توان الكتريكي (مفاهيم اصلي و كاربردهاي آن در برق)

مقدمه

با سلام خدمت همه شما دوستان. در این جلسه قصد داریم در مورد توان الکتریکی و مفهوم اون با هم دیگه صحبت کنیم. پیشنهاد میکنم برای فهم بهتر این مطلب ، ابتدا مطالب زیر رو بخونید : 

• آشنایی با مفهوم الکتریسیته
• ولتاژ ، جریان ، مقاومت و قانون اهم
• مفهوم مدار الکتریکی
• آشنایی با مولتی متر

مقدمه

توان در شکل های مختلفی وجود داره. ما در این بخش میخوایم در مورد توان الکتریکی صحبت کنیم. اما توان الکتریکی چیست؟

در فیزیک ، توان رو به صورت میزان انرژی که تبدیل میشه ، تعریف می کنن.

اما انرژی چیست؟ انرژی اساسا توانایی چیزی برای حرکت دادن چیز دیگری است. نوع های مختلفی از انرژی وجود داره. انرژی مکانیکی ، الکتریکی ، شیمیایی ، الکترومغناطیسی ، گرمایی و …

انرژی نه به وجود می آید و نه از بین میره. فقط از حالتی به حالت دیگه تبدیل میشه. یکی از کارهایی که در الکترونیک ما انجام میدیم این هست که انرژی الکتریکی رو به یه انرژی دیگه تبدیل میکنیم یا یک انرژی رو به انرژی الکتریکی تبدیل میکنیم.  مثلا روشن کردن LED باعث تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی الکترومغناطیسی می شود. چرخیدن موتور در واقع تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی هست. صدا دادن یک بازر در واقع تبدیل انرژی الکتریکی به صدا هست. وقتی با یک باتری آلکالاین یک مدار رو تغذیه میکنیم در واقع انرژی شیمیایی رو به انرژی الکتریکی تبدیل کردیم. همه این مثال ها ، مثالی از تبدیل انرژی هستند.

در بسیاری از مدارها ، انرژی الکتریکی به انواع دیگر انرژی تبدیل میشه . توان الکتریکی با دو تا پارامتر اندازه گیری میشه:  اول این که چه میزان انرژی الکتریکی تبدیل شده  و دوم این که این انرژی با چه سرعتی تبدیل  شده.

تولید کننده ها و مصرف کننده ها :

هر قطعه در یک مدار الکتریکی یا تولید کننده یا مصرف کننده انرژی الکتریکی هست. مصرف کننده ها انرژی الکتریکی رو به انواع دیگه انرژی تبدیل میکنند و تولید کننده ها انرژی های دیگه رو به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند.  به عنوان مثال ، وقتی یک LED روشن میشه ، انرژی الکتریکی به انرژی الکترومغناطیسی تبدیل میشه. پس LED در نقش یک مصرف کننده ظاهر میشه. در عوض ، یک باتری انرژی شیمیایی رو به انرژی الکتریکی تبدیل میکنه. پس باتری در اینجا در نقش تولید کننده ظاهر میشه.

وات :

واحد اندازه گیری انرژی ژول هست و چون توان ، اندازه گیری انرژی جا به جا شده در طول زمان هست. واحد اندازه گیری توان میشه ، ژول بر ثانیه. در SI به ژول بر ثانیه میگن وات که اون رو با w نشون میدن. پس داریم : 

در مقیاس های مختلف ، وات میتونه با پیشوندهایی همراه بشه. مثلا میکروات (uW) ، میلی وات (mW) ، کیلو وات (kW)  ، گیگا وات (GW) . در جدول زیر ضرایب مربوط به هر کدوم از این پیشوندها آورده شده است : 

در میکروکنترلرها و بردهایی مثل برد آردوینو ، رنج توان در حدود میکروات یا میلی وات هست. لپتاپ ها و کامپیوترهای عادی در رنج وات عمل میکنند. مصرف کننده های انرژی در خانه ها معمولا در رنج کیلووات هستند. استادیوم های بزرگ ممکنه در رنج مگاوات عمل کنند و در نهایت ایستگاه های بزرگ برق در رنج گیگاوات عمل میکنند. 

محاسبه توان

همانطور که گفتیم ، توان الکتریکی اندازه گیری میزان انرژی جا به جا شده هست که با واحد ژول بر ثانیه یا وات اندازه گیری میشه. یکی از واحدهای معمول در دنیای الکترونیک ولت هست که خود ولت برابر میشه با ژول بر کولن. از طرف دیگه واحد دیگه ای هم وجود داره به نام آمپر که خود آمپر برابر میشه با کولن بر ثانیه. حالا اگه این دو تا رو در هم دیگه ضرب کنیم ، کولن از دو طرف خط میخوره و نتیجه میشه ژول بر ثانیه یعنی وات. 

بنابراین برای محاسبه توان هر قطعه کافی است ، ولتاژ دو سر اون قطعه رو در جریان عبوری از اون قطعه ضرب کنیم. به عبارت دیگر خواهیم داشت : 

مثال : 

در مدار ساده زیر ( که البته کاربردی هم ندارد) یک باتری 9 ولت به یک مقاومت 10 اهم متصل شده است. حالا ما میخوایم توان دو سر مقاومت رو محاسبه کنیم:

در ابتدا باید جریان عبوری از مقاومت رو محاسبه کنیم که این کار خیلی ساده با استفاده از قانون اهم امکان پذیر هست : 

بنابراین جریان عبوری از مقاومت 900 میلی آمپر هست و ولتاژ دو سر مقاومت هم 9 ولت هست. بنابراین توان مصرفی مقاومت برابر است با : 

مقاومت ، انرژی الکتریکی رو به گرما تبدیل میکنه. بنابراین در این مدار ، مقاومت در هر ثانیه 8.1 ژول انرژی رو به گرما تبدیل میکنه. 

محاسبه توان در مدارات مقاومتی :

وقتی میخوایم توان رو در یک مدار مقاومت محاسبه کنیم ، تنها کافی است دو تا از سه مقدار ولتاژ ، جریان و مقاومت رو داشته باشیم .

در واقع با استفاده از قانون اهم خیلی راحت میتونیم ولتآژ یا جریان رو برحسب مقاومت بنویسم و فرمول اصلی توان ( P = VI) رو باز نویسی کنیم. مثلا اگه بخوایم توان رو بر حسب ولتاژ و مقاومت بنویسیم در این صورت خواهیم داشت : 

بنابراین در مثال بالا اصلا نیازی نیست که جریان الکتریکی عبوری از مقاومت رو محاسبه کنیم و خیلی راحت با استفاده از فرمول بالا میتونستیم توان رو محاسبه کنیم : 

فرمول دیگه ای که برای توان وجود داره که با استفاده از اون توان بر حسب جریان و مقاومت نوشته میشه به صورت زیر هست : 

اما ما چرا باید نگران توان مصرفی قطعات باشیم ؟ همونطور که گفتیم توان ، تبدیل انرژی از شکلی به شکلی دیگر هست.وقتی انرژی الکتریکی از یک منبع تغذیه میرسه به یک مقاومت ، اون انرژی به گرما تبدیل میشه و در یک مقاومت احتمالا میشه انرژی بیشتری رو به گرما تبدیل کرد. اما تا چقدر؟ در اینجاست به بحثی به نام نرخ توان میرسیم: 

نرخ توان

همه قطعات الکتریکی ، انرژی رو از حالتی به حالت دیگه تبدیل میکنند. برخی از این تبدیل انرژی ها برای ما مفید هستند. مثلا روشن شدن LED ، چرخیدن موتور ، شارژ شدن باتری. برخی دیگر از این تبدیل ها برای ما مطلوب نیست اما بخوایم یا نخوایم وجود دارند. به این نوع تبدیل ها میگن توان تلف شده که معمولا خودش رو به صورت گرما نشون میده و گرمای بیش از حد در یک قطعه ممکنه خیلی جاها مشکل ساز بشه. 

حتی در زمان هایی که تبدیل انرژی برای ما مفیده مثل چرخش موتور یا روشن شدن LED ، ما با توان تلف شده هم روبرو هستیم و این قطعات هم مقدار گرما تولید میکنند. در واقع بازده ما 100 درصد نیست هیچ وقت.

اکثر قطعات یک ماکزیمم توانی دارند که اگه توان مصرفی اون ها از اون مقدار بالاتر بره به اون قطعه آسیب میرسه. پس باید حواسمون به این موضوع باشه.

نرخ توان مقاومت ها :

مقاومت ها یکی از قطعاتی هستند که کلا انرژی الکتریکی رو به گرما تبدیل میکنند. وقتی در دو سر یک مقاومت ولتاژی قرار میذاریم ، در واقع جریان الکتریکی رو ایجاد کردیم. همچنین ولتاژ بیشتر یعنی جریان بیشتر و این یعنی توان بیشتر. حالا برگردیم به مثال قبل. در مثال قبل وقتی ولتاژ 9 ولت رو به دو سر یک مقاومت 10 اهم اعمال میکردیم ، مقاومت در هر ثانیه 8.1 ژول انرژی رو از بین میبرد و در واقع توان مصرفی اون 8.1 وات بود. 8.1 وات برای یک مقاومت مقدار زیادی هست. رنج توان اکثر مقاومت ها از 1/8 وات (0.125 وات )هست تا 1/2 وات ( 0.5 وات) . اگه توان دو سر یک مقاومت 0.5 وات ، برابر 8 وات بشه ، مقاومت میسوزه. در واقع نباید توان اعمالی به دو سر یک مقاومت از یک ماکزیمم توان یک مقاومت بالاتر بره. 

البته یه سری مقاومت ها هم وجود دارند که ماکزیمم توان اون ها بالاتر هست. به این مقاومت ها ، مقاومت های قدرت گفته میشه. در شکل زیر نمونه ای از این مقاومت ها آورده شده است : 

در صورتی که فهمیدید برای یک مدار به چه مقاومتی نیاز دارید ، حتما به نرخ توان مصرفی اون هم توجه کنید و مگر در مواقعی که میخواید یه چیز رو گرم کنید ، سعی کنید که مقاومتی با توان مصرفی پایین رو انتخاب کنید تا توان تلف شده به حداقل مقدار خودش برسه. 

مثال:

فرض کنید میخواهیم مقاومت سر راه یک LED که در حالت ماکزیمم نور باید  ولتاژ دو سرش 2.2 ولت (forward voltage = 2.2v) و جریان عبوری ازش هم 80 میلی آمپر (forward Current = 80A ) باشه ، رو محاسبه کنیم. در این صورت خیلی راحت میتونیم بفهمیم که مقاومت سر راه این LED باید برابر 85 اهم باشه ( سوال : چرا؟ ) 

همونطور که از شکل هم مشخص هست ، ولتاژ دو سر مقاومت برابر 6.8 ولت میشه و چون جریان عبوری ازش هم 80 میلی آمپر هست ، پس توان مصرفی مقاومت برابر 0.544 وات هست که یک مقاومت با توان 0.5 وات  میتونه یک گزینه باشه که البته گرم میکنه. ولی پیشنهاد بهتر این هست که از یک مقاومت 1 وات استفاده کنیم. 

مقاومت ها تنها قطعاتی نیستند که باید براشون نرخ ماکزیمم توان در نظر گرفته بشه. هر قطعه ای با خاصیت مقاومتی ، یک توان تلف شده داره که باید این توان رو در نظر گرفت. از این قطعات میتوان به دیودها و رگولاتورها اشاره کرد. 

خوب دوستان. برای این جلسه هم کافی هست. مثل همیشه میتونید ما رو در تلگرام و یا اینستاگرام دنبال کنید: 

نقشه راه دوره الکترونیک: