Wykorzystaj kod: VIDEOKURS2 i odbierz 30 zł rabatu na wideo kursy programowania. Sprawdź listę na Videopoint.pl »

Czym jest moc? Jak dobrać odpowiednie elementy?

Czym jest moc? Jak dobrać odpowiednie elementy?

Każdy kojarzy takie pojęcie jak moc. Informacje na jej temat widzimy na wielu produktach między innymi na żarówkach i odkurzaczach.

Jednak nie każdy ma świadomość czym jest ten parametr. Stąd wielu początkujących elektroników nie wie np. jakiej mocy rezystora trzeba użyć, co doprowadza do uszkodzenia elementu.

Artykuł jest uzupełnieniem naszego kursu podstaw elektroniki. Z tego poradnika dowiesz się czym jest moc, dlaczego rezystory się grzeją oraz jak dobrać odpowiedni element. Wyjaśnimy również zagadkę, która sprawia problemy początkującym: dlaczego rezystory mają różne rozmiary?

Czym jest moc?

Najprościej mówiąc moc należy traktować jako ilość energii, która przepływa w danym czasie. Energia może występować pod różnymi postaciami. Przykładowo:

  • energia mechaniczna (np. rozpędzony pojazd),
  • energia elektryczna (np. gromadzona w kondensatorach),
  • energia chemiczna (w wiązaniach pomiędzy atomami),
  • energia cieplna/termiczna (związana z ruchem cząsteczek
    wewnątrz ciała, jej miarą jest temperatura).

Z punktu widzenia elektronika dużo problemów stwarza energia cieplna (lub termiczna), bo jak wiadomo, zbyt wysoka temperatura elementu może doprowadzić do jego uszkodzenia!

Czym przejawia się energia termiczna?

Każdy przedmiot w naszym otoczeniu jest magazynem takiej energii. Wiemy o tym, bo każdy ma jakąś temperaturę. Im wyższa temperatura danego obiektu, tym więcej tego rodzaju energii jest w nim zgromadzone.

Niekiedy jest to pożądane, a niekiedy wręcz przeciwnie. Warto w tym miejscu podkreślić, że wzrost temperatury jest skutkiem przemiany jednego rodzaju energii w inny. Czasem powstaje więcej niż jeden rodzaj energii. Przykładowo, świecąca żarówka pobiera energię elektryczną, a wytwarza energię świetlną oraz termiczną.

Świat jest tak urządzony, że niczego nie da się zrobić bez jakichkolwiek strat. Te straty mają najczęściej postać  energii cieplnej. Trzeba ją odprowadzać z urządzenia. W przeciwnym razie, wzrost temperatury będzie na tyle wysoki, że może doprowadzić do jego uszkodzenia.

Przykłady:

  • dioda LED, która zamienia energię elektryczną w świetlną, wydziela ciepło,
  • głośnik, który przekształca energię elektryczną w energię fali akustycznej, wydziela ciepło,
  • silnik elektryczny, zamieniający energię elektryczną na mechaniczną, wydziela ciepło!

Przykład przemian energii w praktyce!

Dlaczego rezystor się grzeje? Wzór na moc!

Ciepło może powstawać dodatkowo, na przykład podczas świecenia diod czy pracy procesora komputerowego. Jednak to nie wszystko! Czasem z premedytacją wprowadza się do obwodu elementy, które nie potrafią nic więcej - tylko się grzeją.

Domyślasz się, jakie to element? To rezystor, doskonale znany nawet początkującym adeptom elektroniki. Najczęściej służy do ograniczania natężenia płynącego prądu.

Zgodnie z prawem Ohma, na rezystorze odkłada się pewne napięcie:

Jeżeli przez jakiś element płynie prąd, a na jego zaciskach (końcówkach) jest napięcie, to wtedy można mówić o mocy. Te wielkości wiąże prosty wzór, który naprawdę warto zapamiętać:

Jeżeli do wzoru zostanie wstawione napięcie U w woltach [V] oraz prąd I w amperach [A], to otrzymamy wynik w watach [W].

Wykorzystanie prawo Ohma - warto zapamiętać!

Powyżej podany wzór P = I · U, to podstawowa wersja. Nie zawsze znamy prąd i napięcie płynące przez element... Pomocne będzie prawo Ohma (I = U/R). Podstawmy je do wzoru na moc (zamiast I wstawiamy U/R):

Do wzoru możemy również podstawić prawo Ohma w postaci U = I · R:

 

Reasumując moc można policzyć z trzech prostych wzorów, które warto zapamiętać, ale równie dobrze można je sobie błyskawicznie wyprowadzić:

Który wzór wykorzystać? Wszystko zależy od tego, jakie dane posiadamy i co chcemy policzyć. Przykładowo, jeśli wiemy, że przez rezystor 330R płynie 0,05A, to korzystamy ze środkowej wersji wzoru: P = I2 · R = 0,052 · 330 = 0,825W. Wiemy, że na takim rezystorze wydzieli się 0,825W w formie energii termicznej. Musimy więc dobrać odpowiedni element!

Dobór rezystora o odpowiedniej mocy dopuszczalnej

Jeżeli wiemy, jaka moc będzie wydzielała się na danym elemencie (np. rezystorze), wtedy trzeba pomyśleć o zastosowaniu elementu o większej, dopuszczalnej mocy maksymalnej. Jego obudowa będzie przystosowana do odprowadzania większych ilości energii cieplnej.

Przykładowo, jeżeli na rezystorze ma się wydzielać 0,825W (wcześniejszy przykład), wtedy w teorii można użyć rezystora o mocy 1W. Lepiej jednak zastosować rezystor o mocy np. 2W lub 3W. Zmiana taka zabezpiecza nas przed spaleniem układu podczas chwilowego przeciążenia!

Uwaga dla początkujących! Parametr "moc rezystora" określa maksymalnie dopuszczaną moc, która nie uszkodzi elementu. Jeśli rezystor został przez producenta oznaczony jako 5W, to NIE ZNACZY, że zawsze odłoży się na nim taka moc. To są tylko maksymalnie dopuszczalne parametry pracy o czym zapomina wielu początkujących.

Różne rozmiary rezystorów

Moc charakteryzuje wiele elementów elektronicznych - dobrym przykładem są rezystory. Podczas wyboru opornika zwracamy najczęściej uwagę na jego opór oraz na tolerancję. Nie wolno jednak zapominać o trzecim parametrze, czyli właśnie o mocy rezystora. 

Poniżej widoczne jest 10 rezystorów. Każdy z nich stawia opór równy 1kΩ (oczywiście z błędem dopuszczalnym w ramach jego tolerancji). Różnią się one jednak zdecydowanie rozmiarami. Szczególnie ciekawe są największe oraz najmniejsze rezystory (wyglądające jak okruchy):

Przykładowe 10 rezystorów 1k.

Rozmiary pokazanych rezystorów nie mają związku z rezystancją. Wszystkie elementy mają tę samą oporność (drobne różnice mieszczą się w granicach tolerancji):

W przypadku omawianych teraz rezystorów, za drugi parametr pod względem istotności można przyjąć właśnie moc. Im większą mocą charakteryzuje się dany rezystor, tym jest większy. Od pewnego poziomu zmienia się również jego kształt. Zmianom tym towarzyszy również spory wzrost ceny od ułamków groszy po kilka lub nawet kilkanaście złotych za sztukę.

Przykładowe rezystory o różnej mocy maksymalnej:

Najpopularniejsze w warsztacie początkujących elektroników są rezystory 1/4W i 1/2W. Większe wartości spotyka się rzadziej. Chociaż naprawdę wyglądają ciekawie! Dla przykładu zbliżenie na rezystor 10W oraz 25W.

Przykład - dobór rezystora (opór i moc) do diod

Wróćmy do przykładów. Tym razem wykorzystamy informacje z artykułu na temat dobierania rezystora do diod świecących (LED). Załóżmy, że chcemy wykonać diodowe oświetlenie nad klawiaturę, zasilane prosto z gniazda USB. Diody powinny świecić na biało. Intensywność ich świecenia powinna być jak największa, ale bez ryzyka przegrzania. Wykorzystamy trzy diody, o których wiadomo, że ich maksymalny prąd przewodzenia wynosi 20mA, a my do dyspozycji mamy rezystory z szeregu E24 o tolerancji 5% .

Port USB dostarcza napięcia z zakresu 4,4V - 5,25V. Jedna dioda ma napięcie przewodzenia od 3V do 3,6V. Nie da się więc połączyć diod w szereg, ponieważ napięcie zasilające jest zbyt niskie. Każda z nich będzie musiała mieć dedykowany rezystor.

Zasilanie diod LED ze złącza USB

Zasilanie diod LED ze złącza USB

Rezystory dobierzemy tak, aby w skrajnie niekorzystnym przypadku (najwyższe napięcie zasilania i najniższe napięcie przewodzenia) przez diodę płynęło ok. 20mA. W ten sposób, tej granicznej wartości nigdy się nie przekroczymy.

Rmin = (Uzas_max - ULED_min) / Imax

R = (5,25V - 3V) / 0,02A = 112,5Ω

Rezystora o takiej wartości pozostaje tylko ze świecą szukać, trzeba ją skorygować. Jako pierwsza nasuwa się na myśl rezystancja 120Ω, ponieważ jest nieco większa od wyliczonej, czyli prąd będzie mniejszy.

Tolerancja wynosi 5%, czyli rezystancja zawiera się w przedziale od 114Ω do 126Ω. Prąd płynący przez diody będzie nieco mniejszy od maksymalnych 20 mA, ale różnica w jasności będzie niemal niedostrzegalna.

Na rezystorze ograniczającym prąd będzie wydzielała się pewna moc. Dla tak małych układów nie trzeba się nią przejmować, ale w większych układach nabiera ona znaczenia. Oszacujmy ją dla samego ćwiczenia.

Moc wydzielająca się na rezystorze jest największa wtedy, gdy na jego zaciskach odkłada się największe możliwe napięcie lub płynie przez niego największy prąd. W tym wypadku, prościej będzie określić napięcie:

UR_max = Uzas_max - ULED_min

UR_max = 5,25V - 3V = 2,25V

Obliczenia mocy wydzielającej się na rezystorze możesz dokonać korzystając ze wzoru:

Z którego wzoru skorzystać? Tutaj szukamy mocy maksymalnej, a znamy napięcie. Najłatwiej więc skorzystać z ostatniej wersji wzoru. Moc policzymy korzystając z maksymalnego napięcia, które odkłada się na rezystorze (do kwadratu) oraz jego rezystancji.

Pmax = UR_max2 / R

Pmax = (2,25V)2 / 120Ω = 42,1mW = 0,042W

Jak widać, w tym zastosowaniu typowe, małe rezystory o dopuszczalnej mocy 0,125W, czyli 1/8W poradzą sobie bez żadnego problemu!

Przykłady przemiany mocy dla innych urządzeń

Z mocą oraz przemianą energii związane są wszystkie inne elementy urządzeń elektronicznych. Przykładowo silnik pobiera pewną moc, ponieważ jest zasilany odpowiednim napięciem i przez przewody zasilające płynie prąd. Część tej mocy zostanie przekształcona w ciepło, a reszta zostanie wykorzystana do obracania osi silnika.

Inaczej można potraktować stabilizatory liniowe. Ilość mocy, w postaci ciepła, wydzielającej się na nich zależy od napięcia wejściowego oraz pobieranego prądu.

Ilustracja spadku napięcia na stabilizatorze 7805

Ilustracja spadku napięcia na stabilizatorze 7805

Na powyższym schemacie akumulator dostarcza napięcie 12V, zaś zasilany układ (np. Arduino) potrzebuje 5V. Rolą stabilizatora jest "wzięcie na siebie nadmiaru napięcia" - czyli 7V. Przepływa przez niego prąd o niemal takiej samej wartości jak ten, którego oczekuje odbiornik, czyli 200mA.

W efekcie, na stabilizatorze wytraca się moc:

P = 7V · 0,2A = 1,4W

Podobnie sytuacja wygląda przy tranzystorach. Jeżeli przez kolektor płynie prąd, a pomiędzy kolektorem i emiterem występuje pewne napięcie, to na tym elemencie również wydziela się moc.

Różne rozmiary innych elementów(?)

Im rezystor ma odprowadzić większą moc tym jest większy (lub inaczej zbudowany). Ta sama reguła dotyczy innych elementów np.: stabilizatorów i tranzystorów. Producenci w notach katalogowych zamieszczają informacje na temat maksymalnej mocy, jaką może odprowadzić dana obudowa i w jakich warunkach.

Przykład stabilizatorów napięcia w różnych obudowach.

Czy wyższa temperatura elementu jest czymś złym?

Niektórzy początkujący elektronicy uważają, że jeżeli w układzie zaczyna się coś nagrzewać, to oznacza, że jest on uszkodzony i należy go wyłączyć Jest to dobry odruch, ale niekiedy prowadzi do fałszywych alarmów i układ działający prawidłowo zostaje uznany za uszkodzony.

Wydzielanie się mocy rzędu kilkunastu miliwatów lub mniej najczęściej nie jest w ogóle odczuwalne jako wzrost temperatury. Obudowa każdego elementu tak dobrze oddaje energie do otoczenia, że jej temperatura niemal nie wzrośnie.

Problem zaczyna być poważny, kiedy temperatura staje się na tyle wysoka, że grozi oparzeniem. Przyjmuje się, że wystarczy do tego ok. 55°C. Jeżeli istnieje ryzyko, że nasz podzespół (stabilizator, rezystor, tranzystor itd.) osiągnie jeszcze wyższą temperaturę, wtedy należy zająć się jego schłodzeniem. Temperatura krytyczna dla układów z krzemu to ok. 120-150°C. Jej przekroczenie może nieodwracalnie zniszczyć strukturę.

W przypadku rezystorów, maksymalna temperatura może być wyższa. Tutaj dopuszczamy nawet 200°C. Trzeba jednak pamiętać, że grzanie elementów do tak wysokich temperatur nie wpływa pozytywnie na ich parametry oraz trwałość. Oczywiście szczegółowe informacje na temat każdego elementu warto sprawdzać w notach katalogowych udostępnianych przez producentów.

Chłodzenie elementów elektronicznych

Oprócz doboru elementu w odpowiedniej obudowie warto zadbać o ich dodatkowe chłodzenie. Oczywiście w przypadku większości małych, hobbystycznych konstrukcji nie będzie to potrzebne jednak warto mieć w zanadrzu kilka możliwości:

Montaż elementów nad płytką

Dotyczy to zwłaszcza rezystorów dużej mocy. Zamiast montować je w pozycji leżącej na laminacie, lepiej zostawić ich nóżki o kilka milimetrów dłuższe. W ten sposób, powietrze będzie mogło lepiej cyrkulować wokół rezystora i odbierać od niego ciepło.

Odpowiedni montaż elementu może usprawnić jego chłodzenie.

Chłodzenie pasywne - radiatory

Nawet najpotężniejszy tranzystor nie zademonstruje swoich pełnych możliwości, jeżeli jego obudowa będzie "zawieszona w powietrzu". Aby zwiększyć powierzchnię odprowadzania ciepła, stosuje się radiatory.

Radiatory wykonuje się najczęściej z aluminium lub z miedzi. Użebrowanie dodatkowo zwiększa powierzchnię. Chłodzony element przykręca się lub przykleja do radiatora. Stosuje się również specjalne pasty, które ułatwiają przenikanie ciepła do radiatora.

Przykład radiatora.

Radiatory mają różne kształty i rozmiary, aby można było dobrać odpowiedni do każdego zastosowania. Im większy, tym więcej ciepła może odprowadzić.

Chłodzenie aktywne - wentylatory

Jeżeli miejsca w obudowie jest niewiele, albo radiatory byłyby zbyt duże, można wspomóc ich działanie poprzez dodanie wentylatorów. Wymuszają przepływ powietrza wokół żeberek radiatora, zmniejszając w ten sposób jego temperaturę (w uproszczeniu).

Radiator z wentylatorem - widok znany z komputerów PC.

Rozwiązanie takie jest stosowane, gdy wydzielane moce robią się kłopotliwe. Metoda ta jest spotykana na szeroką skalę np. w komputerach, gdzie duże radiatory z wentylatorami są używane do chłodzenia procesora. Przy małych, hobbystycznych projektach raczej nie stosuje się takich metod w związku z dodatkowym poborem prądu oraz hałasem wentylatora.

Podsumowanie

W artykule omówiliśmy podstawowe informacje związane z mocą oraz doborem właściwych elementów elektronicznych! Warto pamiętać, że grzanie elementu nie zawsze oznacza coś złego, trzeba jednak kontrolować moc, która się wydziela. Zagadnienia te stają się bardzo ważne przy budowie bardziej rozbudowanych urządzeń, warto więc znać podstawowe wzory i stosować je w praktyce już od samego początku nauki elektroniki.

Autorzy: Michał Kurzela, Damian Szymański,
Ilustracje, zdjęcia: Piotr Adamczyk
Konsultacja: ElektroPrzewodnik

elektronika, moc, podstawy, rezystory

Komentarze

Dodaj komentarz