VÕIMSUS
Mida see võimsus siis elektroonika maailmas tähendab? Võimsad asjad on ju üldiselt head? Ikka on tore sõita võimsa autoga ja kontserdil peab olema võimas helisüsteemi, et kõik kuuleksid laval olevat bändi?
Võimsus kirjeldab mingisuguse süsteemi poolt ajaühikus tehtud tööd. Olgu selleks siis auto mootor, mis suudab mõne sekundiga raske auto nullist sajani kiirendada või helisüsteem, mis paneb iga trummilöögiga teises linnaservas aknaklaasid värisema või elektriradiaator, mis kütab mõne minutiga toa soojaks. Mida võimsam on süsteem, seda rohkem tööd see sama aja jooksul teha jõuab.
Võimsust tähistatakse valemites tähega suur P ning võimsuse ühik on vatt, mille tähis on W.
Mida 1 W võimsust elektri puhul tähendab? See tähendab, et kui me rakendame skeemile pinge 1 V ja selle tulemusel tekib skeemis vool tugevusega 1 A, siis tarbib see skeemiosa võimsust 1 W (võimsuse eraldumisest me rääkida ei saa, sest energia võib ka talletuda näiteks akus/kondensaatoris). Milleks seda võimsust täpselt tarbitakse, sõltub juba sellest, mis sinna skeemi ühendatud on. Näiteks eraldub tarbitud võimsus soojusena takistitelt ja radiaatoritelt (mis on põhimõtteliselt suure võimsusega takistid). Liikumisena eraldub võimsus siis, kui skeemi ühendatud elektrimootorid ringi käivad. Valgusena, kui skeemi on ühendatud pirnid või LED-id.
Ohmi seadusest teame, et I = U / R. Siit võib voolutugevuse tõsta võimsuse valemisse ümber. Sellisel juhul saame elektrisüsteemi võimsust arvutada ka nii, et võimsus on võrdne skeemile rakendatud pinge ruuduga ning pöördvõrdeline skeemi takistusega. Samuti saame selle kirja panna ka nii, et võimsus on võrdeline skeemi läbiva voolutugevuse ruudu ja skeemi takistusega.
LISAMATERJALID:
https://sisu.ut.ee/elektroonika/27-v%C3%B5imsus
VÕIMSUSE ARVUTAMINE
Proovime nüüd päris skeemiga järgi. Kõige lihtsam ja päris suure võimsusega kodumajapidamise elekriseade on soojapuhur, mille põhiliseks komponendiks on üks takistustraat. Kui seda takistustraati läbib elektrivool, siis takisti soojeneb ning sellest eraldunud soojusega saamegi oma tuba soojemaks kütta.
Mõõdame, milline on meie soojapuhuri takistus. Selleks paneme soojapuhuri mõlema klemmi peale multimeetri oommeetri režiimis ning vaatame, millise lugemi saame.
Kui meie puhur on lülitatud maksimaalse võimsusega puhumise režiimi, siis tema takistus on umbes 27 oomi. Kui me lülitame ta poole võimsusega puhumise režiimi, siis on tema takistus umbes 52 oomi. Kui puhur ühendada seinakontakti, millest on pinge 230V, siis saame arvutada välja, kui palju võimsust sellisest soojapuhurist eraldub.
P = 230 * 230 / 27 = 52900 / 27 = 1960W.
Poole võimuse režiimis oli soojapuhuri takistuseks 52 oomi, seega sellisel juhul:
P = 230 * 230 / 52 = 52900 / 52 = 1017W.
Kui vaatame soojapuhuri põhja alla, on sinna tõepoolest kirjutatud, et puhuri maksimaalne võimsus on 2000W. Seega meie soojapuhuri valmistaja on puhuri peale päris õiged numbrid kirjutanud.
Soojapuhuri juures soovime, et võimalikult palju võimsust läheks soojuseks. Enamuse elektroonika juures soovime aga vastupidist, et soojust eralduks võimalikult vähe. Keegi meist ju ei taha endale nutitelefoni, mis raiskab ära enamuse aku energiast meie tasku kuumaks kütmisele. Igale elektroonikajupile on ka ettenähtud võimsusklass, kui suurt võimsust võib sellest komponendist eralduda. Suure võimsusega komponendid on ise tavaliselt suuremad ja neil on küljes metallist jahutuspinnad sooja eraldamiseks või kinnitatakse need lausa suurte radiaatorite külge, et komponendis tekkiv soojus minema juhtida. Kui komponendist eraldub rohkem soojust, kui tootja on selleks ette näinud, siis tõenäoliselt põleb komponent lihtsalt läbi.
Võtame näiteks tavalise takisti. Sellise korpusega takistid on tavaliselt mõeldud taluma 0.25W võimsust. Kui meie takisti takistuseks on 47 oomi, siis saame arvutada, millise pingega vooluallika võib siia külge veel ühendada nii, et takisti läbi ei põleks.
P = U^2 / R
P = 0.25W
R = 47 oomi
U = ruutjuur (0.25 * 47) = 3.4V
Võtame nüüd toiteploki ja anname takisti alustuseks peale 2V. Takistit läbib vool vastavalt 0.05A ja temperatuur tõuseb üle 60 kraadi. Tõstame nüüd pinget 3V peale. Voolutugevus on nüüd 0.07A ja temperatuur tõuseb juba 125 kraadi ligi. Läheme 4.5V peale. Vool on nüüd 0.1A ja temperatuur on juba üle 200 kraadi! Selline komponent võib olla juba tuleohtlik (paberi süttimistemperatuur on 200C, plastikud süttivad 400-500C kandis). Kui nüüd hüpata pingega aga üle 10V, siis põleb see takisti läbi juba üpris heleda leegiga!
Kui ületada takisti võimsuspiir, siis põleb takisti läbi. Sama oht on ka juhtmetega. Juhtmete sisetakistus on aga piisavalt väike, et ka peenikeste juhtmete demonstartiivne läbipõletamine võib nõuda ohtlikult suurt voolutugevust. Väga madalale võimsusele vastu pidava elektrijuhi saab aga kodustest materjalidest valmistada. Selles videos näidatakse, kuidas patareide abil tuld süüdata.
KORDAMISKÜSIMUSED
Kui suur takisti tuleb valida, kui käitada 12 V pingega 3 W LEDi?
https://datasheet.octopart.com/HPA8B-44K3Y-Huey-Jann-datasheet-17575173.pdf
Vihje: andmelehes on välja toodud nii "Continuous Forward Current" kui ka "Peak Forward Current". Proovi arvutada takistus mõlemaks juhuks.
Kui suurele võimsusele peab takisti vastu pidama?
