توان مصرفی مقاومت

توان الکتریکی توسط یک مقاومت جذب می‌شود، چراکه حاصل ضرب ولتاژ و جریان است. برخی مقاومت‌ها این توان را به گرما تبدیل می‌کنند.

وقتی به دلیل وجود ولتاژ، یک جریان الکتریکی در مقاومت جاری شود، انرژی الکتریکی توسط مقاومت به شکل گرما از بین می‌رود. هرچه این جریان بیشتر باشد، مقاومت داغ‌تر می‌شود. این به عنوان توان نامی مقاومت شناخته می‌شود.

مقاومت‌ها با توجه به مقدار مقاومت و توان الکتریکی که می‌توانند به طور امن مصرف کنند (با واحد وات W)، دسته بندی می‌شوند؛ این توان عمدتا به ابعاد آنها وابسته است. هر مقاومت دارای یک توان نامی حداکثر است که عموما با اندازه فیزیکی آن تعیین می‌شود. هرچه مساحت آن بیشتر باشد، توان (گرما) بیشتری را می‌تواند به طور امن در هوای محیط یا هیت سینک پراکنده کند.

از یک مقاومت می‌توان در هر ترکیبی از ولتاژ (در حد معقول) و جریان استفاده کرد، به شرطی که از «توان نامی مصرفی» آن فراتر نرود؛ توان نامی نشان نشان دهنده آن است که مقاومت چقدر از توان را می‌تواند به گرما تبدیل کرده یا جذب کند، بدون اینکه به خود آسیب برساند. توان نامی مقاومت، گاهی اوقات وات نامی مقاومت نامیده شده و این گونه تعریف می‌شود: مقدار گرمایی که یک عنصر مقاومتی می‌تواند برای مدت زمان نامعلومی، بدون تخریب عملکرد خود، اتلاف کند.

توان الكتريكي نرخ اتلاف (تبدیل شدن به گرما) یا مصرف انرژی بر واحد زمان است. واحد استاندارد توان الکتریکی وات، با نماد W است و توان نامی مقاومت نیز با واحد وات ذکر می‌شود. همانند سایر کمیت‌های الکتریکی، هنگام بیان مقادیر بسیار زیاد یا بسیار کم توان، پیشوندهایی به کلمه «وات» اضافه می‌شود. برخی از رایج‌ترین آنها عبارتند از:

واحد های توان الکتریکی

توان مقاومت (P)

ما از قانون اهم می‌دانیم که وقتی جریانی از یک مقاومت عبور می‌کند، باعث افت ولتاژ ادر دو سر آن می‌شود. حاصل ضرب این دو کمیت، توان است.

به عبارت دیگر، اگر یک مقاومت تحت ولتاژ قرار بگیرد، یا اگر جریانی را از خود عبور دهد، همیشه توان مصرف می‌کند. ما می‌توانیم این سه کمیت توان، ولتاژ و جریان را در یک مثلث به نام مثلث توان قرار دهیم. همان طور که در شکل نشان داده شده، توان، که به شکل گرما اتلاف می‌شود در بالا و جریان عبوری و ولتاژ دو سر آن در پایین مثلث قرار می‌گیرند.

مثلث توان مقاومت

اگر از مقادیر ولتاژ دو سر مقاومت و جریان عبوری از آن مطلع باشیم، مثلث توان بالا برای محاسبه توان تلف شده در یک مقاومت عالی است. اما توان تلف شده توسط یک مقاومت را با استفاده از قانون اهم نیز می‌توان محاسبه کرد.

قانون اهم به ما اجازه می‌دهد تا با توجه به مقدار مقاومت، میزان اتلاف توان را محاسبه کنیم. اگر تنها مقادیر دو کمیت، ولتاژ، جریان یا مقاومت را بدانیم، می‌توانیم با استفاده از قانون اهم دو معادله متفاوت از عبارت بالا برای محاسبه توان به دست آوریم:

اتلاف توان الکتریکی هر مقاومت در مدار DC را می‌توان با استفاده از یکی از سه فرمول استاندارد زیر محاسبه کرد:

که در آن:

V:  ولتاژ دو سر مقاومت با واحد ولت،

I:   جریان عبوری از مقاومت با واحد آمپر،

R:  مقدار مقاومت با واحد اهم (Ω) است.

از آنجا که توان نامی مصرفی مقاومت به اندازه فیزیکی آنها وابسته است، یک مقاومت 1/4 (0.250)W از نظر فیزیکی کوچک‌تر از مقاومت 1W است؛ مقاومت‌هایی که دارای مقادیر یکسانی هستند، با توان‌های نامی مختلفی نیز در دسترس هستند. به عنوان مثال، مقاومت‌های کربنی معمولا توان‌های نامی 1/8 (0.125)W، 1/4 (0.250)W، 1/2 (0.5)W، 1W و 2W ساخته می‌شوند.

به طور کلی، هرچه اندازه فیزیکی مقاومت بزرگ‌تر باشد، توان آن نیز بالاتر است. با این حال، همیشه بهتر است یک مقاومت با اندازه‌ای انتخاب شود که توانایی اتلاف دو یا چند برابر توان محاسبه شده را داشته باشد. در صورت نیاز به مقاومت‌هایی با توان بالاتر، معمولا از مقاومت‌های سیم پیچی برای اتلاف گرمای اضافی استفاده می‌شود.

مقاومت های قدرت

مقاومت‌های قدرت سیم پیچی، از مدل کوچک استاندارد هیت سینک دار با بدنه آلومینیومی و توان ۲۵ وات که قبلا دیده‌ایم، تا مقاومت‌های قدرت لوله‌ای شکل بزرگ‌تر، از جنس چینی سرامیک و با توان ۱۰۰۰ وات که در بخاری برقی استفاده می‌شوند، در طرح ها و انواع مختلفی وجود دارند.

مقدار اهمی مقاومت‌های سیم پیچی در مقایسه با انواع کربنی یا فیلم فلز بسیار کم است (مقادیر اهمی پایین). دامنه مقادیر یک مقاومت قدرت از کمتر از 1 اهم (R005) تا تنها 100 کیلو اهم است، چراکه مقادیر مقاومت بیشتر به سیم‌های ظریف‌تری نیاز دارد که به راحتی آسیب می‌بینند.

یک مقاومت قدرت

مقاومت‌های کم اهم و کم توان، به طور کلی برای کاربردهای سنجش جریان مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آن، بر اساس قانون اهم، جریان عبوری از مقاومت باعث افت ولتاژ در آن می‌شود.

این ولتاژ را می‌توان برای تعیین مقدار جریان الکتریکی جاری در مدار، اندازه گیری کرد. از این نوع مقاومت در تجهیزات اندازه گیری آزمایش و منابع تغذیه کنترل شده استفاده می‌شود.

مقاومت‌های سیم پیچی بزرگتر، از سیم مقاوم در برابر خوردگی، که به دور هسته‌ای از جنس چینی یا سرامیک پیچیده شده است، ساخته می‌شوند و به طور کلی برای تحمل جریان‌های هجومی شدید، مانند جریان‌های تولید شده در کنترل موتور، کنترل آهنربای الکتریکی، کنترل آسانسور یا جرثقیل و مدار ترمز موتور استفاده می‌شوند.

عموما این نوع مقاومت‌ها دارای توان نامی استاندارد تا ۵۰۰ وات هستند و به طور کلی برای تشکیل «بانک مقاومت» به یکدیگر متصل می شوند.

یکی دیگر از ویژگی‌های مفید مقاومت‌های سیم پیچی استفاده از آنها در عناصر گرمایشی مانند موارد بخاری برقی، توستر، اتو و غیره است. در این نوع کاربرد، از مقدار وات مقاومت برای تولید گرما استفاده می‌شود. آلیاژی که برای تولید سیم مقاومتی استفاده می‌شود، معمولا نیکل-کروم (نیکروم) است که تا دمای 1200°C را هم تحمل می‌کند.

تمام مقاومت‌ها اعم از کربنی، فیلم فلز یا سیم پیچی، هنگام محاسبه حداکثر مقدار توان (وات) خود، از قانون اهم پیروی می‌کنند. همچنین لازم به ذکر است که وقتی دو مقاومت به طور موازی به هم متصل می‌شوند، توان نامی کلی آنها افزایش می‌یابد. اگر هر دو مقاومت از یک مقدار و دارای توان نامی یکسان باشند‌، در این صورت توان نامی کل دو برابر می‌شود.

مثال ۱

حداکثر توان نامی (با واحد وات) یک مقاومت ثابت که ولتاژ دو سر آن ۱۲ ولت است و جریان ۵۰ میلی آمپر از آن عبور می‌کند، چقدر است؟

با توجه به اینکه مقادیر ولتاژ و جریان را می‌دانیم، می‌توانیم این مقادیر را در معادله زیر جایگزین کنیم:

مثل ۲

حداکثر جریان ایمن که می‌تواند از مقاومت 1.8kΩ با توان 0.5W عبور کند، محاسبه کنید.

بار دیگر، از آنجا که مقدار مقاومت و توان نامی آن را می‌دانیم، می‌توانیم این مقادیر را در معادله استاندارد توان جایگزین کنیم:

تمام مقاومت‌ها دارای حداکثر توان نامی مصرفی هستند؛ این حداکثر توانی است که می‌تواند بطور امن و بدون آسیب رساندن به خود، اتلاف کنند. مقاومت‌هایی که از حداکثر توان خود فراتر می‌روند، معمولا خیلی سریع از بین می‌روند و به مدار خود آسیب می‌رسانند. اگر قرار است مقاومت از حداکثر توان نامی خود استفاده کند، نوعی هیت سینک یا خنک کننده مورد نیاز است.

توان نامی مقاومت پارامتر مهمی است که باید هنگام انتخاب مقاومت برای یک کاربرد خاص، در نظر بگیرید. وظیفه این قطعه، مقاومت در برابر جریان الکتریکی جاری در مدار است و این کار را با اتلاف انرژی ناخواسته به شکل گرما انجام می‌دهد. انتخاب یک مقاومت با توان کم در مداری که اتلاف توان زیادی از آن انتظار می‌رود، باعث داغ شدن بیش از حد مقاومت و از بین رفتن مدار می‌شود.

تاکنون مقاومت‌های متصل به منبع تغذیه ثابت DC را در نظر گرفته‌ایم، اما در آموزش بعدی، رفتار مقاومت‌های متصل به منبع تغذیه AC سینوسی را بررسی خواهیم کرد و نشان می‌دهیم که ولتاژ، جریان و در نتیجه توان مصرف شده توسط یک مقاومت در یک مدار AC، با یکدیگر هم فاز هستند.