Energia, moc i sprawność – najważniejsze w elektronice

W ostatnich kilku artykułach serii omawialiśmy kwestie związane z energią. Okazało się, że są to kwestie bardzo trudne i nikt wszystkiego do końca nie rozumie. Ale wiele aspektów zagadnienia jest jasnych, łatwych do zrozumienia. Jednym z nich jest omawiana w tym artykule sprawność energetyczna.

Gdy zaczynałem swoją przygodę z elektroniką wydawało mi się, że w elektronice najważniejszą są prąd i napięcie. Wyglądało, że jest to oczywiste: prąd, napięcie, opór, prawo Ohma…

Z czasem okazało się, że to nieprawda. Dużo ważniejsze są: energia, przemiany, przesyłanie energii i informacji oraz ściśle związane z tym parametry – moc i sprawność.

Możesz mi wierzyć – jestem praktykującym elektronikiem od wielu lat. I dobrze wiem, że właśnie to są zagadnienia ogromnie ważne, wręcz najważniejsze, podstawowe, a bardzo słabo rozumiane i niedoceniane przez hobbystów, którzy w swoich konstrukcjach popełniają liczne związane z tym błędy. Spójrzmy na to z różnych punktów widzenia.

Oszczędzanie energii

Dawniej elektronik cieszył się przede wszystkim z tego, że urządzenie czy układ elektroniczny w ogóle działa. Mniej więcej sto lat temu zaczęła się epoka radia. Najpierw były tylko radia detektorowe, które nie wymagały zasilania. Potem pojawiły się rozmaite radioodbiorniki lampowe. Na początku były to odbiorniki bateryjne, zasilane z jednorazowych baterii lub akumulatorów. Pobierały mnóstwo energii i koszt ich użytkowania był duży. W Polsce elektryfikacja kraju nastąpiła dopiero po wojnie, i to nie od razu. Produkowano lampowe radioodbiorniki bateryjne, sieciowe i uniwersalne. Wszystkie o katastrofalnie małej sprawności energetycznej.

Ja zaczynałem swą przygodę z elektroniką później, w drugiej połowie lat 70., gdy dominowały już tranzystory, które pozwalały realizować urządzenia elektroniczne o znacznie wyższej, ale też małej, sprawności energetycznej. Powodem ogromnej satysfakcji było już samo to, że udało mi się zdobyć elementy. Celowo piszę: zdobyć, a nie kupić. Starsi wiekiem elektronicy potwierdzą, że nie było to łatwe, szczególnie w naszym kraju, bowiem większość atrakcyjnych elementów nie była dostępna w sieci sklepów z częściami elektronicznymi. Tu z łezką w oku wypadałoby też rozwinąć takie hasła jak BOMiS, „perski”, Wolumen…

Dawniej elementy często się zdobywało, a nie kupowało. A potem cieszyło już samo to, że układ elektroniczny w miarę prawidłowo pracuje. Kwestiami związanymi z energią i sprawnością mało kto się interesował, jeśli już, to tylko z konieczności. Z czasem sytuacja bardzo się zmieniła i na kwestie energetyczne każdy współczesny elektronik powinien zwracać baczną uwagę. We współczesnej elektronice moc i sprawność, dotyczące przemian energii, naprawdę są najważniejsze, ponieważ dziś mnóstwo mobilnych urządzeń elektronicznych zasilanych jest z akumulatorów i baterii. Chcielibyśmy, żeby takie mobilne urządzenia były jak najmniejsze i jak najlżejsze. Czyli ich źródła zasilania też. Kluczowym pytaniem jest: jak długą pracę zapewnią?

Nie mów: ja nie jestem projektantem smartfonów, mnie to nie dotyczy. Kwestia dotyczy dosłownie każdego elektronika, bo przecież każdy nieustannie, świadomie czy nie, dokonuje wyborów: jaki układ i jaką konfigurację wykorzystać? Czy bardziej, czy mniej energooszczędną?

Kwestia jest coraz bardziej istotna także w przypadku zasilania sieciowego Dziś każdy elektronik powinien być mocno wyczulony na ten aspekt zagadnienia: współczesne układy elektroniczne powinny być jak najbardziej energooszczędne.

Elektronika czy energetyka?

Wielu Czytelników może pomyśleć: przecież przetwarzaniem rodzajów energii zajmuje się energetyka, a nie elektronika… A ja jestem elektronikiem, a nie energetykiem. Mnie interesują układy scalone i mikroprocesory, a nie przemiany energii…

Rozprawmy się z takim błędnym poglądem!

Otóż właśnie w elektronice przetwarzanie energii jest chlebem powszednim! Od początku tak było i nadal tak jest, tylko nie zawsze o tym pamiętamy.

Fotodioda, ogniwo słoneczne, panel słoneczny (fotowoltaiczny) zamieniają energię promieniowanie świetlnego, elektromagnetycznego, na energię elektryczną. Z kolei żarówka, dioda LED, laser, neonówka, świetlówka, świecący kondensator, czyli lampa EL (przykład na fotografii 1) realizują transformację odwrotną – zamieniają energię elektryczną na światło.

Głośnik dynamiczny i przetwornik piezoelektryczny zamienia energię elektryczną na energię fal dźwiękowych (energię drgań mechanicznych). A rozmaite mikrofony na odwrót – zamieniają energię drgań powietrza na energię elektryczną.

Najróżniejszego rodzaju silniki (fotografia 2), w tym elektronicznie sterowane nowoczesne silniki krokowe, BLDC, PMSM, zamieniają energię elektryczną na mechaniczną, a prądnice – odwrotnie.

Oto kolejne, nie dla wszystkich oczywiste przykłady: zasilacz sieciowy przekształca energię elektryczną z sieci energetycznej (prąd zmienny, wysokie napięcie 230 woltów) na nieco inną postać energii elektrycznej (prąd stały, małe napięcie rzędu kilku, kilkunastu woltów). Także duży transformator energetyczny na słupie przekształca energię elektryczną prądu zmiennego – wprawdzie on jedynie obniża napięcie kilkadziesiąt razy (z 15000 na 230 woltów), ale w sumie możemy uznać, że zgodnie z nazwą, każdy transformator przekształca energię.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze wrześniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 9/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 9/2023 znajduje się tutaj.

 

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10 zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.