Мощность в электронике и как она рассчитывается
В научном контексте мощность означает скорость, с которой передаётся энергия. Таким образом, электрическая мощность — это скорость, с которой передается электрическая энергия. Единицей измерения является ватт (Вт), где один ватт равен передаче одного джоуля (Дж) энергии за одну секунду (с).
Электрическая мощность в ваттах равна напряжению в вольтах, умноженному на силу тока в амперах.
Мощность=Напряжение ×Ток
Единица вольт (В) определяется как джоули на кулон, т. е. она передает энергию (в джоулях) на кулон заряда. Ампер (А) — это кулоны в секунду, т. е. сколько кулонов заряда проходит данную точку за одну секунду. Мы можем использовать эту информацию, чтобы подтвердить, что единица измерения электрической мощности соответствует формуле, приведенной выше:
джоульсекунда=джоулькулон×кулонсекунда
В правой части уравнения два «кулоновских» члена сокращаются, и у нас остаются джоули в секунду.
Когда мы анализируем цепи, мы обычно обсуждаем мощность, используя термин «рассеиваемая» или «потребляемая» вместо «передаваемой». Это подчеркивает тот факт, что мощность покидает электрическую систему или используется электрическим компонентом. Мы не говорим «перенесено», потому что, в общем, конечное состояние или местонахождение энергии не имеет значения.
Например, если напряжение на резисторе составляет 5 В, а ток через резистор составляет 0,5 А, резистор передает 2,5 Вт мощности (в виде тепла) в окружающую среду. Однако в большинстве случаев мы не собираемся передавать энергию. Мы просто хотим спроектировать функциональную схему и, следовательно, думаем о том, сколько энергии теряется (т. е. рассеивается) или используется (т. е. потребляется).
Два распространенных типа напряжения: постоянный и переменный ток
Существует два распространенных способа передачи электрической энергии: постоянный ток и переменный ток.
Постоянный ток (DC) может увеличиваться или уменьшаться всевозможными способами, но величина изменений обычно невелика по сравнению со средним значением. Однако наиболее фундаментальной характеристикой постоянного тока является следующее: он не меняет направление регулярно. В этом отличие от переменного тока (AC), который регулярно меняет направление и используется во всем мире для распределения электроэнергии.
Термины «постоянный ток» и «переменный ток» стали прилагательными, которые часто используются для описания напряжения. Поначалу это может немного сбить с толку: что такое напряжение постоянного тока или напряжение переменного тока? Это не лучшая терминология, но вполне стандартная. Постоянное напряжение — это напряжение, которое создает или будет производить постоянный ток, а переменное напряжение создает или будет производить переменный ток — и это создает еще одну терминологическую проблему. К слову «ток» иногда добавляются «постоянный» и «переменный ток», хотя эти фразы означают «постоянный ток» и «переменный ток». Суть в том, что «постоянный ток» и «переменный ток» больше не являются точными эквивалентами «постоянного тока» и «переменного тока»; Постоянный ток в общем относится к величинам, которые не меняют регулярно полярность или имеют очень низкую частоту, а переменный ток в общем относится к величинам, которые регулярно меняют полярность с частотой, которая не является «очень низкой» в контексте данной системы.
Сейчас мы сосредоточимся на цепях постоянного тока. Цепи переменного тока немного сложнее и будут обсуждаться позже в этой главе.
Символы напряжения
Что такое напряжение постоянного тока?
Пожалуй, самым известным источником постоянного напряжения является аккумулятор. Батарея — это устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую; он обеспечивает напряжение, которое не меняется быстро и не меняет полярность, а постепенно снижается по мере разряда аккумулятора.
Напряжение постоянного тока можно измерить с помощью вольтметра или (чаще) многофункционального устройства, известного как мультиметр (сокращенно цифровой мультиметр, где D означает «цифровой»). Мультиметры могут измерять, среди прочего, напряжение, ток и сопротивление.
Рисунок 1. Измерение напряжения, отображаемое на цифровом дисплее мультиметра.
Вольтметр обеспечивает самый простой способ определить точное значение напряжения постоянного тока, хотя в некоторых случаях он не может передать важную информацию, поскольку не может четко отображать быстрые изменения. В настоящее время это важный момент, поскольку многие напряжения постоянного тока генерируются импульсными стабилизаторами, что приводит к высокочастотным изменениям, называемым пульсациями.
Что такое постоянный ток?
Когда между двумя клеммами присутствует постоянное напряжение и к клеммам подключен провод или резистивный элемент, будет течь постоянный ток. Наиболее распространенным резистивным элементом является резистор; мы узнаем больше об этом компоненте на следующей странице. Лампа накаливания также является резистивным элементом.
Ток можно измерить с помощью устройства, называемого амперметром (или функции амперметра мультиметра), но измерение тока менее удобно, чем измерение напряжения. Щупы вольтметра просто прикасаются к двум проводящим поверхностям (т.е. без изменения схемы), тогда как щупы амперметра необходимо вставить в путь тока:
Рисунок 2. В этой схеме используется переключатель для установления пути тока во время нормальной работы и разрыва пути тока, когда необходимо подключить амперметр или цифровой мультиметр.
Обычный ток относительно электронного потока
Очень важно понимать разницу между обычным потоком тока и потоком электронов. Электроны имеют отрицательный заряд и, следовательно, движутся от более низкого напряжения к более высокому. Однако на рисунке 2 стрелка указывает, что ток течет от положительной клеммы батареи к отрицательной клемме батареи, другими словами, от более высокого напряжения к более низкому напряжению.
Условный ток изначально основывался на предположении, что электричество связано с движением положительно заряженных частиц. Теперь мы знаем, что это неверно, но в контексте анализа цепей модель обычного течения тока не является неправильной. Это совершенно справедливо, поскольку при последовательном применении всегда дает точные результаты. Кроме того, он имеет то преимущество, что создает интуитивно понятную ситуацию, в которой ток течет от более высокого напряжения к более низкому, точно так же, как жидкость течет от более высокого давления к более низкому давлению, а вода падает с большей высоты на более низкую.
В мире электротехники схемы обсуждаются и анализируются с использованием обычного тока, а не электронного тока.
Как измерить постоянный ток
Давайте рассмотрим простой случай: батарея питает две лампочки с неодинаковым сопротивлением.
Рисунок 3. Базовая схема, состоящая из батареи 3 В и двух резистивных элементов.
Когда ток протекает через лампочку, сопротивление нити накала вызывает потерю напряжения, пропорциональную сопротивлению и силе тока. Мы называем это напряжением на лампочке или падением напряжения на лампочке.
Рисунок 4. Вольтметры используются для измерения напряжения на лампочках.
Мы видим, что напряжение на лампочке А составляет 2 В, а напряжение на лампочке В — 1 В.
Далее будем измерять ток.
Рисунок 5. Амперметр вставлен таким образом, чтобы ток, протекающий через лампочки, поступал в один датчик, через схему измерения тока устройства и выходил из другого датчика.
Предположим, что мы измеряем 1А. Теперь мы произвели необходимые нам измерения для того, чтобы определить рассеиваемую мощность лампочек.
Расчет мощности постоянного тока
Чтобы рассчитать мощность, рассеиваемую каждой лампочкой, подставим измеренные значения в приведенную выше формулу.
Если мы хотим узнать мощность, рассеиваемую всей цепью, мы складываем рассеиваемую мощность отдельных компонентов:
Или мы можем умножить ток, подаваемый от батареи, на напряжение батареи:
