Tasavirta – mitä se on? Määritelmä, lähteet ja ero vaihtovirtaan

Tasavirta — määritelmä, lähteet (akut, aurinko, tasasuuntaajat) ja ero vaihtovirtaan. Selkeä ja käytännönläheinen opas sovelluksiin, siirtoon ja käyttöön.

Tasavirta (tasavirta tai "jatkuva virta") on sähkön virtaus yhteen suuntaan, positiivisista napoista negatiivisiin napoihin (potentiaaliin, napoihin).

Tasavirta virtaa aina samaan suuntaan, mikä erottaa sen vaihtovirrasta (AC). Tasavirtaa kutsuttiin aiemmin "galvaaniseksi virraksi".

Akut ovat eräitä tärkeimpiä tasavirtalähteitä, mutta on olemassa myös monia muita lähteitä, kuten virtalähteen siltasuuntaaja, aurinkopaneelit jne.

Tyypillisesti virta kulkee johtimen ja muiden tasavirtaa kuljettavien esineiden läpi. Tasavirtaa lähetetään myös tyhjiön läpi, kuten elektroni- tai ionisäteissä.

Ensimmäisen kaupallisen sähkönsiirron kehitti Thomas Edison 1800-luvun lopulla käyttäen tasavirtaa. Nykyään lähes kaikki sähköenergian jakelu käyttää vaihtovirtaa, koska muuntajiin ja siirtoon liittyy etuja. Korkeajännitteistä tasavirtaa käytetään usein sähkön siirtämiseen kaukana sijaitseviin paikkoihin.

Tasavirtaa vaativissa sovelluksissa vaihtovirta jaetaan tavallisesti sähköasemalle ja muutetaan sitten tasasähköksi.

Kauan sen jälkeen, kun tasavirran käyttö oli vakiintunut, fyysikot ymmärsivät, että virta muodostuu negatiivisista sähkövarauksista, elektroneista, ja että varsinainen virtaus kulkee negatiivisesta napasta positiiviseen napaan (ja niin sanotut "reiät" kulkevat vastakkaiseen suuntaan), mutta termiä ei koskaan muutettu sopimuksen mukaan.

Mitä tasavirta tarkoittaa käytännössä?

Tasavirta (DC) tarkoittaa sitä, että sähkövirran suunta ja usein myös jännite pysyvät vakiona ajan suhteen tai vaihtelut ovat hyvin pieniä. Toisin kuin vaihtovirrassa (AC), jossa jännite ja virta vaihtavat suuntaa säännöllisesti (esimerkiksi kotitalouksien 50 Hz tai 60 Hz verkko), tasavirta on yksisuuntaista.

Tasavirran lähteet

• Paristot ja akut — yleisimpiä pienjännitelähteitä (esim. 1,5 V AA-paristo, auton 12 V akku tai sähköauton suuri korkean jännitteen ajoneuvopakka).
• Aurinkopaneelit — tuottavat suoraan tasasähköä auringonvalosta.
• Tasavirtageneraattorit ja dynamot — mekaaninen liike muutetaan tasasähköksi.
• Sillat ja tasasuuntaajat — vaihtovirrasta muutetaan tasasähköä, esimerkiksi siltasuuntaaja-periaatteella.
• Elektroniikkalaitteiden virtalähteet — verkkovirran (AC) muunto ja säätö integroituihin DC-jännitteisiin (esim. 5 V USB, 3,3 V logiikalle).

Ero vaihtovirtaan (AC) — miksi valita kumpi?

Perusero on suunta: DC kulkee yhteen suuntaan, AC vaihtelee suunnan ja amplitudeetin mukaan. Käyttötarkoitus määrää, kumpi on parempi:

• AC on edullinen siirtoa ja muuntamista varten (muuntajat muuttavat jännitettä helposti), minkä takia jakeluverkot käyttävät pääosin AC:ta.
• DC on välttämätön elektroniikassa, akku- ja aurinkosovelluksissa sekä monissa teollisissa ja kuljetussovelluksissa (esim. sähköajoneuvojen käyttövoima, tasavirtamoottorit).
• Korkeajännitteinen tasavirta (HVDC) on tehokas pitkillä siirtoyhteyksillä ja merikaapeleissa — sillä voidaan vähentää häviöitä ja yhdistää eri taajuuksilla toimivia verkkoja.

Sovelluksia ja käytännön huomioita

Tasavirtaa käytetään laajasti elektroniikassa (virtalähteet, mikrokontrollerit), energia- ja varastointijärjestelmissä (akut, aurinkosähkö), rautateiden sähköistyksessä (joissain järjestelmissä), teollisuuden tasavirtamoottoreissa, sekä tietokeskusten sisäisessä virtajakelussa. Lisäksi korkean tehon DC-verkkoja tutkitaan energiatehokkuusetujen hyödyntämiseksi suurissa rakennuskokonaisuuksissa ja laivoissa.

Usein AC muunnetaan DC:ksi laitteissa käyttämällä tasasuuntaajia ja suodattimia (kondensaattorit, tasasuuntauspiirien suodatus), ja sitten regulaattoreita tai DC–DC-muuntimia ylläpitämään tasainen jännite (ripple eli jännitevaihtelut pyritään pienentämään).

Historian muistutus

Thomas Edison kehitti 1800-luvun lopulla ensimmäisen kaupallisen sähkönsiirron perustuen tasavirtaan. Sittemmin suurin osa sähköverkosta siirtyi vaihtovirtaan, osin Nikola Teslan ja George Westinghousen edistämän vaihtojärjestelmän ansiosta. Nykyään kuitenkin HVDC-teknologia on tyrkyllä pitkiin siirtoyhteyksiin ja energianvälitykseen, joissa sen edut korostuvat.

Suunnan käsite: konventionaalinen virta vs. elektronien kulku

Perinteinen konventio määrittää, että sähkövirta kulkee positiivisesta napasta negatiiviseen napaan. Myöhemmin ymmärrettiin, että varsinainen liikkuva varaus on usein negatiivinen (elektronit), jotka liikkuvat negatiivisesta napasta positiiviseen napaan. Käytännössä kuitenkin termiä ja merkintätapaa ei muutettu — konventionaalinen virran suunta on edelleen yleisesti käytössä piirianalyyseissä ja opetusmateriaalissa.

Mittaaminen ja yksiköt

Virran suuruutta mitataan ampeereina (A). Jännitettä mitataan volteissa (V). Tasavirrassa mitattu arvo voi olla jatkuva arvo (esim. 5,00 V) tai keskimääräinen arvo väliaikaisesti vaihtuvassa signaalissa.

Turvallisuus

Vaikka monissa pienjännitteisissä DC-sovelluksissa riski on pieni, suuret DC-jännitteet voivat olla hengenvaarallisia ja aiheuttaa syviä sähköisku- ja palovammoja. DC:llä on myös eri sammutus- ja kytkentäominaisuudet kuin AC:lla; esimerkiksi DC-kaaren sammuttaminen vaatii usein erikoisratkaisuja, koska arvo ei nollaudu jaksollisesti kuten AC:ssa.

Päätelmä

Tasavirta on keskeinen osa sähkö- ja elektroniikkamaailmaa: se on yksisuuntaista virtaa, jota tuottavat akut, aurinkopaneelit ja tasasuuntaajat sekä jota käytetään laajasti elektroniikassa ja energian varastoinnissa. Vaikka suurin osa julkisesta sähköverkosta on vaihtovirtaa, DC:n merkitys kasvaa erityisesti energian varastoinnissa, uusiutuvissa energiajärjestelmissä ja pitkän matkan siirrossa (HVDC).

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on tasavirta (DC)?

K: Mitä ovat eräät tasavirran lähteet?

Kysymys: Kuka kehitti kaupallisen sähkönsiirron, jossa käytetään tasavirtaa?

K: Miksi useimmissa sähköenergian jakelujärjestelmissä käytetään nykyään vaihtovirtaa?

K: Milloin käytetään suurjännitteistä tasavirtaa?

K: Miten vaihtovirta muutetaan tasavirraksi sitä vaativissa sovelluksissa?

Hae kirjaimella