A legdrágább energiaforrás - Hogyan teszteljük? (1. rész)

Mindenki tapasztalja, hogy meglehetősen drágák az elemek, de azt talán kevesen tudjuk, hogy ár/energia arányban messze ezek a legdrágább energiaforrások. Ha elkezdünk egy kicsit számolgatni, rögtön kiderül, hogy az elem a legdrágább energiaforrás amit hétköznapi ember használhat. Ha veszünk egy 4-es ceruzaelem (AA) pakkot, annak ára körülbelül 600Ft. Ebből egy elem, jó esetben 2.5Wh energiát képes leadni, majd kipurcan. Tehát 1Wh energia körülbelül 60Ft-ba kerül. Összehasonlításként az áramszolgáltató 1kWh energiát ad nagyjából 40Ft-ért, ha összevetjük a kettőt, az jön ki hogy az elem 1500-szor drágábban szolgáltat ugyanannyi energiát.
Ha már ilyen drágán tudunk csak "hordozható energiát" vásárolni, érdemes letesztelni , hogy a különböző elemek között van-e különbség, ugyanis ár tekintetében elég nagy a szórást lehet tapasztalni közöttük. Ha csak az úgynevezett "tartós" azaz az alkáli elemeket vesszük számításba, akkor ezek közül lehet venni 700Ft-ért 10db-ot, de az sem okoz problémát hogy találjunk 1200Ft-ért 4db-ot. A következőkben megnézzük, hogy milyen teszttel fogjuk összehasonlíthatóvá tenni a különböző elemek ár/energia arányát.

Sokan csináltak már összehasonlító teszteket konstans áramú-, vagy konstans ellenállású terheléssel, ezekkel csak annyi a bökkenő, hogy ilyen fogyasztókat nem igazán használunk a hétköznapokban. Azok a fogyasztóink, amelyek igazán igénybe veszik az elemeket, mint például egy digitális fényképezőgép, legjobban egy konstans teljesítményű műterheléssel helyettesíthető. Majd látni fogjuk, hogy egy ilyen műterheléssel is csak közelíteni lehet a valóságos eszközt (fényképezőt), mert az általa felvett áram pillanatról pillanatra képes változni, és persze változik is.

Vegyünk egy konkrét esetet, ez a konkrét eset a feleségem Samsung S760-as kompakt fényképezőgépe lesz. (Sajnos volt egy ígéretem neki, hogy nem fogom szétszedni a fényképezőgépét. Ennyit az ígéretemről!) A fényképezőgép 2db AA méretű ceruza elemről működik, a benne lévő áramkörök tápellátásáról egyetlen egy IC gondoskodik (1. ábra). Ez név szerint a ROHM Semiconductor által gyártott BD9743 7 csatornás DC/DC konverter, ami kifejezetten digitális fényképezőgépekbe lett kifejlesztve.

1. ábra: A 7 különböző feszültséget előállító BD9743 típusú DC/DC konverter

2. ábra: A 7 csatornához 7 tekercs is tartozik (a vezérlő IC a PCB túloldalán)

Elsőre hihetetlennek tűnhet hogy szükség van 7 féle tápfeszültségre, de ha vetünk egy pillantást a 3. ábrán lévő kapcsolási rajzra, akkor ezeket pirossal szedve meg is számolhatjuk. Növekvő sorrendben: -7V, +1.8V, +2.5V, +3.3V, +4.5V és +13V. Ez ugye még csak hat, a hetedik az LCD háttérvilágítás tápja BLEDP ami az előzőektől eltérően áramgenerátoros táplálású. A DC/DC konverterhez tartozó tekercsek a vezérlő IC alatt, a PCB másik oldalán találhatók (2. ábra)

3. ábra: A fényképezőgép (S760) tápegységének kapcsolási rajza (a hétféle tápfeszültség pirossal kiemelve)

A fényképezőgép által felvett áram jelalak is rögzítve lett, ez a 4. és az 5. ábrán látható. A 4. ábrán a jelalakok 2V-os tápfeszültség mellett lettek felvéve, ez tulajdonképpen a legalacsonyabb feszültség, ami mellett még működik a fényképezőgép. A csúcsáramok nyaldossák a 800mA-t és érdekes megfigyelni, hogy kb. 20ms-os periódusonként vélhetően ugyan azokat a feladatokat ismétli bekapcsolt állapotában. Tehát ez a jelalak ahhoz az állapotához tartozik amikor csak simán be van kapcsolva a fényképezőgép és semmi mást nem csinálunk vele, tehát nem keressük a fókuszt, nem zoomolunk, nem töltjük  a vakut, stb.

4 ábra: Felvett áram (sárga), elem feszültség (kék), felvett teljesítmény (piros) a fényképezőgép bekapcsolt állapotában

Az 5. ábrán ugyanezeket a jeleket látjuk, a különbség csak annyi, hogy belenagyítottunk a felvett jelalakba. A felvett áram még mindig a sárga jelalak, ha esetleg azt gondoltuk az előző ábra alapján, hogy ez valamiféle mérési zaj, akkor tévedtünk, ugyanis ez a DC/DC konverterek bemenő áramának hullámossága. Az is látszódik, hogy mind a hullámosság nagysága, mind a frekvenciája változik a terheléssel.

5. ábra: lényegét tekintve ugyan az mint az előző ábra, viszont bele van nagyítva a jelalakba

Ha felvesszük különböző tápfeszültségek mellett a felvett áramot (6. ábra), akkor azt láthatjuk, hogy csökkenő tápfeszültség mellett nő a felvett áram, tehát egy ilyen fogyasztó valószínűleg konstans terhelésként jelentkezik az elemek számára. 

6. ábra: a fényképező által felvett áram az elemfeszültség függvényében

Ezt erősíti a következő grafikon is (7. ábra) amelyen a felvett teljesítményt ábrázoltuk a tápfeszültség függvényében. Ez a fényképezőgép, ha be van kapcsolva és nem csinálunk vele egyebet (pl.: zoomolás, fókuszálás, netalán vakuzás) akkor egy kb. 1.17W-os konstans terhelést jelent az elemek számára. Aki igazán sasszemű, az kiszúrhatja, hogy az 5. ábrán a matematikai csatorna 1.24W-ot számolt, ami a 6. ábrán nem is szerepel. A megfejtés a következő: az 5. ábrán a matematikai csatorna a zoomolt jelből számolja az átlagteljesítményt, viszont ebben nincs benne egy egész periódus (n*20ms), ezért fals eredmény ad.

7. ábra: a fényképező által felvett teljesítmény az elemfeszültség függvényében

Miközben az elem szépen lassan merül, a kapocsfeszültsége csökken, az ilyen konstans teljesítményű terhelés eközben szépen fokozatosan növeli a terhelőáramát. Tehát az elem akkor kénytelen a legkeményebb üzemben dolgozni, amikor már éppen a kimerülés szélén áll.

A lényeg tehát az következő: Egy modern, energiaéhes kütyü, mint például egy digitális fényképezőgép, konstans teljesítményű fogyasztóként látszik az elemek számára. Ha tehát ilyen körülmények között akarjuk tesztelni a különböző márkájú elemeket, akkor egy viszonylag komplex, konstans teljesítményű műterhelést kell építenünk.