Batterier och strömförsörjning. Energi och effekt. Tekzilla #85. - samt lite termodynamik. Effekt: Watt = Joule / sekund Energi: Joule = Wattsekund

Transkript

1 04/05 Baerier och srömförsörjning - sam lie ermodynamik. Vikor Öwall, Digial ASIC Group, Dep. of Elecroscience, Lund Universiy, Sweden- Tekzilla #85 Energi och effek I run an elecric heaer ha uses ~1800 was, i says on mos of all winer. Since I have lo of old compuers, why no run a whole flee of hem all winer for a more fun way o hea my back room? How many average deskop owers would I have o use for he same BTUs as my 1800W elecric heaer? Jeb, Washingon DC Effek: Wa = Joule / sekund Energi: Joule = Wasekund 1 joule = 1 Wa i 1 sekund 1

2 BTU: Briish Thermal Uni Mäer energi 1 BTU = Joule Används ofa som effekmå, BTU/h 1 W = 1 J/s = 60*60J/h = 3600J/h = 3.4 BTU/h The 1800 W heaer mus be saing he power consumed from he wall. Mos of which, I assume, will urn o hea. The compuers will a leas have o be drawing a leas 1800 W from he wall. Since he compuers are more efficien han he heaer because hey are running he CPU's, clocks, moors, fans and such; he compuers will need o pull even more han 1800 W in order o mach he conribuion of hea o he room. The guy waning o hea wih compuers is going o find ha, while is a fun idea, is also no a cheap idea relaive o he cos of running his heaer. The primary reason being ha compuers are designed o compue, no hea, hus hey aren' very efficien a i. Ok, I'm sorry bu Parick is correc, I've go an Elecrical Engineer and a Compuer Engineer, o back me up on his, (I'm an Agriculural and Bioresource engineer, no my area of experise). If he processors had 100% elecrical efficiency hen no hea would be released; however, due he fac nohing can be 100% efficien, (supid laws of hermodynamics), hey release excess hea. A good idea o ge an idea of his is o measure he power draw on a 1000W powersupply when 1000W's are acually being drawn, he powersupply will have o pull more han 1kW o oupu 1kW as i won' be 100% efficien. 2

3 Termodynamikens försa huvudsas Termodynamikens andra huvudsas Energi kan ine förinas eller nyskapas; den kan endas omvandlas mellan olika energiformer. Energin i e slue sysem är konsan. De finns ingen process vars enda resula är a värme överförs från en kallare ill en varmare kropp. (Clausius) De finns ingen process vars enda resula är a värme från en enda värmekälla hel omvandlas ill mekanisk arbee. (Kelvin) Energi PSU CPU I already hough somehing was fishy abou he explanaion given in he show. I was hinking "Huh, if you're using all of hose 1000W, each of hose was conribue o producing hea? Tha jus doesn' sound righ. Then wha was all his efficiency suff I learned way back when in secondary school? If a 1000W power supply has one of hem 80PLUS labels, doesn' ha mean ha more han 80% of he inpu power is useful energy and he remainder is wased on hermal energy?" 3

4 Energi 1 kw el PSU 80% eff. 200 W värme 800 W värme 800 W el CPU For he guy ha wans o hea his room/shed/whaever: a wa is a wa. And every wa a PC uses becomes hea evenually. Hea is he one form of energy you will ge 100% efficiency on when generaing. 04/05 Spänningsaggrega Helvågslikrikning och Spänningsaggrega Transformaor Lik- Rikning Gläning Sabilisering Vikor Öwall, Digial ASIC Group, Dep. of Elecroscience, Lund Universiy, Sweden- 4

5 Transformaorn Halvledarkomponen: Dioden i 1 i 2 In = Primär v 1 N1 N 2 v2 U = Sekundär I Förspänd Sröm flyer v 1 N = 1 i1 N1 + i2n 2 = 0 v2 N 2 + VD Backspänd Ingen Sröm Halvledarkomponen Dioden Dioden, förenklad modell Tröskel- eller Knäspänning, V f, över vilken srömmen ökar krafig, dvs aldrig mycke mer än V f Anod + VD Kaod V I S T I D = I S VD VT ( e 1) = ermiskspänning = = mänadssröm 10 kt q 15 A I S V f för kiseldiod = mänadssröm 0 D I = 0, V < V D Korsluning >V f med spänningsfall = V f f 5

6 Dynamisk resisans Dynamisk resisans + VD ΔI ΔU + VD r d = ΔU ΔI Tangenen = Derivaan då Δ 0 Dynamisk resisans Halvvågsikrikning r d + VD ΔU = ΔI r d avbro = framrikning rd = 0 backrikning rd = r d = 0 korsluning In U Spänningsdelning mellan dioden, den dynamiska resisiansen, och resisansen V In V U Ideal Diod, V f = 0 Om In > 0 Dioden leder Om In < 0 Dioden avbro r dyn =0 r dyn = 6

7 Halvvågsikrikning (V f = 0) V In In U Ideal diod, V f = 0 Om In > V f Dioden leder Om In < V f Dioden avbro Med halvvågslikrikning slänger vi bor halva signalen! V U V f r dyn = r dyn =0 Helvågslikrikning Helvågslikrikning, en halv period A D4 D1 V AB A D1 V AB Ideal Diod, V f = 0 Ideal Diod, V f = 0 B D2 D3 R L Om A > B D1 & D2 leder D3 & D4 avbro B D2 I R L V RL Om A > B D1 & D2 leder 7

8 Helvågslikrikning, andra halvperioden Helvågslikrikning, andra halvperioden A B D4 D2 D1 D3 R L V AB Ideal Diod, V f = 0 Om A < B D3 & D4 leder D1 & D2 avbro A D4 D3 B Srömmen genom RL på samma håll! I V AB R L V RL Ideal Diod, V f = 0 Om A < B D3 & D4 leder Helvågslikrikning, oal Gläning V RL 1:sa halvperioden V RL 2:ndra halvperioden V V RL 1+2 = helvågslikrika 8

9 Gläning Gläning V Kondensaor laddas upp Kondensaor laddas ur ΔV=rippelspänning V Sor kondensaor ger mindre rippel Ta bor dalarna för a få en likspänning Lagra värde på kondensaor = Gläning Sabilisering Zenerdioden Transformaor Lik- Rikning Gläning Sabilisering Vanlig diod i framrikningnen V För a a bor rippel. + VD V Z En väldefinierad spänning, genombrosspänning V Z, i backrikningen efer vilken ine ändras. V Z från e par vol ill flera hundra. 9

10 Zenersabilisering Regulaorsabilisering R 1 Uspänningen = V Z Vin Vu R L Ripple ligger över R 1 78XX V V R1 Gäller så länge som lassrömmen ej blir för sor V u V u = V Z Fas uspänning: XX = 05 XX = 15 5V 15V 10

11 Baerier Engångsbaeri Uppladdningsbara baerier Engångsbaerier 11

12 Vid sor srömuag Engångsbaerier Uppladdningsbara Brunsen Alkaliska Kvicksilver Lihium Blybaerier NickeCadium (NiCd) Nickel-Meallhydrid (NiMih) Lihium-Jon (Li-ion) Lihium-jon polymer (Li-ion pol.) 12

13 Wh/kg $100 $100 $25 $60 $50 Kosnad Ingen Ingen 3-6 mån 1-2 mån 1-2 mån Underhållsperiod Operaing emp. 0,5c/ <0,2c >2c/<1c 5c/0,2c 5c/0,5c 20c/1 c Las-sröm 3,6V 3,6V 2V 1,25V 1,25V Spänning Li-ion pol. Li-ion Bly- Syra NiMH NiCd $100 $100 $25 $60 $50 Kosnad $0,29 $0,14 $0,10 $0,12 $0,04 Per cykel 10% 10% 5% 30% 20% Självurladdning 2-3h 2-4h 8-16h 2-4h 1h Uppladdn ingsid Cykler < Förlus (mw) Li-ion pol. Li-ion Bly- Syra NiMH NiCd Pacemaker Drif 10 år. Mycke låg srömförbrukning

14 Försa pacemakern 1958 Uppladdningsbara baerier Radioakiv baeri Pacemakerbaeri Håller i 10 år! Mycke låg självurladdning Lihium-Jod V=2.2V I=20 mikroampere Rh= Ohm 14