电功率

功率

  什么是功率?功率是能量传递的速率。能量并不是免费的,我们的日常用电是要花费金钱的,所以,功率是能量消耗速度的指标,同时也是我们金钱流失的速度。

  此外,能量有许多表现形式,例如热,辐射,声音,核等等,更大的功率意味着相同时间内消耗更多的能量。所以,你在使用电子产品时要知道你需要使用多大的功率,例如使用Arduinos点亮LED和旋转小电机时,通过电阻和IC来确定所需的功率。

本教程中包含

  电功率的定义

  电能转换的例子

  功率的单位

  使用电压,电流和电阻计算功率

  最大额定功率

什么是电功率?

  功率有许多类型,但在本教程中,我们将专注于电功率。那么什么是电功率?

  一般在物理学术语中,功率被定义为能量传递(或变换)的速率。

  首先,什么是能量,它是如何转移的?能量基本上是一个东西移动别的东西的能力。有许多形式的能量:机械能,电能,化学能,电磁能,热能等等。

  能量永远不能创造或毁灭,只能从一种形式转移到另一种形式。我们在电子行业正在做的很多事情是将不同形式的能源与电能相互转化。照明LED将电能转化为光能。旋转电机将电能转化为机械能。蜂鸣器将电能转化成声能。用9V碱性电池为电路供电则将化学能转化为电能。所有这些都是能量转移的形式。

  在大多数有用的电路中,电能转换成某些其他形式的能量。通过传输多少电能以及传输的时间来计算电功率。

生产者和消费者

  电路中的每个组件都消耗或产生电能。消费者将电能转换成另一种形式。 例如,当LED点亮时,电能转化为光能。 在这种情况下,LED消耗电能。 当能量从一些其它形式传递到电时产生电能。例如电池和发电机。

瓦特

  能量的单位是焦耳(J)。 由于功率是在单位时间内的能量的度量,因此我们可以以焦耳每秒作为功率的单位。以焦耳每秒为单位的SI单位是瓦特,简写为W。

  在瓦特之前有一个标准SI前缀是非常常见的:微瓦(μW),毫瓦(mW),千瓦(kW),兆瓦(MW)和吉瓦(GW) 。

PREFIX NAME PREFIX ABBREVIATION WEIGHT
Nanowatt nW 10-9
Microwatt µW 10-6
Milliwatt mW 10-3
Watt W 100
Kilowatt kW 103
Megawatt MW 106
Gigawatt GW 109

  微控制器,如Arduino,通常工作在μW或mW范围。 笔记本电脑和台式电脑在标准功率范围内工作。 房子的能量消耗通常在千瓦范围内。 大型体育场可能在兆瓦级别运行。而大型发电站的功率通常是以吉瓦为单位的。

计算功率

  电功率是电能传输的速率。 它以焦耳每秒(J / s)——瓦特(W)为单位。 鉴于我们知道的几个基本电学术语,我们如何计算电路中的功率?我们有一个非常标准的单位伏特(V) – 这是根据焦耳/单位电荷(库仑)(J / C)定义的。 还有电流,以安培(A) – 每秒库仑(C / s)为单位。 把两个相乘就可以得到功率了。

  所以,要计算电路中任何特定元件的功率,将其两端的电压乘以其中流过的电流即可。

  例如,下面是一个简单的电路:一个9V电池连接一个10Ω电阻。

  我们如何计算电阻两端的功率? 首先,我们必须求出通过电阻的电流。 由欧姆定律可得

  电流为900mA,电压为9V。所以电阻所消耗的电功率为

  电阻将电能转换成热量。因此,该电路以每秒8.1焦耳的速率将电能转换成热能。

计算纯电阻电路中的功率

  当谈到在纯电阻电路中计算功率时,知道三个值(电压,电流或电阻)中的两个就足够了。

  我们通过在功率方程中插入欧姆定律(V = IR或I = V / R),可以创建两个新方程。 第一个,只含有电压和电阻:

  在我们前面的例子中,直接套用这个公式就可以得到电阻的功率为8.1W,而不必计算通过电阻的电流。

  第二个功率方程只含有电流和电阻:

  计算电阻或任何其他组件功率有何意义呢?记住,能量是从一种类型转换成另一种类型的。 以电阻为例,电阻是将电能转换成热能。而如果热能太多则可能将电阻烧坏,这时我们就需要了解元件的额定功率了。

额定功率

  所有电子元件将能量从一种类型转化成另一种类型,如:LED发光,电机旋转,电池充电。 而在这个过程中会出现一些不是我们期望的其他能量类型的转化,但这个也是不可避免的。 这些不需要的能量转化称为功率损耗,其通常以热的形式出现。造成太多的功率损耗是很糟糕的。

  虽然能量转移是一个元件的主要目标,但其他形式的能量转换所造成的损失并非我们所想要的。例如,LED和电动机所产生的热量不是我们所需要的。

  大多数元件都具有额定功率,我们要做的是让它们在这个功率下工作。 这将有效地避免元件损坏以及功率损耗。

电阻的额定功率

  电阻是功率损耗的罪魁祸首。 当你在电阻两端加上电压时,就会有感应电流流过它。 更多的电压,意味着更多的电流,也就意味着消耗更多的功率。

  用我们的第一个功率计算举例,我们会发现如果10Ω电阻的两端电压为9V,该电阻将消耗8.1W。 8.1W是很多电阻的额定功率。 大多数电阻的额定功率从⅛W(0.125W)到½W(0.5W)。 如果你给一个标准的1/2 W电阻8W的功率,那么你同时应该准备一个灭火器。

如果你以前看过电阻,你可能已经看到了这些。 上面是一个1/2 W的电阻,下面为1 / 4W的电阻。 这些不会消耗非常大的功率。

  经过内置处理使得功率下降的电阻被称为功率电阻。

这些大电阻的构建会消耗大量的功率。 从左到右:两个3W22kΩ电阻,两个5W0.1Ω电阻和25W3Ω和2Ω电阻。

  尽量让你选择的电阻工作在额定功率下,而且,除非你的目标是加热东西(加热元件基本上是真正的大功率电阻),否则尽量减少电阻的功率损耗。

  当你尝试选择LED限流电阻的值时,电阻额定功率可能会发挥作用。例如,你想使用9V电池点亮最大亮度的10mm超亮红色LED。

  该LED具有80mA的最大正向电流和约2.2V的正向电压。 因此,要向LED提供80mA电流,你需要一个85Ω电阻。

  电阻两端的压降为6.8V,通过的电流为80mA意味着电阻会产生0.544W(6.8V * 0.08A)的功率损耗。 一个半瓦的电阻是承受不了这么大的功率的! 它可能不会融化,但它会变热。 我们需要一个1W的电阻(或使用专用的LED驱动器)。

  电阻不是唯一需要考虑最大额定功率的元件。 任何具有电阻特性的元件都会产生热功率损耗。 通常使用高功率的电压调节器,二极管,放大器和电机驱动器等元件,都需要特别注意功率损耗和热应力。