הספק חשמלי

מאמר מתורגם. מקור: Electric Power

עם כוח גדול...

למה כל כך אכפת לנו מההספק/כוח? כוח הוא מדד העברת אנרגיה לאורך זמן, ואנרגיה עולה כסף. הסוללות אינן בחינם, וגם לא הדבר הזה שיוצא משקע החשמל שבקיר. אז, ההספק מודד כמה מהר האגורות נעלמות מהארנק שלכם!

וגם, אנרגיה היא... אנרגיה. היא מגיעה בצורות רבות, שחלקן יכולות להזיק: חום, קרינה, קול, אנרגיה גרעינית וכו'. ויותר כוח/הספק אומר יותר אנרגיה. לכן חשוב שיהיה לכם מושג עם איזה סוג של כוח אתם עובדים כשמשחקים באלקטרוניקה. למזלינו, כשמשחקים עם כרטיסי Arduino, מדליקים נורות LED, או מסובבים מנוע קטן, איבוד הכיוון של הכוח בו משתמשים, יתורגם כנראה לעשן מרכיב כמו נגד או המסה של ג'וק. עם זאת, האמירה "עם כוח גדול באה אחריות גדולה" היא לא רק לגיבורי על.

מדריך זה מכסה את הנושאים הבאים:

• הגדרת ההספק
• דוגמאות להעברת אנרגיה חשמלית
• וואט (Watt), יחידת ה-SI של כוח/הספק
• חישוב של כוח/הספק באמצעות מתח, זרם והתנגדות
• דירוג הספק מקסימלי

מדריכים מומלצים:

הספק הוא אחד המושגים היסודיים באלקטרוניקה. אבל לפני שתלמדו על הספק, יש כמה מדריכים נוספים שרצוי שתקראו קודם. אם אתם לא מכירים את הנושאים האלה, רצוי לבדוק תחילה את המדריכים הבאים:

• מה זה חשמל?
• מתח, זרם, התנגדות וחוק אוהם
• מהו מעגל?
• איך משתמשים ברב-מודד

מהו הספק חשמלי?

יש הרבה סוגים של כוח: כוח פיזי, כוח חברתי, כוח על, כוח האהבה... אבל במדריך זה נתמקד בכוח/הספק החשמלי. אז מהו הספק החשמלי?

במונחים פיזיקליים, הכוח/הספק מוגדר כקצב בו האנרגיה מועברת (או מומרת).

אז קודם כל, מהי אנרגיה ואיך היא מועברת? קשה להסביר בפשטוט, אבל אנרגיה היא בעצם יכולת של משהו להזיז משהו אחר. יש הרבה צורות שונות של אנרגיה: מכנית, חשמלית, כימית, אלקטרומגנטית, תרמית ועוד רבות אחרות.

אף פעם אי אפשר לייצר או להשמיד אנרגיה, אפשר רק להעביר אותה לצורה אחרת. הרוב ממה שאנו עושים באלקטרוניקה הוא המרת צורות שונות של אנרגיה לאנרגיה חשמלית וממנה. הדלקת נורת LED ממירה אנרגיה חשמלית לאנרגיה אלקטרומגנטית. הפעלת מנוע ממיר אנרגיה חשמלית למכנית. הפעלת זמזם ממיר לאנרגיה קולית. הפעלת מעגל מסוללת 9V הופכת אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. כל אלה הן צורות של העברת/המרת אנרגיה.

דוגמאות של רכיבים שממירים אנרגיה חשמלית לצורות שונות:

• מנוע חשמלי - אנרגיה מכנית
• נורת LED - אנרגיה אלקטרומגנטית
• נגד - חום
• סוללה - אנרגיה כימית

גם אנרגיה חשמלית מתחילה כאנרגיה פוטנציאלית חשמלית, מה שאנחנו מכנים כ-מתח (Voltage). כשהאלקטרונים זורמים דרך האנרגיה הפוטנציאלית, היא הופכת לאנרגיה חשמלית. במעגלים שימושיים האנרגיה החשמלית הופכת לצורה אחרת של אנרגיה. הספק החשמלי נמדד ע"י שילוב של כמות האנרגיה החשמלית המועברת וכמה מהר זה קורה.

יצרנים וצרכנים

כל רכיב במעגל או צורך או מייצר אנרגיה חשמלית. צרכן ממיר אנרגיה חשמלית לצורה אחרת. לדוגמה, כשנורת LED נדלקת, האנרגיה החשמלית מומרת לאלקרומגנטית. במקרה זה הנורה צורכת חשמל. חשמל מופק כאשר אנרגיה מומרת לחשמלית מצורה אחרת. סוללה שמספקת חשמל למעגל היא דוגמה ליצרן חשמל.

הספק (Wattage)

אנרגיה נמדדת ביחידות של ג'אול (J). מכיוון הספק הוא מדד של אנרגיה לאורך פרק זמן מוגדר, אפשר למדוד אותו בג'אול לשניה. יחידת ה-SI של ג'אול לשניה הוא וואט (Watt) שמיוצגת ע"י האות W.



מקובל מאד לראות לפני ה-W אחת הקידומות הסטנדרטיות של SI: מיקרו-וואט (µW), מילי-וואט (mW), קילוואט (kW), מגה-וואט (MW) וגיגה-וואט (GW), בהתאם לצורך.

• 10^-9 - Nanowatt - nW
• 10^-6 - Microwatt - µW
• 10^-3 - Milliwatt - mW
• 10⁰ - Watt - W
• 10³ - Kilowatt - kW
• 10⁶ - Megawatt - MW
• 10⁹ - Gigawatt - GW

מיקרובקרים, כמו ה-Arduino בדרך כלל פועלים בתחום בין ה-µW ל-mW. מחשבים ניידים פועלים בתחום ה-Watts. צריכת אנרגיה של בית היא בתחום ה-kilowatt. אצטדיונים גדולים יכולים להגיע לצריכה בתחום של megawatt. ותחום של gigawatts שייך לתחנות כוח גדולות ומכונות זמן.

חישוב הספק

הספק חשמלי הוא קצב העברת אנרגיה. הוא נמדד ביחידות של ג'אול לשניה (J/s) או ב-וואט (Watt). בהתחשב במונחי החשמל הבסיסיים שאנחנו כבר מכירים, איך נוכל למדוד הספק במעגל? יש לנו מדד מאוד סטנדרטי לאנרגיה פוטנציאלית: וולט (Volt) שמוגדר כג'אול ליחידת מטען קולומב (coulomb) - J/C. זרם (Current), עוד אחד המונחים המוכרים לנו, מודד את זרימת המטען לאורך זמן ביחידות של אמפר (A) - קולומב לשניה (C/s). מה נקבל אם נשלב את שניהם? הספק!



כדי לחשב הספק של רכיב מסויים במעגל, תכפילו את המתח על הרכיב בזרם שעובר דרכו.

לדוגמה

זהו מעגל פשוט (ולא ממש שימושי), סוללת 9V מחוברת עם נגד 10Ω.



איך נחשב את ההספק על הנגד? קודם צריך למצוא את הזרם שעובר דרכו. די פשוט... חוק אוהם!



טוב, אז 900mA (0.9A) עוברים דרך הנגד, ונופל עליו 9V. אם כך, איזה הספק מופעל על הנגד?



נגד ממיר אנרגיה חשמלית לחום, כך שמעגל זה ממיר כל שניה 8.1 ג'אול של אנרגיה חשמלית לחום.

חישוב הספק במעגלים התנגדותיים

כשמדובר בחישוב הספק במעגל שכולו התנגדותי, כל מה שצריך שלדעת זה שניים מתוך שלושה ערכים (מתח, זרם ו/או התנגדות).



הכנסת חוק אוהם (V=IR or I=V/R) לחישוב ההספק מייצר לנו שתי נוסחאות חדשות. הראשונה משתמשת רק במתח והתנגדות:



כך שלפי דוגמה הקודמת, 9V²/10Ω (V²/R), מקבלים 8.1W, ולא צריך לחשב את הזרם שעובר דרך הנגד.

נוסחת הספק נוספת נוצרת רק מזרם והתנגדות:



למה צריך להיות אכפת לנו מההספק שנופל על הנגד? או לצורך העניין על כל רכיב אחר? זכרו שהספק הוא מעבר של אנרגיה מסוג אחד לאחר. כאשר האנרגיה החשמלית שמגיעה ממקור כוח מופעלת על הנגד, האנרגיה מומרת לחום. יכול להיות שיותר חום ממה שהנגד יוכל להתמודד איתו. מה שמוביל אותנו ל... דירוג הספק.

דירוג הספק

כל רכיב אלקטרוני ממיר אנרגיה מסוג אחד לאחר. יש העברות אנרגיה רצויות, כמו שהמנורה פולטת אור, מנועים מסתובבים, סוללות מטענות. יש גם העברות אנרגיה אחרות ולא רצויות, אבל גם בלתי נמנעות. העברות אנרגיה הלא רצויות הן הפסדי הספק, המופיעים בדרך כלל בצורה של חום. אובדן הרבה הספק וייצור הרבה חום יכול להיות מאוד לא רצוי.

גם כשהאנרגיה עוברת בצורה הרצויה למטרה העיקרית של הרכיב, עדיין יהיו הפסדים לצורות אנרגיה אחרות. נורות LED ומנועים עדיין יפיקו חום כתוצר לוואי של העברות אנרגיה האחרת.

לרוב הרכיבים יש דירוג של הספק מירבי שהם יכולים להפיץ, וחשוב להפעיל אותם תחת הערך הזה. זה ימנע מכם את העשן הקסום שיכול לצאת מהרכיבים.

דירוג הספק של נגדים

נגדים הם האשמים היותר ידועים לשמצה לאובדן אנרגיה. כשאתם מפילים מתח על הנגד, יזרום דרכו זרם. יותר מתח אומר יותר זרם, מה שאומר יותר הספק.

אם נחזור לדוגמה הקודמת לחישוב ההספק, איפה שראינו שאם 9V נופלים על נגד של 10 אוהם, הנגד הזה יפזר 8.1W. ההספק של 8.1W זה המון לרוב הנגדים. רוב הנגדים מדורגים בין 1/8W (0.125W) לבין 1/2W (0.5W). אם תפילו 8W על נגד של 0.5W, תכינו את מטף הכיבוי שלכם.



אם ראיתם נגדים לפני כן, כנראה שראיתם גם נגדים כאלה. העליון הוא נגד של 1/2W והתחתון הוא 1/4W. אלה לא בנויים לפזר הרבה הספק.

מנגד, נגדים הבאים נבנו כדי לפזר הספקים הרבה יותר גדולים. הם גם נקראים במיוחד כ-נגדי הספק.



הנגדים הגדולים האלה בנויים לפזר הרבה הספק. משמאל לימין: שני נגדים של 220 אוהם 3W, שני נגדים 0.1 אוהם 5W, ונגדים של 2 ו-3 אוהם 25W.

אם אי-פעם תצטרכו לבחור ערך של נגד, תזכרו גם את דירוג ההספק שלהם. ואם המטרה שלהם היא לא לחמם משהו (גופי חימום הם למעשה נגדים להספקים ממש גדולים), תנסו לצמצם את איבוד ההספק בנגדים.

לדוגמה

דירוג ההספק של נגד יכול להיכנס לחישוב כשאתם מנסים לבחור את ערך הנגד להגבלת הזרם עבור לד. נניח לדוגמה שאתם רוצים להפעיל לד 10 מ"מ בהיר מאוד בעוצמה מקסימלית עם סוללת 9V.



הזרם המקסימלי של לד זה הוא 80mA והמתח שאמור ליפול עליו הוא כ-2.2V. אז כדי לספק 80mA ללד זה נצטרך נגד של 85Ω.



6.8V נופלים על הנגד ו-80mA עוברים דרכו, מה שאומר ש-0.544W (6.8V*0.08A) מתבזבז עליו. נגד של 0.5W לא יאהב את זה במיוחד. הוא כנראה לא יומס, אבל הוא יהיה חם מאד. תלכו על בטוח ותשתמשו בנגד של 1W (או תחסכו חשמל ותשתמשו בדרייבר מיוחד ללדים).

נגדים הם בהחלט לא הרכיבים היחידים שצריך להתחשב בדירוג ההספק המקסימלי שלהם. כל רכיב בעל תכונה התנגדותית יוצר הפסדי הספק תרמיים. בעבודה עם רכיבים שבדרך כלל פועלים בהספקים גבוהים, לדוגמה מייצבי מתח, דיודות, מגברים, ומנועים, רצוי להקדיש תשומת לב מיוחדת לאובדן הספק ועומס תרמי.

לאן ממשיכים?

עכשיו כשאתם מכירים את הרעיונות של הספק חשמלי, מומלץ לעבור על המדריכים הבאים:

• TODO: How to Power a Project
• TODO:Light
• דיודות
• נגדים