Energiatárolás
Az előző cikkben a kapacitásokról volt szó, a dinamikus viselkedéséről és a komplexitásáról. Ebben a leírásban pedig a töltések és az energetikai jellemzői kerülnek terítékre….
Először egy kis kitérő a villamos mennyiségek földjére: a Farad. A faraddal jellemezzük azt a mennyiségű töltést, ami 1 Volt feszültség-különbséget hoz létre. A töltés mértékegysége a Coulomb (tisztelegve Charles-Augustin de Coulomb előtt), – ennyi töltést 1 Amper áram 1 másodperc alatt mozgat meg.
Amikor el kezded beleásni magadat ebbe a területbe, akkor emlékezz arra, hogy az SI mértékrendszer segítségével vált érthetővé és követhetővé az egész villamos mértékrendszer. E mérték- és szabályrendszer nélkül több bekezdés csak a konvenciók lefektetéséről szólna – mint például a Farad, mint mértékegységről. Így definíciószinten a modellezés is sokkal könnyebb, hisz’ visszatérve a példánkhoz: a víz mennyisége a töltést adja (Coulomb), a helyzeti/potenciál-energiát a magasság (Volt) és az időegység alatt átfolyó vízmennyiséget (Amper) is mérhetjük. A modellünk persze sántít – hiszen ezért modell), de az áramkör jellemzőinek bemutatására nagyon jól használható a továbbiakban is.
De vissza a Farad-hoz…
A Farad nagyon nagy érték a legtöbb kapacitáshoz. Ezért a uF (mikroFarad (10-6)), nanoFarad (10-9) illetve a pikoFarad (10-12) a használt mennyiség-mértékegység. A mF (miliFarad) szintén nem igazán használt mértékegység. Gyakran használt töltéstárolók még az elemek/akkumulátorok, azonban a töltések tárolása itt nem egyszerű elektromos energiaként, hanem kémiai átalakulás eredményeként történik. A Farad-ot, mint töltés-mennyiséget – itt is használhatjuk. Itt meg túl apró lesz. De nézzük meg az egyszerű elemünket, melynek a főbb jellemzői: AA kivitelű, 1.5V, 2500 mAh.
Ám ha kondenzátorként nézem:
- 2500 mAh azt jelenti, hogy egy órán keresztül képes 2500 mA (2.5 A) áramot biztosítani: Ez 2.5 A x 3600 s =9000 As
- Az 1 Amper definíciója: 1 Coulomb töltés áramlása egy másodperc alatt, – így az elem 9000 Coulomb töltést tárol.
- Az elemen mérhető feszültség 1.5V
- Így 9000 C / 1.5V = 6000 Coulomb töltés jut 1V-ra
- Ez azt jelenti, hogy az elemünk 6000 Farad-os kondenzátornak tekinthető!
Képzeld el, hogy micsoda hibát lehet elkövetni. A legkisebb pF és Farad közt 12 nagyságrend (1012) a különbség! Így a nullák számát nagyon jól nézd meg minden esetben!
Valahol a normál kondenzátorok és az akkumulátorok közt helyezkedik el a SuperCap – azaz a nagykapacitású kondenzátor.
Szuperkapacitás
Ez ténylegesen egy kondenzátor, ám a kapacitása óriási a hagyományos kondenzátorokhoz képest. A képen látható kapacitás 0.47 F. Nem mili, nem mikro, nano vagy piko. A supercap eszközök viszonylag újak még és jellemzően 2.7 vagy 5.5V maximum feszültség kapcsolható rájuk. A SuperCap-ok hasonlítanak a tölthető elemekre.A ráadott töltést jónéhány órán át megőrzik, ám a belső szivárgóáramuk a standard kondenzátorhoz képest jelentős. Ezt modellezni úgy tudod, hogy a kondenzátorral párhuzamosan mintha egy ellenállás lenne bekötve. Ha egy kapcsolási rajzon találkozol vele, az egyik kivezetése a GND-re csatlakozik. Általában valami ilyet láthatsz a leggyakrabban a kondenzátoroknál:
Kondenzátorok a való életben
Hogyan lehetne a kondenzátorok leggyakoribb felhasználási területét megnevezni? Talán a legjobb szó rá: töltéspuffer.
És miért lehet mégis úgy összefoglalni a kondenzátor működését: változó ellenállás? Ez biztosan magyarázatra szorul…
Ha a baloldali ábrán a + ágat 3.3V-ra kötjük, akkor a kondenzátor 3.3V-ra töltődik fel, és… ezután a töltődése megáll. De, hogyha a 3.3V megváltozik – akkor a kondenzátor jellemző tulajdonsága kerül előtérbe: ha a feszültség csökken, a kondenzátor magasabb potenciálra kerül és a töltést visszaadja az áramkörbe, amíg a feszültsége azonos nem lesz a betáplálási feszültséggel. Ha a bemenetén a feszültség nő, akkor a kondenzátorba töltések áramlanak – az addig tart, míg a kondenzátor feszültsége el nem éri a környezetét. Az első esetben forrás, a második esetben nyelőként viselkedik a kapacitásunk.
A működése azonos a tölthető elemekével. Ha a kapocsfeszültségénél nagyobb feszültséget kapcsolunk rá, akkor az akku töltődni kezd. Ha alacsonyabbat, akkor a töltések egy részét leadja. Sőt, ha valamilyen fogyasztót kötünk rá, szintén merülni kezd.
A jobboldali ábrát nevezik aluláteresztő RC-tagnak (angolul low pass RC filter). Mivel a lassan változó jelet jól követi, a nagyfrekvenciás jelet nem tudja követni – levágja. Innen a működés magyarázata: a kis frekvenciákat átengedi, a magasakat levágja/tompítja.
A baloldali ábrát digitális áramkörökben használják sokat, mivel a zajt (gyorsan változó, véletlenszerű jel) így ki lehet szűrni a tápfeszültségből. Ez a zaj sok mindentől keletkezhet: az áramköri kapcsolók működése, az nagyobb áramváltozások is ilyen zajt okoznak. Ezek kivédésére 0.1uF kapacitású kerámiakondenzátort használunk. De ezt hidegítő kondenzátornak is hívjuk mivel a nagyfrekvenciát átengedi a GND felé, így gerjedés nem tud kialakulni.
A jobboldali áramkör különböző helyeken, különféle kombinációkban sokszor kerül használatra. Használhatjuk jelszűrésre, tápellátás zajmentesítésre, analóg jelek esetén a sistergés, magas frekvenciák megszüntetésére. Egyik célszerű felhasználása még a PWM jelsorozat analóg jellé alakítása:
A PWM magas jelszintje mindig azonos feszültségszintet jelent (Vcc), míg a PWM alacsony jelszintje minden esetben GND! A kapott jelsorozattal minden esetben a minimum és a maximum közötti értéket akarunk jellemezni.
Néhány egyszerű számítással lehetséges megnézni, hogy mi történik ekkor a rendszerben.Az egyik kulcsszó az RC tag időállandó. Ennek szép matematikája van és visszaköszön a kondenzátor komplex volta is benne. Ezeket a levezetéseket itt a cikkben most kihagynám. Ha kíváncsi vagy mégis rá: Low Pass Filter (Wikipedia).
A szuperkapacitások sok játékra adnak lehetőséget. Könnyebben vizsgálhatóak velük a jelenségek, mivel miden folyamat lassabban történik velük. A „lomhaságuk” oka a nagy mennyiségű töltés, amit tárolni és leadni képesek. A szuperkapacitások annyi energiával rendelkeznek, hogy például egy LED-et is képesek meghajtani (a soros áramkorlátozó ellenállásról ne felejtkezz el!). Ahogy merül a kondenzátor, úgy csökken a LED fényereje.
Jó néhány jelenség vizsgálható a feszültségváltozás és az eltelt idő függvényében, például egy szuperkapacitás-LED-ellenállás összeállításban. A mérések során az ohm-törvénnyel tudunk számolni, a LED fényessége ellenőrizhető (legalább szemre). Mérni feszültségeket sok ponton tudunk. Ugye felmerül, hogy ehhez profi műszerpark kellene: például egy adatgyűjtős multiméter. Viszont ilyened vélelmezhetően van már a fiókban! úgy hívják, Arduino. Ha nem lenne, akkor a TavIR WebShopból is begyűjtheted és már ma a kezedben lehet…
A következő lecke már erről szól…
Egyszerű elektronika – Tartalomjegyzék
- Egyszerű elektronika – Kezdőlap
- Energia
- Elem
- 3.3V vagy 5V
- Ellenállás
- Kondenzátor
- Kondenzátor, kapacitás és szuperkapacitás
- Dióda
- LED – Fénykibocsátó Dióda
- Tranzisztor I.
- Tranzisztor II.
- Tranzisztor alkalmazások I.
- Tranzisztor alkalmazások II.
- Tranzisztor alkalmazások III.
- MOSFET I. rész
- MOSFET II. rész
- Felhúzó-ellenállás
- DHT11, DHT22 hőmérséklet- és páraszenzor
