Unelma akkukestosta
Petteri Järvinen • Mittaukset: Timo Helenius • Piirros: Petri Rotsten
Unelma akkukestosta
Entistä parempi akkukesto on matkamikron käyttäjän ainainen haave. Selvitimme, mikä kaikki akkua syö ja miten akkua kannattaa käyttää.
Tietokoneet ovat kehittyneet huimasti, mutta yksi asia ei ole juurikaan muuttunut: kannettavien tietokoneiden akut kestävät kahdesta kolmeen tuntia aktiivista käyttöä.
Käyttöaika on pysynyt samana 1990-luvulta lähtien. Akkutekniikka on kyllä kehittynyt, mutta toisaalta virrankulutus on koko ajan kasvanut.
Näytöt ovat aiempaa isompia ja niiden erottelukyky on lisääntynyt. Tehokas näytönohjain, web-kamera, bluetooth, wlan-piiri, kaiuttimet ja muut uudet tekniikat lisäävät niin ikään sähkön kulutusta.
Tuloksena on kauhun tasapaino, jossa akkutekniikan kehitys ulosmitataan kulutusta lisäämällä. Valmistajat tyytyvät kompromissiin, missä kone yltää maksimikuormalla kahden tunnin käyttöön. Siinä ajassa ehtii sopivasti katsoa yhden elokuvan dvd-levyltä.
Työmatkalaiselle, joka käyttää konetta lentokoneessa, pari tuntia on kovin vähän. Heidän tuskaansa on helpotettu toisella tavalla: ainakin business-luokan istuimissa on virtaliitin, joka käy lentokoneadapterin avulla erimerkkisiin kannettaviin.
Myös yhä useammissa auditorioissa pöydän alta löytyy sähköverkon pistoke. Sen ansiosta akku menettää merkityksensä.
Prosessori ratkaisee
Pöytäkoneissa suurin yksittäinen virtasyöppö on prosessori. Matkamikroihin tarkoitetut mobiiliprosessorit toimivat alemmalla jännitteellä ja kuluttavat vähemmän virtaa kuin pöytäkoneisiin suunnitellut prosessorit.
Miniläppäreitä varten on tarjolla alemmalla kellotaajuudella ja erityisen matalalla jännitteellä (ulv, ultra low voltage) toimivia prosessoreita. Niissä tehonkulutusta on laskettu entisestään, mutta suorituskyvyn kustannuksella. Tuotekehityksen onnistumisesta kertoo se, että mobiiliprosessorien oma tehonkulutus on noussut vähemmän kuin prosessorien suorituskyky.
Kannettavissa virrankulutus on ongelma toisestakin syystä. Mitä enemmän virtaa kuluu, sitä enemmän laite lämpenee. Sylissä polttavan kuumana käyvä mikro voi olla jopa terveydelle vaarallinen. Lisäksi kuumana käyvä kone nostaa kiintolevyn lämpötilaa, mikä lyhentää sen käyttöikää.
Hukkalämpöä syntyy kaikissa sähköisissä osissa, sillä johdinten resistanssi muuttaa osan virrasta lämmöksi. Erityisen paljon lämpöä tuottaa prosessori, missä jokainen transistorin tilanvaihto vaatii virtaa. Mitä enemmän transistoreita, sitä suurempi virrankulutus.
Myös kellotaajuuden nousu kasvattaa virrankulutusta, sillä tilanvaihtoja tapahtuu tiheämmin. Toisaalta yhä ohuempaan viivanleveyteen pyrkivä valmistustekniikka vähentää kulutusta.
Mobiiliprosessorit pyrkivät sulkemaan osia itsestään aina, kun huomaavat ettei jotain tiettyä toiminnallisuutta tarvita. Myös kellotaajuutta vaihdellaan jatkuvasti kuormituksen mukaan. Tavoitteena on, ettei prosessori tee mitään turhaan. Se on loppujen lopuksi tehokkain tapa vähentää kulutusta.
Koko päivä yhdellä akulla
Kuluttajatutkimukset osoittavat, että akkukesto kiinnostaa yhä ostajia. Monen toiveissa siintää laite, joka kestäisi akun varassa koko kahdeksan tunnin työpäivän. Silloin konetta voisi kuljettaa palaverista toiseen ja jättää sen vain yöksi lataukseen.
Laitevalmistajat ovat jo vuosia luvanneet tällaisia koneita. Iso akku nostaa kuitenkin kustannuksia, mitä on myrkkyä kovassa hintakilpailussa. Niinpä valmistajat ovat tehneet akuista modulaarisia. Perusakun vaihtoehtona tarjotaan isompaa tehoakkua niille, jotka haluavat maksaa siitä.
Tavalliset perusakut sisältävät usein kuusi kennoa. Tehoakussa kennoja voi olla 8, 9 tai jopa 12 kappaletta. Kapasiteetti kasvaa lineaarisesti kennojen myötä, niin myös koko ja hinta.
Yksi ratkaisu on ulkoinen lisäakku, josta riittää virtaa tavallisiin mp3/dvd-soittimiin ja kannettaviin tietokoneisiin jopa kymmenien tuntien ajaksi. Lisäakut eivät ole aivan halpoja, mutta esimerkiksi kenttäolosuhteissa ne saattavat olla ainoa ratkaisu. Niitä myy muun muassa Battery Geek (www.batterygeek.net).
Akku on kulutustavaraa
Moderni akku on itsekin pieni tietokone. Kemikaalien ohella akun sisällä on pieni prosessori ja muistipiiri. Akku raportoi koko ajan toiminnastaan tietokoneelle. Joissakin akuissa on jopa itsenäinen varaustilan näyttö.
Akut kuluvat käytössä. Muutaman sadan latauskerran jälkeen paraskin akku on menettänyt 20–30 prosenttia tallennuskapasiteetistaan. Usein varauskyky häviää tätäkin nopeammin, sillä akkuja käytetään väärin. Käytännössä akun hyödyllinen elinikä on yhdestä kahteen vuotta.
Jos pitkä akkukesto on tärkeää, kannattaa valita koneeseen oikeat komponentit. Led-näyttö ja flash-muistilevy lisäävät käyttöaikaa noin viidenneksellä tavalliseen näyttöön ja pyörivään kiintolevyyn verrattuna.
Myös käyttöjärjestelmä vaikuttaa. Vistan lukuisat taustaprosessit ja suurempi muistitarve kuluttavat akkua, joten Linux tai Windows XP ovat parempia valintoja.
Tätä artikkelia varten kyseltiin eri maahantuojilta, missä heidän malleistaan on pisin akkukesto. Ennätyksen teki Hewlett-Packardin HP Elitebook 6930p, joka 12-kennoisella ultra-akulla, 14,1 tuuman led-näytöllä, Windows XP:llä ja ssd-levyllä saavuttaa valmistajan mukaan Mobilemark 05 -testillä täyden 24 tunnin toiminta-ajan. Siinä ajassa ehtii jo lentää melkein maapallon ympäri!
Akku siellä, toinen täällä
Matkamikrot eivät ole ainoita akkukäyttöisiä laitteita. Digikamerat, kännykät, navigaattorit, mp3-soittimet ja monet muut vaativat jatkuvaa huolenpitoa, jotta niissä säilyisi riittävästi virtaa. Erilaisten pienlaitteiden lataaminen on melkoinen riesa.
Jäljellä olevan varaustilan mittaaminen on teknisesti vaikeaa, ja siksi lukema on usein epätarkka. Moni on saanut huomata, miten aamulla täyttä varausta näyttänyt akku tyhjenee täysin jo aamupäivällä. Mitä iäkkäämpi akku, sitä epäluotettavammaksi varaustilan näyttö käy.
Vasta kalliiden ammattilaitteiden akut toimivat kuten pitää: esimerkiksi Canonin ammattikäyttöön tarkoitetuissa 1-sarjan järjestelmäkameroissa varaustila näkyy prosentin tarkkuudella. Kamera antaa myös arvion akun kunnosta.
Usb-laturi avuksi
Lataamista hankaloittaa se, että jokaisella akulla on omanlaisensa laturi ja latausjännite. Onneksi usb-latureihin siirtyminen helpottaa tilannetta. Sama laturi kelpaa kaikkiin laitteisiin ja virtaa voi ottaa jopa tietokoneen usb-portista.
Oma lukunsa on Apple, jonka mp3-soittimiin ja puhelimiin akku on asennettu kiinteästi. Sen voi vaihtaa vain huollossa.
Pienet akut ovat ongelmallisia myös ympäristön kannalta. Akut pitää aina palauttaa keräyspisteisiin. Akku pitää irrottaa silloinkin, kun itse laite kierrätetään romuksi.
Matkamikron energiatalous
Mihin akusta otettava sähkö oikein kuluu? Tutkimme asiaa mittaamalla eri komponenttien virrankulutusta. Testilaitteeksi valittiin HP Compaq nw8440, jossa oli kahden gigatavun keskusmuisti, Intel Core 2 Duo T7200 -prosessori sekä 15,4 tuuman näyttö.
Koneen toimintajännite oli 20 volttia. Pelikäytössä täysin kuormitettuna virrankulutus ylitti kolme ampeeria, mikä vastasi yli 60 watin energiankulutusta. Saman kuluttaa tyypillinen kodin hehkulamppu.
Peruskulutukseksi saatiin 24,75 wattia. Silloin näyttö oli poissa käytöstä ja prosessori ajoi vain Windowsin omia taustaprosesseja. Lukema sisältää myös tuulettimen osuuden.
Kuormitettuna prosessori kulutti 16,45 wattia. Näyttö minimaalisella kirkkaudella kulutti 3,75 wattia. Täysi kirkkaus yli kaksinkertaisti kulutuksen 7,87 wattiin. Kiintolevyn 4,7 watin kulutus oli näytön ääriarvojen välistä.
Valmiustilaan (stand-by) asetettuna virrankulutus putosi 91 milliampeeriin eli alle kahteen wattiin. Laskennallisesti akussa riittää siis virtaa noin neljäksi vuorokaudeksi. Wlan-piirin ja bluetoothin tehonkulutus todettiin kokonaisuuden kannalta merkityksettömän pieneksi.
Vanhassa vara parempi?
Vertailun vuoksi tutkittiin myös seitsemän vuotta vanhaa IBM Thinkpad T22 -kannettavaa, jossa oli Pentium III sarjan mobiiliprosessori 900 megahertsin kellotaajuudella. Laitteen enimmäiskulutus jäi alle 30 watin prosessorin viedessä 9,1 wattia.
Prosessorin suorituskyvyn parantuminen on siis aiheuttanut lähes kaksinkertaisen tehontarpeen, jota joudutaan kompensoimaan isommilla akuilla.
Näyttö kulutti maksimikirkkaudella 8,3 wattia ja minimiasennossa 3,0 wattia. Koska näytön koko oli vain 12 tuumaa ja erottelukyky 1024 x 768 pistettä, näyttöjen energiatehokkuus on selvästi parantunut. Kiintolevyn lisäkulutus täysin kuormitettuna oli 4,9 wattia.
Lepotilassa mitattu virrankulutus 47 milliampeeria vastaa 0,7 watin tehoa, mikä on alle puolet uuden koneen lepokulutuksesta.
Akkujen oikea käyttö
Nykyiset litium-akut kestävät hyvin käyttöä, eikä niitä tarvitse ladata vuorokautta käyttöönoton yhteydessä. Mutta miten akun käyttöikä venyisi mahdollisimman pitkäksi? Siitä on monia näkemyksiä. Kartoitimme asiaa maahantuojilta kysymällä ja koostimme oheisen listan. Jokaisen kannattaa tutustua oman mikron mukana tulleisiin käyttöohjeisiin.
• Akkua kannattaa myös purkaa. Jatkuva lataus verkkovirralla lyhentää akun käyttöikää.
• Viikon tai kahden välein akku tulisi käyttää täysin tyhjäksi ja ladata heti sen jälkeen täyteen.
• Lepotilaan jätetyssä koneessa kulkee pieni virta, joka aikaa myöten tyhjentää akun. Jos akku saa olla pitkään tyhjänä, se menee pilalle.
• Mahdollisia vara-akkuja kannattaa kierrättää koko ajan niin, että kaikkia käytetään vuorollaan ja tasaisesti.
• Käyttämättömiä akkuja säilytetään valmistajan suosituksesta riippuen joko täyteen tai puolilleen varattuna.
Nikkelistä litiumiin
Vanhat nikkeli-kadmium-akut (NiCd) olivat hankalia, sillä tyhjäksi päässyt akku pilaantui nopeasti. Ellei akkuja ladattu täyteen, niihin kehittyi muisti-ilmiö, joka tuhlasi osan kapasiteetista. Lisäksi akut olivat vaarallista ongelmajätettä.
Nikkeli-metalliakut (NiMH) sopivat paremmin elektroniikkakäyttöön, sillä niissä ei ollut muisti-ilmiötä ja kapasiteetti painokiloa kohden oli hieman parempi.
Litium-akut (LiON) ovat nykyisin ylivoimaisesti suosituimpia. Niissä hyvä kapasiteetti yhdistyy lähes huolettomaan käyttöön, sillä muisti-ilmiötä ei ole.
Uusin variaatio on litium-polymeeri, jossa aiemmin metallikehikkoon sijoitetut solut on korvattu elektrodi- ja erotinkalvoilla. Suurin etu on siinä, että akkupaketista voidaan tehdä melkein minkä muotoinen tahansa ja näin tila käytetään optimaalisesti hyödyksi. Polymeeriakun kapasiteetti on noin 20 prosenttia tavallista litium-akkua suurempi.
Polttokennot lähivuosina
Litiumakkujen ongelma on ollut huonossa pakkaskestävyydessä. Lisäksi polymeeriakku voi räjähtää mekaanisen iskun tai liiallisen lämpenemisen seurauksena, joten latausjännitettä ja -virtaa on säädeltävä tarkasti.
Tulevaisuudessa akut saatetaan korvata polttokennoilla. Kemiallinen, ilman liekkiä tapahtuva palamisreaktio vapauttaa energiaa. Polttoaineena voidaan käyttää esimerkiksi etanolia, metanolia tai butaania. Polttokennoa ei voi ladata; se pitää tankata, kuten auto.
Esimerkiksi Panasonic on esitellyt tiivistettyä metanolia käyttävän polttokennon, joka on samankokoinen kuin nykyiset polymeeriakut, mutta josta riittää virtaa 20 tunnin käyttöön. Sen odotetaan tulevan myyntiin vuonna 2012.
