Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
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 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?
Najprościej mówiąc moc należy traktować jako ilość energii, która przepływa w danym czasie. Energia może występować pod różnymi postaciami. Przykładowo:
Bonus, streszczenie: pobierz opracowanie tego artykułu w formie plakatu (ściąga w PDF) »
Z punktu widzenia elektronika dużo problemów stwarza energia cieplna (lub termiczna), bo jak wiadomo, zbyt wysoka temperatura elementu może doprowadzić do jego uszkodzenia!
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.
Pocieranie dłoni, świecenie żarówki, przepływ prądu przez rezystor - tym wszystkim zjawiskom towarzyszy podniesienie temperatury!
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.
Energia nie bierze się znikąd. Nie ma sposobu na jej darmowe wytworzenie. Energia krąży w przyrodzie i jest przekształcana z jednego rodzaju w drugi. Dzieje się to z pewnymi stratami w postaci energii innego rodzaju.
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:
Przykład przemian energii w praktyce!
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.
Rolą rezystora jest wyłącznie pobór mocy i zamiana jej na ciepło!
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].
Powyższy wzór mówi jedynie o mocy pobieranej przez dany podzespół. O tym, czy ta moc zamieni się w coś innego niż tylko ciepło, decydują inne czynniki.
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!
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!
Nie warto jednak przesadzać z wybieraniem zbyt dużych rezystorów, ponieważ będą one wtedy znacznie większe, mniej praktyczne i drogie.
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.
Analogicznie, jeśli na zasilaczu napisane jest "5V 2A", to nie znaczy, że zawsze popłynie z niego prąd o natężeniu 2A. To jest tylko informacja o tym, jaki prąd maksymalny można pobrać z tego zasilacza.
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.
Najmniejsze rezystory, to elementy w obudowach przystosowanych do montażu powierzchniowego (SMD). Nie będziemy zajmować się nimi w tym artykule.
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.
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
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
Rmin = (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.
Na ogół, w tym momencie można zakończyć obliczenia!
Spróbujmy jednak być bardziej drobiazgowi, bo możemy!
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!
Przy szacowaniu mocy, celowo nie uwzględniałem rozrzutu rezystancji - wynosi ona kilka procent. Dopuszczalna moc rezystora powinna i tak zostać zostać dobrana ze znacznie większym zapasem, dlatego nie warto się nią w tym miejscu przejmować.
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
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.
Ta sama reguła dotyczy tranzystorów unipolarnych - z ta różnicą, że pod uwagę należy brać prąd drenu i napięcie dren-źródło.
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.
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.
Temperatura obudowy elementu zawsze będzie niższa od temperatury struktury w jej wnętrzu. Obudowa może jeszcze nie być gorąca, a temperatura maksymalna struktury zostanie już przekroczona.
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.
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:
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.
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.
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.
Pobierz opracowanie tego artykułu w formie wygodnej ściągi w PDF. Najważniejsze wzory, przykłady obliczeń i wskazówki w jednym miejscu. Pobierz ściągę »
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
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
elektronika, moc, podstawy, rezystory
Dołącz do 20 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...