Elem - TavIR

A cikk az elektronikai tápegységek közötti különbségeket mutatja be, különös tekintettel a lineáris és kapcsolóüzemű szabályzók működésére és hatásfokára. Megmagyarázza, miért merül ki gyorsabban egy AA elemes áramforrás egyetlen elem használatakor, és rávilágít a kapcsolóüzemű szabályzók előnyeire, amelyek hatékonyabban alakítják át a feszültséget, és minimalizálják a hőveszteséget.
Fenn maradt egy kérdés az előző lecke után:

Miért merül?

Az egy elemes AA áramforrásról való táplálás során miért harmad ideig tart a működés a háromelemeshez képest? És hogyan működik valójában?

A könnyen érthető logikus, ám de teljesen hibás válasz: egy elem egyharmadnyi idő alatt merül ki, mint három…
Az AA áramforrás használata során a működési feszültséget elő kell állítani. Azaz a 1.5 V feszültségből 3.3 V szükséges… Ehhez ún. kapcsolóüzemű tápegység használható. A működése teljesen eltér a szokásos lineáris szabályzótól – és sokkal jobb a hatásfoka. A kapcsolóüzemű megoldás a mágneses és elektromos energia oda-vissza alakításán alapul.

De először lássuk a lineáris szabályzó működését

Ne nevess! A lineáris szabályzó valójában egy automata, nagyteljesítményű változtatható ellenállás.

Persze a maga valójában a szabályzó bonyolultabb ennél. De belül – a valóságban is – a felesleges energiát hővé alakítja (hulladék-energiává). A működése azon alapszik, hogy a kimeneten a 3.3V-ot tartja folyamatosan és az utána jövő áramkör áramigényét kielégíti. Ha nő a bemenő feszültség, nő a szabályzó ellenállása – és így nő a hőtermelése is (Később lesz majd róla szó az Ohm-törvény és feszültségosztó kapcsán).
Ha úgy gondolod, hogy ilyen elven egy sima ellenállás is elegendő lenne – mert azon is feszültség esik és hőt is termel : nem jársz messze az igazságtól. Azonos áram és változatlan bemenőfeszültség esetén mindez igaz is lenne…

A szabályozók másik vállfaja a kapcsolóüzemű szabályzó. Erre utaltam a fejezet elején – ahol egyetlen, 1.5V elemből 3.3V feszültséget állíthatunk elő.

De mi az a feszültségnövelés (angolul: boost) ?

A jól bevált hidraulikus analógiához visszanyúlva: a vizet magasabb szintre kell emelni – tisztán a jelenlegi víz energiájával (magasság és térfogatáram/vízhozam segítségével). Ezt hívják hidraulikus pumpának.
Ha az áramlás gyorsan megáll, a mozgási energia miatt az áramlás még tovább folytatódik. Némi szűkítőt belerakva a Bernoulli elv miatt a folyadékunk magasabbra jut… Igaz, ehhez pulzálni fog a rendszerünk. De valamit-valamiért… De sikerült előállítani a magasabb szintet!

Ugyanilyen folyamat megy végbe a kapcsolóüzemű rendszerben. Tartalmaz az áramkör egy gyors kapcsolót, amely megszaggatja az áramlást – valamint általában egy tekercset, amely az átfolyó áramból mágneses mezőt gyárt és a mező összeomlásakor (kinyitott kapcsoló) a mágneses energia villamos energiává alakul. Az áramkör ez utóbbi esetben a diódán keresztül záródik. A kondenzátor a töltések átmeneti tárolását (is) végzi. Így sikerült hőtermelés nélkül (kivéve a minimális vesztességeket) feszültség-átalakítást végeznünk.

De nincsen ingyen ebéd. A vesztesség az átalakítási hatásfokban mutatkozik meg. Ám, ha 100%-os is lenne a hatásfokunk, akkor is a 3.3V/10mA előállításához 1.1V/30mA-t használtunk fel!
Ebből látható, hogy a 3.3V előállítása során az 1.2V-os AA akku kimerüléséig 1/3 annyi idő telik el, mintha 3 db akkuról járatnánk az elektronikát.
Így a 2000mA leadására képes AA típusú akkunk egy kb. 650 mAh telepnek felel meg. (1 akku + kapcsolóüzemű kiegészítés). Ha az áramkörünk a szokásos 10 mA-t fogyasztja, akkor 650mAh / 10mA = 65 órán át képes üzemelni.

Nem számoltunk eddig hatásfokkal, mindenféle vesztességekkel. Azonban a kapcsolóüzemű átalakítók 90..95% hatékonysággal működnek! Összehasonlítva a 9V elemről járatott áteresztő táppal: ég és föld. Az áteresztő táp ~40..70% hatásfokú (függ a bemenőfeszültségtől), a kapcsolóüzemű ~90% (a teljes működési tartományban). Így megfontolandó a használata (közgazdászoknak: költség-hasznon elemzést a fórumba kérnék 🙂 )
Eddig a kapcsolóüzemű táp esetén a feszültségnövelő alkalmazást vizsgáltuk. Erre a műszaki irodalom a boost converter névvel találhatunk hivatkozást.

A feszültségcsökkentő kapcsolóüzemű táp a buck converter néven lelhető fel. Ezek hatásfoka szintén >90%. A felvett áram a feszültségcsökkentésnél arányosan kisebb, mint a boost konvertereknél. Ahol a szokásos 3.3V / 10mA rendszerünk esetén 1.1V ~ 30mA volt mérhető, ott a feszültségcsökkentő esetben a 3.3V / 10mA előállításához 9V esetén 3.6mA már elegendő!

Következtetés: ha energiatakarékos rendszert kell kiépíteni, akkor nagyon fontos, hogy milyen feszültségű áramforrást tervezünk be. Ha áteresztő (lineáris) szabályzót használunk, akkor minden esetben a bemenő feszültségnek magasabbnak kell lennie, mint a célfeszültségnek. És a többlet úgyis hővé alakul…
A vesztességi energiák csökkentésére ezért is érdemes kapcsolóüzemű tápot használni. Másik előnye, – ha feszültségnövelő (boost) szabályzót használunk, – hogy az elemek utolsó leheletnyi energiáját is ki tudjuk használni. A feszültségnövelő áramkörök akár 0.6 V-tól üzemképesek! Azaz ezen feszültségig kisüthetők az akkuk/elemek…