Energia - TavIR

Az elektronikai alapfogalmak – feszültség, áramerősség és teljesítmény – megértése gyakran kihívás a kezdőknek. Ez a cikk a vízanalógia segítségével egyszerűsíti le a villamos rendszerek működését, bemutatva, hogyan folyik az áram a magasabb feszültségű pontból az alacsonyabb felé, és hogyan működnek a szabályozók. Gyakorlati példákon keresztül érthetővé válik az elemek energiavesztesége, a megfelelő feszültség kiválasztásának jelentősége, és az áramkör optimális működésének elvei.

Az alapfogalmak tisztázása: Feszültség, Áramerősség, Teljesítmény

Ha van valami, ami a kezdő villanyászokat már az első lépésben összezavarja: a fogalmak és alapok bizonytalan ismerete. Először az „energiát” tegyük helyre…
Feszültség, áramerősség, teljesítmény – mik ezek? Álljon itt három kis mozaik:

A 4 darabos ceruzaelem kupac miért ugyanolyan gyorsan merül le, mint a három elemből álló?
A 9V-os elem miért 1/4 annyi ideig bírja, mint a 3 darab ceruzaelem?
Az egyelemes power-pack háromszoros sebességgel képes merülni, mint a három-elemes?

Nem kapkodunk, szépen sorjában fogunk haladni – mint egy könyvben (nem ér végére lapozni és megnézni, hogy ki a gyilkos!). A villamos rendszereket nagyon könnyen meg lehet érteni, ha víz-analógiát használjuk (az oktatásban a tudományosabban hangzó hidraulika-analógiának hívják). Az egyszerűsítés kézre áll: ha az elektromos áramról beszélünk, akkor a magasabb feszültségű helyről az alacsonyabb felé folyik (az alacsonyabbat hívhatjuk akár földnek is (ground: GND)). Az áram a folyadékáramot, a feszültség a magasságot jelenti a modellben – így a kisebb-nagyobb feszültség illetve az áramlás könnyen követhető és érthető.

Az Arduino-stílusú mikrokontroller rendszereinkben a betáplálási vonalon (külső tápfeszültség-csatlakozón keresztül: V_in jelzetű) a belső mikrokontrolleres rendszer által elvárthoz képest magasabb feszültségen jön a delej. Itt egy szabályzó foglal helyet, ami ezt a szabályozatlan feszültséget fix 5V-ra csökkenti. Utána az áram a processzoron és többi alkatrészen át folyik tovább, egészen a föld felé. (A mintában például: U_be: 12V, U_AVR:5V)

A mintánkban az egyszerűsítés végett 3 db feltöltött akku van a bemeneten (3 x 1.2V = 3.6V). A példánkban sok minden nem, történik, világít egy LED és a processzor alaphelyzetben jár. Így az átfolyó áram 10 mA körüli lesz. Ez az áram a teljes rendszeren átcsordogál: nem veszik el sehol és nem is szaporodik fel. A vizes analógiával élve: ez az átfolyó víz mennyisége. Tudományosan: az elektronok áramlása.
Ha az elemet vizsgáljuk – mintegy vízhálózat-analóg módon, akkor megfigyelhetjük, hogy az elemen a feszültség például 3 x 1.2V, majd az áramkörben a stabilizátor (VR – Voltage regulator – feszültségszabályozó) ezt 3.3V-ra csökkenti/stabilizálja. Az áram átfolyik az alkatrészeken és a föld (0V) szintjére kerül. Visszafolyik így az elembe, ahol újra 3 x 1.2V lesz belőle. És a folyamat ismétlődik. Ekkor az elemet az egész motorjának tekintve – szivattyúként is modellezhetjük!

Mint minden modell, ez is számos egyszerűsítést tartalmaz. Az áram nem a + oldalról a mínusz fele folyik, ahogyan az elem sem pumpaként működik. Azonban a modellezés és az analógia szerepét nagyon jól betölti. (Nem, horgász és hal sincsen…)

És mi az a teljesítmény?

Ahogyan a definíció szól: feszültség szorozva áramerősséggel. A vízanalógia alapján: ejtési magasság szorozva a vízhozammal. (És készen is vagyunk a vízi erőművünk méretezésével 🙂 .) A második diagram segítségével számolhatunk…

Az elemeken a feszültség 3.6V (3 db tölthető elem), utána egy feszültségszabályzó, mely 3.3V-ra szabályoz. Az áramkörünkben 10mA folydogál, így:

a stabilizátoron elvesztünk 3mW-ot,
az egyebekre 3.3V x 10mA = 33mW hasznos teljesítmény marad.

De mit tekintsünk vesztességnek?

Az általános megközelítés szerint – minden ami hővé alakul. De ekkor a mágneses mezőről, rádiófrekvenciásan kisugárzott energiáról nem beszéltünk… És mi a vesztesség – ha éppen egy hősugárzót vizsgálunk?

Fogalmazzuk is gyorsan át a kérdést: mi a vesztességünk?

Minden olyan „elveszített” energia, ami nem a kitűzött cél létrehozásáért használódik el. Például, ha világítunk egy hagyományos izzólámpával, akkor a bemenő energia 25-30%-a alakul fénnyé. A maradék mágneses energiává és hővé alakul. A vesztesség így 65-70%! Ha viszont télen vizsgálom a rendszert, akkor a hőenergia is hasznos, mert fűti a szobát… A vesztesség így rögtön <10%-ra csökken!

Azonban semmilyen rendszerünk sem örök életű. Idővel az áramforrásunk is ki fog merülni… Ezért nem lehet, hogy a vízeséssel meghajtunk egy vizikereket és ez a szivattyúnkat üzemelteti – és örökkön-örökké járna. Mert van vesztességünk. (Szóval a perpetuum mobile nem jött össze…)

És akkor lássuk a fejezet elején feltett három kérdést…

Miért merül le ugyanolyan gyorsan a három, mint a négyelemes áramforrás?

A válasz a feszültség-szabályzóban keresendő. A betáplálás 3 elem esetén 3.6V, míg 4 elem esetén 4.8V. De lehet akár 9V-os elemünk is és 5V-os rendszerünk. A betáplált energiánknak egy része egyszerűen hulladékenergiává alakul. A feszültség-szabályzó a kimenetén 3.3V feszültséget (vagy akár 5V feszültséget) tart – ahogy az ábrán látszik:

Maradjunk az egyszerűség kedvéért 3.3V-os rendszerben. Itt is igaz, hogy: a bemenő feszültséget hiába emeled, a feszültségszabályzó kimenetén mindig 3.3V lesz. És az utána következő AVR chip és kapcsolódó áramkörök 10 mA-t vesznek fel. A feszültség és áramviszonyok az áramkörben:

Teljesítmények a kör egyes szakaszain

A bemenő feszültséget hiába növeltük, a feszültségszabályzó vesztességi hővé alakította… A szabályozó működéséhez ökölszabályként figyeljünk oda, mert a be- és kimeneti oldala közt 0.3…0.7V feszültségkülönbségnek legalább lennie kell a megfelelő működéshez.

Következmények, tapasztalatok

Az áramköreinknek felesleges a nagyobb bemenőfeszültség, mint amekkorát az alapáramkör és a stabilizátor összesen a működéséhez megkíván. Ez kismértékben függ az általa stabilizált körben futó áramerősségtől; és persze attól, hogy az áramkörben milyen stabilizátort használunk illetve mekkora a célfeszültségünk.
Fontos figyelni arra is, hogy a szabályzón keletkező hőmennyiséget el kell távolítani. Ezt ha nem tesszük meg, akkor az áramkör túlmelegszik! A keletkező hőmennyiség függ a táplált áramkör áramfelvételétől (ez adott) és a stabilizátoron ejtett feszültségtől (erre van hatásunk).

Miért tart ki csak harmad ideig a 9V-os elem, mint 3 elemből álló pack?

A kérdést úgy is feltehetnénk, hogy a 9 Voltos feszültség miért nem biztosít hosszabb működést?
Ennek az oka az elemben keresendő. Az elemek kapacitását mili-Amper-órában (mAh) adják meg. Az AA elemek gyakran 2000mAh feletti kapacitásúak: ez azt jelenti, hogy amíg kimerülnek, 2A áramerősséget tudnak biztosítani 1 órán keresztül, vagy 1000mA 2 órán át, esetleg 500mA 4 órán keresztül, és így tovább… Aztán kimerülnek.

Az elemek energiatartalmának definíciója: feszültség x áramerősség x idő (vagy teljesítmény x idő). A mértékegysége: a Wattóra [Wh].
Így egy AA ceruzaelem teljesítménye (feszültség x áramerősség) = 1.5V x 2000mA = 3000mW = 3W. Ebből következően 3 db elem teljesítménye háromszor ennyi, azaz 9W. Az energiatartalma (2000mAh az elemkapacitás) = 1.5V x 3db x 2000mA x 1óra = 9Wh.
Egy standard 9V-os elem kb. 500mAh-át tud. Így az energiatartalma : 9Vx 500mAh = 4.5Wh.
Nos, ennek a fényében meg is van a válasz, hogy a 9V-os elem feleannyi energiával bír, mint a 3db AA ceruzaelem. Így feleannyi időt működik… Nem?

Biip-Biip! Rossz válasz!

Nem. Lapozz vissza egy picit (ide a cikk elejére) és olvasd el a nagyobb bemenőfeszültségről szóló részt… Szóval, akkor a lényeg röviden: a szabályzó a 3.3V feletti feszültséget hővé alakítja…

A működési idő meghatározásához vegyük alapul a teoretikus áramkörünket. A körben 10mA folydogál…
A háromelemes készletünkben 2000 mAh energia van, így 10mA terhelés esetén 2000mAh / 10mA = 200 órán át üzemelhetünk.
De 9V elemünk esetén 500mAh / 10mA = 50 óra működéssel számolhatunk.
Mi a következmény? Ne használj 9V-os elemet a tápláláshoz, mert rövidebb ideig működik az eszköz és az energia 2/3-a úgyis hővé alakul…

Az egyelemes AA áramforrásról való táplálás során miért harmad ideig tart a működés a háromelemeshez képest? És hogyan működik?
Mielőtt jobban belemélyednénk az áramforrás megismerésébe, meg kell tudni: a 3.3V-os rendszer hogyan is működik 1.5 V-ról? Hiszen már tudjuk: ha túl alacsony a feszültség, az áramkör nem is működik…

Vagy ezzel egyenértékű kérdés: hogyan áramoltassuk magasabb szintről a vizet? Hogyan vigyük – saját maga segítségével – magasabbra?
A válasz: egy érdekes kialakítású vizipumpa segítségével….

De erre választ már csak a következő leckében találunk…