Egyszerű elektronika: Elem

Fenn maradt egy kérdés az előző lecke után:

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 (huladékenergiává). 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 a hőtermelése (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 termel : nem jársz messze az igazságtól. Azonos áram és változatlan bemenőfeszültség esetén...

A szabályozók másik vállfaja a kapcsolóüzemű szabályzó. Erről írtam 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 továbbmegy. 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 viszont. Így sikerült hőtermelés nélkül (kivéve a minimális vesztességeket) feszültségátalakítást végeznünk.

De nincsen ingyenebéd. 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 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...

TavIR-Facebook