Основи розсіювання потужності та електронні компоненти Evil Mad Scientist Laboratories
Робимо світ кращим, по одному Злому божевільному вченому.
Завжди актуальною задачею в проектуванні електронних схем є вибір відповідних компонентів, які не тільки виконують задумане завдання, але й виживають у передбачуваних умовах експлуатації. Великою частиною цього процесу є забезпечення того, щоб ваші компоненти залишались у межах своїх безпечних робочих меж щодо струму, напруги та потужності. З цих трьох частин енергії часто є найскладнішою (як для новачків, так і для експертів), оскільки безпечна зона експлуатації може так сильно залежати від особливостей ситуації.
Далі ми представимо деякі основні концепції розсіювання потужності в електронних компонентах, орієнтуючись на розуміння того, як вибирати компоненти для простих схем з урахуванням обмежень потужності.
- ПОЧАТО ПРОСТО -
Почнемо з однієї з найпростіших схем, яку тільки можна собі уявити: Акумулятор, підключений до одного резистора:
Тут у нас є одна батарея на 9 В і одна на 100? (100 Ом) резистор, підключений проводами, щоб утворити повну схему.
Досить просто, так? Але тепер питання: якщо ви хочете насправді побудувати цю схему, наскільки “велика” із 100? резистор потрібно використовувати, щоб переконатися, що він не перегрівається? Тобто, чи можемо ми просто використовувати “звичайний” резистор ¼ Вт, як показано нижче, або нам потрібно збільшити?
Щоб це з’ясувати, нам потрібно вміти розрахувати величину потужності, яку резистор буде розсіювати.
Ось загальне правило для розрахунку розсіювання потужності:
Правило живлення: = Я × V
Якщо струм Я протікає через даний елемент у вашому ланцюзі, втрачаючи напругу V в процесі, тоді потужність, що розсіюється цим елементом ланцюга, є добутком цього струму та напруги: = Я × V.
Осторонь:
Як може струм у рази під напругою закінчитися, даючи нам вимірювання "потужності"?
Щоб зрозуміти це, нам потрібно пам’ятати, що струм і напруга фізично представляють.
Електричний струм - це швидкість потоку електричного заряду по ланцюгу, що зазвичай виражається в амперах, де 1 ампер = 1 кулон в секунду. (Кулон - одиниця електричного заряду СІ.)
Напруга або, більш формально, електричний потенціал - це потенційна енергія на одиницю електричного заряду - через елемент ланцюга, про який йде мова. У більшості випадків ви можете думати про це як про кількість енергії, яка «витрачається» в елементі на одиницю заряду, що проходить. Зазвичай електричний потенціал вимірюється у вольтах, де 1 вольт = 1 джоуль на кулон. (Джоуль - одиниця енергії СІ.)
Отже, якщо ми беремо струм, помножений на напругу, це дає нам кількість енергії, яка «витрачається» в елементі на одиницю заряду, разів кількість одиниць заряду, що проходять через елемент за секунду:
1 ампер × 1 вольт =
1 (кулон/секунда) × 1 (джоуль/кулон) =
1 джоуль/секунда
Отримана кількість складається в одиницях одного джоуля на секунду: швидкість потоку енергії, більш відома як потужність. Одиницею потужності SI є вата, де 1 ват = 1 джоуль на секунду.
Нарешті, ми маємо
1 ампер × 1 вольт = 1 ват
Повернімось до нашої схеми! Для використання правила живлення ( = Я × V), нам потрібно знати як струм через резистор, так і напругу на резисторі.
По-перше, ми використовуємо закон Ома ( V = Я × Р. ), щоб знайти струм через резистор.
• Напруга на резисторі становить V = 9 В.
• Опір резистора становить Р. = 100 ?.
Отже, сила струму через резистор:
Тоді ми можемо використовувати правило потужності ( = Я × V ), щоб знайти потужність, що розсіюється резистором.
• Струм через резистор становить Я = 90 мА.
• Напруга на резисторі становить V = 9 В.
Отже, потужність, що розсіюється в резисторі:
Тож чи можете ви використати цей резистор 1/4 Вт?
Ні, тому що він, швидше за все, не зможе перегрітися.
100? резистор у цій схемі повинен бути розрахований як мінімум на 0,81 Вт. Як правило, вибирається наступний більший доступний розмір, в цьому випадку 1 Вт.
Резистор потужністю 1 Вт зазвичай постачається у значно більшому фізичному корпусі, як показано тут:
(Резистор 1 Вт, 51? Для порівняння розмірів.)
Оскільки резистор потужністю 1 Вт набагато більший у фізичному плані, він повинен мати можливість розсіювати більшу потужність із більшою поверхнею та ширими відведеннями. (Він може все ще сильно нагріватися на дотик, але він не повинен нагріватися настільки, що не вдається.)
Ось альтернативна композиція, яка працює з чотирма 25? резистори послідовно (що все одно складає до 100?). У цьому випадку сила струму через кожен резистор все ще становить 90 мА. Але, оскільки на кожному резисторі напруги лише на чверть менше, у кожному резисторі розсіюється лише на чверть стільки потужності. Для цього розташування потрібно лише, щоб чотири резистори мали потужність 1/4 Вт.
Осторонь: Опрацювання цього прикладу.
Оскільки чотири резистори послідовно розташовані, ми можемо скласти їх значення, щоб отримати їх загальний опір, 100? Використання закону Ома з цим сумарним опором знову дає нам струм 90 мА. І знову ж, оскільки резистори послідовно послідовні, через кожен повинен протікати той самий струм (90 мА), назад до акумулятора. Напруга на кожному 25? резистор є тоді V = Я × Р., або 90 мА × 25? = 2,25 В. (Щоб подвійно перевірити, чи це обгрунтовано, зверніть увагу, що напруги на чотирьох резисторах складають 4 × 2,25 В = 9 В.)