Egy tápegységnél, töltőnél, powerbank-nál (feszültségforrásnál), a megadott áram (amper) nem azt jelenti, hogy annyit ad le mindig, hanem azt, hogy maximum annyira képes. Tehát ha egy két amperes hálózati USB töltőre feldugom az ős ZTE Blade-et, akkor az fel fog venni 0.5 ampert, mivel annyit “kér”, az LG G3 pedig 1.5 ampert, mert ő meg annyit “kér”. Ettől a Blade nem fog tönkre menni, mert nem “kér” annyit. Az autóknál is a 12 voltos akkumulátorból az indítómotor több száz ampert is “kér” és kap is, arra a pár másodpercre, amíg indítunk. De a műszerfal világító izzó, vagy LED csak milliampereket kap, ezért nem fog tönkremenni attól, hogy egy több száz amper leadására képes akkumulátorra van kötve. Mert nem “kér” annyit.
Mitől függ, hogy mennyit “kér” egy fogyasztó? Ezt nevezzük ELLENÁLLÁSnak. Benne van a nevében. Ha az ellenállás nagy, tehát a terhelés nagyon ellen áll az áramnak, nagyon akadályozza az áram folyását, akkor kevesebb áramot enged át magán, kevésbé terheli az áramforrást, kevesebbet fogyaszt, kevésbé fűt, világít, stb. Ha az ellenállása kicsi, akkor nem áll ellent annyira az áramnak, vagyis jobban megnyitja a kaput, több áramot enged át, ezért többet is vesz fel az áramforrásból, jobban melegszik, fényesebben világít, hangosabban szól, stb.
Tehát egy töltőnél az áramerősség azt jelenti, hogy maximum mennyit lehet tőle “kérni”. Ha egy eszköz ennél többet “kér”, akkor ugyanazon a feszültségen nem fog kapni. Töltője válogatja, hogy ilyenkor hogyan reagál. A gagyi azt csinálja, hogy pl. 3 voltot ad le, mert azon a feszültségen már le tudja adni azt az áramot, amit a terhelés igényel. A kultúrált megoldás az, hogy ilyenkor nem ad le semmit, jelezve ezzel, hogy köszi, de ezt nem bírom. Ha az ellenállás állandó, akkor a feszültség és az áramerősség egyenes arányban változik. Kétszer akkora feszültség kétszer akkora áramot (és ezáltal négyszer akkora teljesítményt) eredményez, fele akkora feszültség fele áramot, ha az ellenállás állandó.
A mi esetünkben 5 voltos áramforrásokról beszélünk, mivel az USB szabvány ennyit ír elő. A telefonok tehát a belső ellenállásukkal szabályozzák, hogy mennyi áramot “kérnek” a töltőtől. Ha az LG G3-at rádugom egy gagyi töltőre, ami 1 ampert sem képes leadni, akkor le fog esni a feszültség 5V alá, mert a töltő nem bírja, ezt a telefon észre veszi és kicsit visszavesz a mohóságából és mondjuk 800 milliamperrel próbálkozik újra. Ezt úgy oldja meg, hogy megnöveli a belső ellenállását, hogy jobban ellent álljon az áramnak, kevesebbet kérjen. Így is fel fog töltődni, csak tovább fog tartani. Ha a Blade-et rádugom egy 2 amperes töltőre, nem fog tönkremenni, mert ő csak 500 milliampert kér, amit a töltő röhögve kiszolgál.
A tesztünkben 1 amper környékére lőttem be az ellenállást, vagyis:
R = U / I = 5 volt / 1 amper = 5 ohm.
5 ohmos ellenállásból csak 5 wattos kapható, az pont a névleges teljesítmény lenne (P = U * I = 5 volt * 1 amper = 5 watt) , nagyon fűtene. 10 ohmosból van 10 wattos, így kettőt párhuzamosan kötve, lenne egy 5 ohm, 20 wattos eredő. Ilyennel is teszteltük, de ez is nagyon fűtött. Ezért a végleges megoldás négy darab 4.7 ohm 10 wattos ellenállás lett, amiket párba (4.7 / 2), ill. a párokat sorba kötve (4.7 / 2 * 2) az eredő szintén 4.7 ohm lett, 40 watt mellett. Ez már nem fűt annyira. A 4.7 ohm kicsivel többet kérne mint 1 amper (I = U / R = 5 volt / 4.7 ohm = 1.06 amper), de a mérőáramkörben a 0.1 ohmos sönt ellenálláson 5 voltnál 0.1 volt esik ( U = I * R = 1 amper * 0.1 ohm = 0.1 volt), tehát az áramforrást végülis 4.8 ohm körüli ellenállással terheli, ami így már csak 1.04 ampert jelent ( I = U / R = 5 volt / 4.8 ohm = 1.04 amper).
Úgy gondoljuk ez az 1 amper körüli érték egy jó választás, amelyik töltő ennyit nem tud az említésre sem érdemes, sokkal többet pedig nem is kell tudni, mert pl. nekem az LG G3 is akkor fogyaszt 1.5 amper körül, ha full fényerőn megy, csutka hangerővel szól, egyébként nyugalomban 900 milliamperrel is megelégszik.
Minket az érdekel, hogy mennyi energiát tárol egy 5 voltos külső akkumulátor. Az energiát joule-ban mérjük, áram esetében wattórában szokás ezt számolni. A villanyszámlán nem wattot (a teljesítményt), hanem kilowattórát (a munkát) fizetjük. Ha megbízok valakit, hogy nyírja le a füvet, akkor a munkájáért fizetek, nem érdekel a teljesítménye, vagyis az, hogy mennyi idő alatt végzi el a munkáját. De előfordulhat olyan eset, amikor számít a teljesítmény, ilyenkor lehet hogy ugyanazért a munkáért többet fizetek annak, aki kevesebb idő alatt végzi el. Egy 100 wattos izzó egy óra alatt 100 wattórát eszik, W = P * t = 100 watt * 1 óra. Egy 200 wattos izzó fél óra alatt eszik ugyanennyit, fele annyi idő alatt végzi el ugyanazt a munkát, mert kétszer akkora a teljesítménye. Ez elméletben a végtelenségig skálázható, vagyis egy 10000 wattos fogyasztó, 1 / 100 óra alatt fogyaszt el 100 wattot, ez 10 kilowatt, amit még elbír egy otthoni 220 voltos hálózat, de ennél több már ipari teljesítménynek számit. Ezt a kitérőt csak azért tettem, hogy rávilágítsak arra, hogy nincs szükség értelmetlenül nagy áram leadására képes töltőkre (mobiltelefonok esetében), a lényeg az, hogy egy amper körüli áramot tudjon minél tovább szolgáltatni. Nyilván ha tud többet, az jót jelent, mert akkor a kevesebbet hosszabb ideig tudja leadni. De nem érdemes erre a tényezőre gyúrni. Itt van pl. ez. 4.8 amper? Minek? Akkor van esetleg létjogosultsága, ha egyszerre három telefont dugunk rá és mindegyiket ki tudja szolgálni kb. 1 amperrel. Az tök jó, hogy egyszerre három eszközt tölt, de ennek megvan az ára (átvitt, és valódi értelemben is!), mert háromszor annyi energiát veszünk ki belőle ugyanannyi idő alatt.
Ha lementek a tesztek, megismételhetjük 2 amperes műterheléssel is, ekkor azonban pár modell alapból ki fog esni, mert nem tudnak annyit. A kütyü alapból 3.2 amperig tud mérni, de a sönt csökkentésével ez növelhető. Kérdés lehet-e (és mennyiért) 0.1 ohm alatti nagy pontosságú ellenállást beszerezni...
Méréseinkben az idő számít. Mennyi ideig tudjuk tolni a játékot a szabadban, akkumulátorral a zsebünkben. Ez egy ÖSSZEHASONLÍTÓ teszt. Nem azt a célt szolgálja, hogy egyes modellekről kijelentsük hogy jó-e, vagy rossz. Ugyanazt a terhelést kapja mindegyik alany. Le is mérem grammra őket. A cél egy ár / érték arány felállítása. Az érték a tömegnek és annak az időnek a függvénye, amíg tudja tolni az egy ampert az akku. Nyilván egy húszkilós akku vinné a pálmát, de senki sem akar annyit cipelni. Ha ugyanazt az időt egy akku kisebb tömeggel is tudja produkálni, akkor nyilván értékesebb, kérdés hogy ez kinek éri meg a valószínűleg magasabb árat.
A tesztrendszer:
(A képen nem powerbank, hanem egy hálózati töltő van rádugva.)
Raspberry Pi 2 model B
INA219 feszültség és árammérő modul
Ez a kettő I2c buszon kommunikál.
4.7 ohmos műterhelés:
Kábelezés:
A GND és a Supply pontokra kapcsolódik az akkumulátor, a GND és Load pontokra pedig a terhelés. A Supply és Load között van a 0.1 ohmos nagy pontosságú sönt ellenállás, az ezen eső feszültségből számolható a rajta átfolyó áram.
A cron daemon percenként futtat egy PHP script-et, ami az i2cget paranccsal olvassa ki a bus és shunt feszültségeket. A modul áramot és teljesítményt is mér, de ezek a fenti kettőből számolt értékek, ezt a doksi világosan leírja. Ezért én is csak ezt a két értéket tárolom el egy MySQL (MariaDB) adatbázisban, ezek ismeretében az áram és teljesítmény kiszámolható, ha szükséges. A legfontosabb az idő, hogy hány percig képes a töltő leadni az egy ampert. A feszültség sem elhanyagolható, mert ha valamelyik csak 4.8 voltot ad le X percig, az gyengébb mint amelyik 5.0 voltot ad le ugyanannyi idő alatt. Igazából az átlagfeszültség és az idő szorzata az igazi mérce. Egyelőre kevés az adat, ha lesz elég akkor már fogom látni mekkora a szórás, és ekkor közzé is lesznek téve az eredmények.
Várjuk a jelentkezőket, akik néhány mérés idejére kölcsön adják az általuk használt power bankokat.