến tính toán công suất trong một mạch điện trở thuần túy, bạn thực sự cần biết hai trong ba giá trị (điện áp, dòng điện và / hoặc điện trở).
Bằng cách kết hợp định luật Ohm (V = IR hoặc I = V / R) vào phương trình công suất truyền thống, chúng ta có thể tạo ra hai phương trình mới. Đầu tiên, hoàn toàn về điện áp và điện trở:
Vì vậy, trong ví dụ trước của chúng tôi, 9V 2 / 10Ω (V 2 / R) là 8,1W và chúng tôi không bao giờ phải tính dòng điện chạy qua điện trở.
Phương trình công suất thứ hai có thể được hình thành chỉ dựa trên dòng điện và điện trở:
Tại sao chúng ta quan tâm đến công suất giảm trên một điện trở? Hoặc bất kỳ thành phần nào khác cho vấn đề đó. Hãy nhớ rằng sức mạnh là sự chuyển giao năng lượng từ loại này sang loại khác. Khi năng lượng điện đó chạy từ nguồn điện chạm vào điện trở thì cơ năng đó biến đổi thành nhiệt năng. Có thể nhiều nhiệt hơn điện trở có thể xử lý. Điều này dẫn chúng ta đến … xếp hạng sức mạnh.
Xếp hạng công suất
Tất cả các thành phần điện tử truyền năng lượng từ loại này sang loại khác. Một số chuyển giao năng lượng mong muốn: đèn LED phát ra ánh sáng, động cơ quay, sạc pin. Sự chuyển giao năng lượng khác là không mong muốn, nhưng cũng không thể tránh khỏi. Những chuyển giao năng lượng không mong muốn này là tổn thất điện năng , thường biểu hiện dưới dạng nhiệt. Mất điện quá nhiều – quá nhiều nhiệt trên một linh kiện – có thể trở nên rất không mong muốn.
Ngay cả khi chuyển giao năng lượng là mục tiêu chính của một thành phần, vẫn sẽ có tổn thất đối với các dạng năng lượng khác. Ví dụ, đèn LED và động cơ sẽ vẫn tạo ra nhiệt như một sản phẩm phụ của quá trình truyền năng lượng khác của chúng.
Hầu hết các thành phần đều có xếp hạng cho mức công suất tối đa mà chúng có thể tiêu hao và điều quan trọng là phải giữ cho chúng hoạt động dưới giá trị đó. Điều này sẽ giúp bạn tránh được điều mà chúng tôi ưu ái gọi là “để ma thuật bốc khói”.
Xếp hạng công suất điện trở
Điện trở là một số thủ phạm khét tiếng hơn gây mất điện. Khi bạn giảm một số điện áp trên một điện trở, bạn cũng sẽ tạo ra dòng điện chạy qua nó. Nhiều điện áp hơn, có nghĩa là nhiều dòng hơn, có nghĩa là nhiều điện hơn.
Hãy nhớ lại ví dụ tính toán công suất đầu tiên của chúng tôi , nơi chúng tôi phát hiện ra rằng nếu 9V được thả qua một điện trở 10Ω, thì điện trở đó sẽ tiêu tán 8,1W. 8.1 là rất nhiều watt cho hầu hết các điện trở. Hầu hết các điện trở được đánh giá ở bất kỳ đâu từ ⅛W (0,125W) đến ½W (0,5W). Nếu bạn giảm 8W trên điện trở ½W tiêu chuẩn, hãy chuẩn bị sẵn bình chữa cháy.
Nếu bạn đã nhìn thấy điện trở trước đây, chắc chắn bạn đã thấy những thứ này. Trên cùng là điện trở ½W và dưới là ¼W. Chúng không được chế tạo để tiêu hao nhiều điện năng.
Có các điện trở được chế tạo để xử lý các trường hợp sụt giảm điện năng lớn. Chúng được gọi cụ thể là điện trở công suất .
Những điện trở lớn này được chế tạo để tiêu tán nhiều điện năng. Từ trái sang phải: hai điện trở 3W 22kΩ, hai điện trở 5W 0,1Ω, và 25W 3Ω và 2Ω.
Nếu bạn từng thấy mình chọn ra một giá trị điện trở. Hãy ghi nhớ đánh giá sức mạnh của nó. Và, trừ khi mục tiêu của bạn là làm nóng thứ gì đó (các phần tử làm nóng về cơ bản là điện trở có công suất cao), hãy cố gắng giảm thiểu tổn thất điện năng trong điện trở.
Ví dụ
Xếp hạng công suất điện trở có thể phát huy tác dụng khi bạn đang cố gắng quyết định giá trị cho điện trở giới hạn dòng điện LED. Ví dụ: bạn muốn thắp sáng đèn LED đỏ siêu sáng 10mm ở độ sáng tối đa, sử dụng pin 9V.
Đèn LED đó có dòng chuyển tiếp tối đa là 80mA và điện áp chuyển tiếp khoảng 2,2V. Vì vậy, để cung cấp 80mA cho đèn LED, bạn cần một điện trở 85Ω để làm như vậy.
6.8V rơi trên điện trở và 80mA chạy qua nó có nghĩa là 0.544W (6.8V * 0.08A) công suất bị mất trên nó. Một điện trở nửa watt sẽ không thích như vậy lắm! Nó có thể sẽ không tan chảy, nhưng nó sẽ nóng lên . Chơi nó an toàn và di chuyển đến điện trở 1W (hoặc tiết kiệm điện và sử dụng trình điều khiển LED chuyên dụng).
Điện trở chắc chắn không phải là thành phần duy nhất phải xem xét xếp hạng công suất tối đa. Bất kỳ thành phần nào có đặc tính điện trở với nó sẽ tạo ra tổn thất nhiệt điện. Làm việc với các thành phần thường phải chịu công suất cao – ví dụ như bộ điều chỉnh điện áp, điốt , bộ khuếch đại và trình điều khiển động cơ – có nghĩa là phải đặc biệt chú ý đến tổn thất điện năng và ứng suất nhiệt.