الصنّاع العرب

القدرة الكهربية (ELECTRIC POWER)

لماذا نهتم بالقدرة؟ القدرة هي مقياس لمعدل انتقال الطاقة (energy) خلال الزمن، والطاقة تكلفنا المال؛ فالبطاريات ليست مجانية، وكذلك الكهرباء القادمة عبر مأخذ الحائط في المنزل ليست مجانية. لذلك فإن قياس القدرة هو مقياس لمعدل الإنفاق مقابل استهلاك الكهرباء.
للطاقة صور عديدة (قد يكون بعضها خطراً) مثل الحرارة والإشعاع والصوت والطاقة النووية وغيرها، وزيادة القدرة تعني زيادة الطاقة. لذلك من المهم معرفة نوع القدرة التي نتعامل معها عند التعامل مع الإلكترونيات. لحسن الحظ عند حدوث مشكلة في القدرة أثناء استخدام الآردوينو (Arduino) (أحد أنواع المتحكمات الدقيقة) أو إضاءة دَيود باعث للضوء (LED) أو إدارة محرك صغير فإن الخطر يقتصر على احتراق المكونات أو انصهارها. بينما يختلف الوضع في حالات أخرى وقد تحدث كوارث.

محتويات هذا الدرس

• تعريف القدرة
• أمثلة على انتقال الطاقة الكهربية
• الواط (Watt) (الوحدة الدولية للقدرة)
• حساب القدرة باستخدام الجهد (voltage)، التيار (current)، والمقاومة (resistance).
• أقصى معدلات للقدرة (maximum power ratings)

مواضيع مقترحة للقراءة

القدرة أحد أهم المفاهيم الأساسية في مجال الإلكترونيات. لكن قبل الخوض في هذا الدرس هناك بعض المواضيع التي تحتاج لقراءتها أولاً (أو على الأقل تصفحها):
ما هي الكهرباء؟
الجهد، التيار، المقاومة، وقانون أوم
ما هي الدائرة الكهربية (circuit)
• كيفية استخدام الملتيميتر (Multimeter) (قريباً)

ما هي القدرة الكهربية

توجد العديد من أنواع القدرة، ولكننا في هذا الدرس سنركز على القدرة الكهربية. إذن ما هي القدرة الكهربية؟
في الفيزياء العامة تُعرف القدرة بأنها المعدل الذي تنتقل به الطاقة (أو المعدل الذي تتحول به من صورة لأخرى).
لذلك لنتساءل أولاً، ما هي الطاقة؟ وكيف تنتقل؟ الطاقة في الأساس هي قدرة شيء ما على تحريك شيء آخر. توجد العديد من صور الطاقة: ميكانيكية، كهربية، كيميائية، كهرومغناطيسية، حرارية والعديد العديد من الصور الأخرى.
يمكن تحويل الطاقة من صورة لأخرى. وأكثر ما نفعله عند التعامل مع الإلكترونيات هو تحويل الصور المختلفة للطاقة من وإلى طاقة كهربية. عند إضاءة دَيود باعث للضوء يتم تحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة كهرومغناطيسية. عند إدارة محرك يتم تحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة ميكانيكية. عند رن جرس يتم تحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة صوتية. كذلك عند تشغيل دائرة كهربية باستخدام بطارية قلوية 9 فولت يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية. كل ما سبق هي صور مختلفة لتحويل الطاقة.

يتم تحويلها باستخدام نوع الطاقة التي يتم تحويلها
محرك كهربي ميكانيكية
ديود باعث للضوء كهرومغناطيسية
مقاوِم حرارية
بطارية كيميائية
طاحونة هواء رياح

أمثلة للمكونات الكهربية التي تقوم بتحويل الطاقة الكهربية إلى صور أخرى

الطاقة الكهربية على وجه الخصوص تكون في البداية طاقة كمون كهربي (electric potential energy)، وهي ما نطلق عليها فرق الجهد (voltage). عندما تسري الإلكترونات نتيجة لطاقة الكمون الكهربي يتم تحويلها إلى طاقة كهربية. في معظم الدوائر الكهربية المفيدة يتم تحويل الطاقة الكهربية إلى صورة أخرى من صور الطاقة. يتم حساب القدرة الكهربية من خلال حساب كلا من كمية الطاقة الكهربية التي يتم تحويلها وكذلك السرعة التي يحدث بها التحويل.

المنتجون (producers) والمستهلكون (consumers)

كل مكون في الدوائر الكهربية هو إما منتج أو مستهلك للطاقة الكهربية؛ المستهلك يقوم بتحويل الطاقة الكهربية لصورة أخرى مثل الديود الباعث للضوء الذي يحول الطاقة الكهربية لطاقة كهروضوئية، ففي هذه الحالة يستهلك الديود الباعث للضوء كمية من القدرة الكهربية. يتم إنتاج القدرة الكهربية عندما تتحول طاقة من صورة أخرى إلى الصورة الكهربية، ومثال لمنتجي الطاقة الكهربية البطارية التي تستخدم لتشغيل الدوائر الكهربية.

الواط (Watt)

تُقاس الطاقة بوحدة الجول (joules) (J)، ولأن القدرة هي مقياس للطاقة المستهلكة خلال فترة زمنية محددة فيمكن قياسها بالجول لكل ثانية (J\s)، والوحدة الدولية التي تكافئ جول لكل ثانية هي الواط (W).

من الشائع للغاية أن ترى وحدة الواط مسبوقة بأحد بادئات النظام الدولي (SI prefixes) مثل: ميكرو واط (µW)، ميلي واط (mW)، كيلو واط (kW)، ميجا واط (MW)، جيجا واط (GW).

القيمة اختصار البادئة البادئة
10-9 nW نانو واط
10-6 µW ميكرو واط
10-3 mW ميلي واط
100 W واط
103 kW كيلو واط
106 MW ميجا واط
109 GW جيجا واط

المتحكمات الدقيقة (microcontrollers) مثل الآردينو تقاس قدرتها غالباً بالميكرو واط أو الميلي وات. أما الحواسيب المحمولة وحواسيب المكتب تقاس قدرتها بالوات. ويُقاس استهلاك المنزل للقدرة الكهربية بالكيلو واط عادة. أما الملاعب الكبيرة فتقاس قدرتها بالميجا وات، بينما يتم استخدام الجيجا واط في حالة محطات إنتاج الطاقة الضخمة.

حساب القدرة

القدرة الكهربية هي المعدل الذي يتم به تحويل الطاقة لصورة أخرى، وتقاس بوحدة جول/ثانية (J/s) وهو ما يعادل الواط (W). كيف يمكننا قياس القدرة في الدائرة باستخدام بعض المصطلحات الأساسية المعروفة لدينا المرتبطة بالكهرباء؟ حسناً، نحن نمتلك قياس متعلق بطاقة الكمون الكهربي وهو فرق الجهد مقاساً بالفولت (V) وهو يكافئ جول لكل وحدة شحنة (كولوم) (J/C)، ولدينا أيضاً شدة التبار وهو يقيس الشحنة التي تسري خلال زمن محدد مقاسة بالأمبير (A) وهو يكافئ كولوم لكل ثانية (C/s). باستخدام كلا من الكميتين السابقتين معاً نحصل على القدرة.

لحساب القدرة الخاصة بأي مُكون معين في الدائرة يجب أن نقوم بضرب فرق الجهد خلاله بالتيار الذي يسري خلاله.

مثال

الدائرة بالأسفل هي دائرة بسيطة تحتوي على بطارية 9 فولت موصلة خلال مقاوِم 10Ω.

كيف يمكننا قياس القدرة خلال هذا المُقاوِم؟ أولاً علينا أن نحسب التيار المار خلاله باستخدام قانون أوم.

حسناً، لدينا تيار بشدة 900 ميلي أمبير (0.9A) يسري خلال المقاوِم، وفرق الجهد بين طرفيه 9V، إذن ما هي كمية القدرة خلال هذا المقاوِم؟

تقوم المقاومات بتحويل الطاقة الكهربية إلى حرارة، لذلك في الدائرة السابقة يتم تحويل 8.1J من الطاقة الكهربية إلى حرارة في كل ثانية.

حساب القدرة في الدوائر المقاومة

عندما يتعلق الأمر بحساب القدرة في دائرة مقاومة فقط (لا تحتوي على أي مكونات باستثناء المقاومات)، يمكن استخدام اثنين من الثلاث قيم (فرق الجهد والتيار والمقاومة) فقط.

عن طريق التعويض بقانون أوم (V=IR أو I=V/R) في المعادلة التقليدية لحساب القدرة يمكننا الحصول على معادلتين جديدتين، الأولى تعتمد فقط على الجهد والمقاومة:

لذلك في المثال السابق 9V2/10Ω (V2/R) تساوي 8.1W، ولسنا بحاجة لحساب التيار الذي يسري خلال المُقاوم.
أما المعادلة الثانية فيمكننا من خلالها حساب القدرة باستخدام قيمة التيار والمقاومة فقط:


لماذا نهتم بحساب القدرة المستنفذة خلال المقاوم؟ أو أي مكون آخر؟ تذكر أن القدرة ترتبط بتحويل الطاقة من صورة لأخرى، وعندما تسري الطاقة الكهربية من مصدر القدرة خلال المقاوم فإن الطاقة تتحول إلى حرارة، ومن المحتمل أن تكون تلك الحرارة أكبر مما يستطيع المقاوِم تحمله، وهذا ما يقودنا إلى معدلات القدرة.

معدلات القدرة (Power Ratings)

جميع المكوّنات الإلكترونية تقوم بتحويل الطاقة من صورة لأخرى. بعض تحولات الطاقة يكون مرغوب بها مثل: إضاءة ديود باعث للضوء، دوران محرك، شحن البطاريات. بينما بعض تحولات الطاقة تكون غير مرغوبة، ولكن في نفس الوقت لا يمكن تجنبها. هذه التحولات الغير مرغوبة للطاقة تسمى الفقد في القدرة (power losses)، والتي غالباً ما تكون على صورة حرارة. كلما زادت كمية الفقد في القدرة ارتفعت درجة حرارة المكون، ويمكن أن تصل لحرارة خطرة وغير مرغوبة.
حتى عندما يتم تحويل الطاقة وفقاً للغرض الأساسي للمكون يظل هناك بعض الفقد على صورة أشكال أخرى للطاقة. الديودات الباعثة للضوء والمحركات على سبيل المثال ينتج عنها حرارة كناتج ثانوي بجانب وظيفتها الأساسية (الإضاءة أو الدوران).
معظم المكونات يكون لها قيمة لأقصى قدرة يمكن أن تتحملها، ومن المهم جعلها تعمل تحت هذه القيمة؛ فهذا يساعد في الحماية من ارتفاع حرارة المكونات التي تؤدي لاحتراقها أو انصهارها.

معدلات القدرة للمقاومات

المقاومات هي أحد المكونات المرتبطة بفقد القدرة بشكل كبير. عندما تقوم بتطبيق فرق جهد بين طرفي مقاوم فأنت أيضاً تجعل التيار يمر خلالها، وكلما زاد فرق الجهد زادت شدة التيار وبالتالي زادت القدرة.
لنعد بالذاكرة إلى مثالنا الأول على حساب القدرة، نجد أن أنه عند وجود فرق جهد بقيمة 9V بين طرفي مقاوم 10Ω فإن القدرة تكون 8.1W، وهذه القيمة تعتبر كبيرة بالنسبة لمعظم المقاومات. معظم المقاومات تكون قيمة معدل القدرة لها بين ثمن واط (0.125W) ونصف واط (0.5W). إذا قمت بتطبيق قدرة بقيمة 8W خلال مقاومة ذات معدل قدرة 0.5W فقم بتجهيز طفاية للحريق.

في الأعلى مقاوِم معدل قدرته 0.5W، وفي الأسفل مقاوِم معدل قدرته 0.25W. هذه المقاومات ليست مصنوعة لتتحمل الكثير من القدرة.

هناك نوع خاص من المقاومات يتم تصنيعه خصيصاً لتحمل قدرة عالية، ويعرف هذا النوع باسم مقاومات القدرة (power resistors).

هذه المقاومات الكبيرة تم تصنيعها لتتحمل قدرة كبيرة، من اليسار إلى اليمين: مقاومان بقدرة 3 واط و 22 كيلو أوم، مقاومان بقدرة 5 واط و0.1 أوم، مقاومان 3 أوم و2 أوم بقدرة 25 واط.

عندما تقوم باستخدام مقاوم ذي قيمة معينة انتبه جيداً لمعدل القدرة الخاص به، وإذا لم تكن ترغب في ارتفاع الحرارة فحاول تقليل القدرة المفقودة خلال المقاوم.
ملحوظة: عناصر التسخين (مثل المستخدمة في السخان والمكواة) هي في الأساس مقاومات تستهلك كم كبير من القدرة.

مثال

تلعب معدلات القدرة الخاصة بالمقاومات دوراً هاماً عند اختيار قيمة المقاوم المستخدم في تحديد التيار المار خلال ديود باعث للضوء. لنفترض مثلاً أنك تريد أن تضيء ديود أحمر شديد الإضاءة بأقصى إضاءة ممكنة وباستخدام بطارية 10V.

قيمة أقصى تيار أمامي لهذا الديود الباعث للضوء هو 80 mA، وجهده الأمامي حوالي 2.2v. لذلك لإمرار تيار شدته 80 mA خلال الديود عليك استخدام مقاوم 85Ω.

فرق الجهد خلال المقاوم هو 6.8V، والتيار المار خلاله شدته 80mA مما يعني أن القدرة المفقودة خلاله تساوي 0.544W (6.8V*0.08A). لا يجب استخدام مقاوم بمعدل قدرة قدره نصف واط في هذه الحالة؛ من المحتمل ألا ينصهر، ولكن حرارته سترتفع. لذلك لزيادة الأمان عليك استخدام مقاوم ذا معدل قدرة 1W.


المقاومات ليست هي المكونات الوحيدة التي يجب الاهتمام بقيمة أقصى معدل للقدرة الخاصة بها. بل أي مكون آخر ذو خواص مقاوِمة له قابلية للتسبب في فقد للقدرة على شكل حرارة. لذلك عند التعامل مع مكونات ذات معدلات عالية للقدرة مثل مُنظِمات الجهد، الدَيودات، مكبرات الصوت والمحركات، يجب الاهتمام بشكل كبير بالفقد في القدرة والإجهاد الحراري (thermal stress).

المصادر والمضي قدماً

أصبحت الآن على علم بمفهوم القدرة الكهربية، والآن اطلع على بعض الدروس المرتبطة بهذا المفهوم (ملاحظة: معظم هذه الدروس غير موجودة الآن وسيتم نشرها تباعاً على الموقع بإذن الله):
• كيف تشغل مشروعك -حسناً أنت تعلم ماهية القدرة، ولكن كيف يمكنك تطبيق ذلك لتشغيل مشروعك؟
• الضوء – الضوء هو أداة هامة لمهندس الكهرباء، وفهم الارتباط بين الضوء والإلكترونيات هو مهارة أساسية للعديد من المشاريع.
• ما هو الآردينو – تحدثنا كثيراً عن الآردينو في هذا الدرس. إذا لم يكن الأمر واضحاً لك فقم بقراءة هذا الدرس.
الديودات – سواء كانت تُستعمل لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، أو فقط للإضاءة، فهي مكون هام جداً لتشغيل المشاريع.
المقاومات – أحد أهم المكونات الإلكترونية، وهي تستخدم تقريباً في جميع الدوائر الكهربية.

تمّت ترجمة هذه المادّة من موقع sparkfun تحت تصريح كرييتف كومّونز 3 (Creative Commons 3.0)

عبدالله خيري

أضف تعليق

اترك رد

تابعنا