2015年4月2日 星期四

Vape用電安全講義(2) - 如何獲得最大功率?淺談電子式主機

以下內容歡迎隨意轉載

在上一篇的「低壓低電阻好?還是高壓高電阻好?」中
我們所推得的結論是:
在確定目標功率時,高壓高電阻的情況會是安全又效率的,且使用上的感受會相同。

其中的意思是說:假設我習慣用18瓦特的功率,那麼2歐姆6伏特的搭配,會比0.5歐姆3伏特的搭配來得更安全且有效率。

但是如果說我想追求的是大煙量,所以我想要獲得最大的功率,那麼應該要怎麼做呢?



「如何獲得最大功率?淺談電子式主機」

上一篇中有稍微提到,電子式主機為了能夠將穩定的電源提供給線圈使用,必須額外使用一些元件來跟線圈串聯,其中包含一些晶片、電晶體、二集體、電感等等。

其中的原理大概如下:
我們可以把電感器想像成能夠快速充放電的電池。一開始,電池對電感器進行充電,充到夠用時,再進行放電。
意思就是說,當電感器充飽電後,我們的主機裡等同於多了一顆小電池,在適當的配置下,使得輸出的電壓能夠提升或是下降。又在控制晶片的管理下,我們可以得到穩定的輸出電壓,這就是「開關穩壓器(Switching Regulator)」的粗略原理。

然而,上篇有提到說,這些原件都一定有電阻的存在,會造成能量上的耗損。還有更重要的一點,這些原件都有「最大電壓」和「最大電流」的限制。

我們打個比方:
假設某款主機裡所用的電感器最大電流是10A,當我使用0.2歐姆的線圈搭配10V的電壓,依照歐姆定率算出理論上要有50A的電流流過線圈。
可是其中的電感器最大電流只有10A,結果就是其實流經線圈的電流只有10A,算成功率後只有20瓦特。

一樣的主機,我們換捲1歐姆的線圈搭配一樣10V的電壓,算出理論電流應該要有10A,且主機內電感器的最大電流剛好也是10A,所以你會得到跟預期一樣10A的電流,算成功率是100瓦特。

我們得到了一個小結論:因為主機內部元件有最大電壓和最大電流的限制存在,導致輸出功率在低電阻線圈的情況下,不一定會比相對高電阻線圈的情況下來得多。

然而在科技不斷的進步下,市售主機內元件的耐電流也有可能是很高的。
但在現在主機小體積的情況下,同時兼具安全和輸出能力的主機絕對是少見的。

那麼在電子式主機如此多的限制條件下,到底要如何才能得到最大的功率,好讓我獲得最大的煙量呢?

這邊先跟大家公布答案:回歸單純,使用機械式主機

機械式主機的構造單純很多:
「電池正極-開關-線圈-電池負極」。

這樣簡單的構造使得電池在輸出能量時,在電流的路徑上幾乎沒有能量的耗損,也沒有煩人的最大電流和最大電壓的限制。

我們以Efest IMR 18650 35A為例:
這款動力電池最多可以在35A的電流輸出下安全使用,且鋰電池充飽電後會有4.2V的電壓。
也就是說,他最多能夠產生147瓦特的功率。但要產生這樣的最大功率,我們的線圈要捲幾歐姆的呢?

利用歐姆定律我們可以簡單的算出來:充飽電時,如果搭配0.12歐姆的線圈時,就可以獲得該電池最大147瓦特的功率。

我們又可以歸納出一個公式:
當我使用某款最大電流為I安培的電池時,配置4.2/I(4.2伏特 除以 I安培)歐姆的線圈,可以獲得這款電池最大4.2*I(4.2伏特 乘以 I安培)的功率。

但是鋰電池還有一個惱人的特性存在:充飽電時的電壓大約是4.2伏特,沒電時的電壓大約是2.7伏特。這意味著當你使用機械式主機時,你每一口的感受都會不一樣,因為你的電池電壓持續的在下降,這也是電子式主機存在的最大優勢-穩壓。

所以說,如果你追求的是大煙量,且照著我上述的公式配置出你的線圈,安裝在機械式主機上的話,你必須要隨時對電池充飽電,才能持續獲得最大功率。

然而機械式主機相對於電子式主機,少了許多安全上的功能,例如:短路保護、過放保護、放電時間保護等等。
也就是說,如果你使用的是機械式主機,你必須要常常注意以下幾點事情:

  1. 確保沒有短路的發生。
  2. 確保你的電池電壓不要低於2.7伏特。
  3. 確保不要長時間的按壓開關。
這些是很重要的,畢竟鋰電池不是玩具,使用不當不僅會造成電池永久毀損,甚至發生爆炸。


最後我們來個結論:

電子式主機主要不是設計來提供大功率的,而是提供安全、方便的操作,其最大的優點是穩壓功能,這使得不論電池的電量高或低,使用上的感受都不會差太多。而這些方便的功能必須犧牲掉電池原生的最大輸出功率,也會有能量轉換效率的問題。

如果要追求的是大功率,那麼機械式主機會比較適合你:機械式主機幾乎沒有能量耗損的問題,也不會限制住電池的最大輸出功率。但是相對於電子式主機,機械式主機沒有層層的安全把關,所以使用上要非常注意安全問題。

使用電子煙時,除了獲得最佳的感受外,也要呼籲大家安全性的考量,別因為使用電子煙搞得斷手斷腳的!

再重申一次:歡迎隨意轉載!

Vaping is the futrue!

2015年4月1日 星期三

Vape用電安全講義(1) - 低壓低電阻好?還是高壓高電阻好?

常常看到有關主機燒掉的事件
使得媒體找到機會誇大不實報導
也使得很多人不敢入門電子煙

所以想在這邊跟大家以基本的電學原理
來解釋如何安全的使用電子煙

任何電器在合理的使用條件下
基本上都不會有什麼問題
電子煙也不例外

希望大家在稍微了解一些基本電學的情況下
能夠更安全的使用電子煙

以下的內容都歡迎轉載
希望能夠讓大家能夠更加的認識電子煙~


低壓低電阻好?還是高壓高電阻好?


首先,我們要先了解2個在電學裡很基礎也很重要的公式:
1.      R(電阻)=V(電壓)/I(電流)
2.      P(功率)=V(電壓)xI(電流)

如果我們再將第一條公式帶入第二條裡面,可以再另外得到兩個常用的公式:
1.      P=V^2/R(功率=電壓的平方 除以 電阻)
2.      P=I^2xR(功率 = 電流的平方 乘以 電阻)

在了解以上4條公式後,我們來看看接下來的兩種情況:

1.我捲了0.5歐姆的線圈,然後將電壓調到3伏特,代到上述的公式理,可以得到18瓦特(W)的功率。
2.我捲了2歐姆的線圈,將電壓調到6伏特,代到公式裡,得到會有18瓦特的功率。


問題來了,這兩總情況都會得到相同的功率,也就是說使用上會有一樣的感受。但是:到底哪種比較好?

在大家仔細思考了0.0041秒後,可能會覺得說:第一種情況只需要開到3伏特,簡直既安全又省電阿!

讓我來幫大家分析一下:

回到我們一開始提到的第一條公式:R=V/I – 著名的歐姆定律
我們將兩種情況分別帶入此公式中,可以得到:
第一種情況會輸出6安培的電流,第二種情況會輸出3安培的電流
所以我們又可以發現說,第一種是低壓高電流,而第二種是高壓低電流的不同情況。

接下來我要畫一張簡單醜陋的電路圖給大家看:

電池正極主機內阻線圈電池負極

這是整個電子煙的粗略功耗迴路架構。
圖上大部分的名詞大家應該都知道。

主機內阻可以想成:為了能夠將穩定的電源供應到你的線圈上,主機裡會需要一些晶片、電晶體、半導體、電感等元件來達成穩壓效果,而這些元件都一定會有電阻的存在。
所以:電流從電池正極開始走,經過主機內阻、線圈,最後回到電池負極形成一個迴路。

一般來說,主機內阻會非常小;而在同一條迴路上,流過上面所有部分的電流都會一樣。就像是水管:同一條水管裡流經的水量都會一樣。

我們再回到一開始介紹的公式:P= P=I^2xR(功率 = 電流的平方 乘以 電阻)
然後假設一些參數:我們假設主機內阻”=0.2歐姆。

所以在前面提到的第一種設定情況:0.5歐姆的線圈,6安培的電流。
可以帶入算出主機內阻所消耗的功率=7.2瓦特。

接著我們再算算看第二種情況:2歐姆的線圈,3安培的電流。
計算後得到主機內阻所消耗的功率=1.8瓦特

好,我們終於得到粗略的結論了:第一種情況主機內阻的功耗竟然是第二種情況的4倍!

那這樣的結論代表什麼意思呢?另外主機內阻偷拿的功率用到哪裡去了?

根據能量守恆定律,主機內阻所消耗的能量不會消失,必然會變成亂度最高的熱能
這些熱能會使主機的內部元件發燙,在極端的情況下,可以將你的主機燒出一個洞,甚至變成一團火球。

如果我再把線圈的歐姆數捲得更低,比如說0.1歐姆,一樣18瓦特的設定好了,
計算後得到主機內阻會拿走大約13.42瓦特的功率。
也就是說,我要用18瓦特的功率,結果主機就跟電池偷拿了13.42瓦特,這樣會安全嗎?

最終的結論很明顯:
在同樣的功率配置下,高電壓配高電阻會是更安全高效的選擇,且使用上的感受會完全一樣。

雖然在本人大篇幅的推導下,把高電壓高電阻的搭配講得比金柯拉還神,但還有一件事情我們必須要面對:開關穩壓器的效率問題,這是不管高壓高阻,還是低壓低阻都要面對的問題。
詳細內容就等以後有機會再跟大大們分享。

感謝大家耐心的看完
再重申一次:歡迎無條件隨意轉載

Vaping is the Future!