AC vs DC: Vaihtovirta vai tasavirta - kumpi on parempi?

Virta (sähkövaraus) kulkee vain yhteen suuntaan, kun kyseessä on DC (tasavirta). Mutta AC (vaihtovirta) Sähkövaraus muuttaa suuntaa jaksottaisesti. Virran muutoksen vuoksi paitsi virta myös jännite kääntyy päinvastaiseksi.

Vaihtovirtaa (AC) ja tasavirtaa (DC) koskeva kiista ilmentää niin sanottua ”virtojen sotaa”, johon nämä kaksi sähköalan jättiläistä joutuivat 1890-luvun lopulla. Tasavirran puolestapuhuja Thomas Edison koki Teslan keksinnön niin suureksi uhkaksi, että hän ryhtyi harhaanjohtamaan amerikkalaisia väärin, jotta voisi heikentää vaihtovirran mainetta. Pelkäämäänsä menettävänsä rojaltejaan tämän uuden teknologian vuoksi Edison meni jopa niin pitkälle, että hän teloitti elefantin sähköiskulla osoittaakseen vaihtovirran hengenvaaralliset vaarat.

Tämä ei kuitenkaan estänyt Teslaa toteuttamasta unelmaansa toimittaa Yhdysvalloille edullista ja erittäin tehokasta energiaa. Vielä nykyäänkin näemme pitkiä ja paksuja johtoja, jotka on kiristetty tiukasti korkeiden sähköpylväiden väliin kuin kitaran kieliä. Vaihtovirta (AC) nousi valtaistuimelle ja hallitsi vuosisadan ajan kotitalouksia, toimistoja ja rakennuksia, kunnes nyt tasavirta (DC) näyttää vähitellen tekevän paluuta. Miksi vaihtovirta menestyi niin hyvin? Ja miksi tasavirta saattaa tehdä paluun? Muotoillaanpa nämä kysymykset uudelleen.

Miksi vaihtovirta on parempi kuin tasavirta?

Vaihtovirta on virran tyyppi, jossa elektronit vaihtavat suuntaa jaksollisesti edestakaisin. Se perustuu periaatteisiin, jotka Michael Faraday kehitti vuonna 1832 esitellessään dynamo-sähkögeneraattoriaan. Vaikka tasavirta oli niin arvostettu, siinä oli yksi suuri ongelma: sen siirtäminen pitkiä matkoja oli todella vaikeaa. Johtimissa tapahtui tehohäviötä, ja niitä jouduttiin vahvistamaan lisäpiireillä. Lisäksi tasavirtajännitteiden nostaminen tai laskeminen vaati monimutkaisia piirejä.

Vaihtovirtaa voitiin paitsi siirtää helposti pitkiä matkoja, myös muuntajien avulla muuntaa kätevästi suuremmiksi tai pienemmiksi arvoiksi. Muuntaja on pohjimmiltaan kääritty johto, joka ”korottaa” tai ”alentaa” vaihtojännitteen suuruutta. Kyky muuntaa jännitettä tällä tavalla tarkoitti, että sähköenergiaa voitiin siirtää paljon tehokkaammin paitsi kaupunkien välillä myös koko maan laajuisesti. Teslan unelma oli vähitellen muuttumassa todellisuudeksi.

Kyky siirtää sähköä pitkiä matkoja oli vaihtovirran (AC) tärkein etu tasavirtaan (DC) nähden, minkä vuoksi kodeissa ja rakennuksissa luovuttiin tasavirrasta jo 1800-luvulla. Vuonna 1893 General Electric valittiin toimittamaan tasavirtaa Chicagon maailmannäyttelyyn, mikä olisi tullut kohtuuttoman kalliiksi: $554 000. George Westinghouse puuttui kuitenkin asiaan ja lupasi toimittaa näyttelylle virtaa vain $399 000:lla Teslan vaihtovirralla. Kolme vuotta myöhemmin Niagara Falls Power Company, joka oli vakuuttunut vaihtovirran eduista, myönsi Westinghouselle oikeuden tuottaa sähköä Niagaran putouksilta ja valaista koko Buffalon kaupungin New Yorkissa. Vaihtovirta syrjäytti tasavirran lopullisesti. Sitten, muutama vuosikymmen myöhemmin, syntyi transistori.

Miksi tasavirta on parempi kuin vaihtovirta?

Toisin kuin vaihtovirta, tasavirta ei käy läpi kytkentäprosessia. Siinä ei ole jaksoja, ja virta kulkee yhteen suuntaan tasaisella jännitteellä. Kuten jo mainittiin, tasavirta menettää helposti tehoa lämmönä – ominaisuus, jota Edison hyödynsi sytyttäessään ensimmäisen hehkulampun. Haittoistaan huolimatta puolijohteiden aikakausi pakotti tasavirran paluun. Tasavirtaa käytetään pääasiassa elektronisten laitteiden virransyöttöön, erityisesti pienempien laitteiden, jotka voivat toimia vain kahdessa tilassa: päällä ja pois päältä. Tähän kuuluvat akut, LEDit, transistorit – tietotekniikan neuronit – sekä kaikki muut puolijohdelaitteet.

Tasavirta on tehnyt paluun, koska yhteiskuntamme on yhä riippuvaisempi tietokoneista, tableteista ja kannettavista laitteista, jotka ovat jatkuvasti yhteydessä ”pilvipalveluihin”. Pilvipalvelut ovat pohjimmiltaan tietokoneita, joita kutsutaan virallisesti palvelimiksi ja jotka sijaitsevat etäisissä rakennuksissa arvokkaiden tietojesi tallentamiseksi. Nykyään Facebookin ja Googlen kaltaiset yritykset varaavat kokonaisia rakennuksia palvelimille, jotka tallentavat tietoja niiden jatkuvasti kasvavan käyttäjäkunnan tarpeisiin. Vaihtovirran käsittely tällaisissa laitteissa on varsin monimutkaista, sillä se vaatii kehittyneitä piirejä. Tärkeintä on kuitenkin se, että vaihtovirta menettää energiaa, vaikkakin äärettömän lyhyen ajan, mitä jatkuvasti virtaa kuluttavat palvelimet eivät voi sietää.

Palvelinhuoneet ovat yleensä ilmastoituja, ja ne on tarkoitettu tietokonepalvelimien jatkuvaan käyttöön. (Kuvan lähde: Flickr)

Lisäksi jokainen sähköinsinööri tietää, että vaihtovirran siirrossa kertyvät häviöt voivat ylittää tasavirran häviöt ihovaikutuksen ja kapasitiivisen kytkennän vuoksi – ilmiöiden, joissa energia virtaa johdon pinnalla ja imeytyy sen alla oleviin esineisiin. Nämä vastukset hidastavat siirtoa ja heikentävät siten sen hyötysuhdetta. Itse asiassa sen läheisyydessä hajoavat häviöt muodostavat perustan, jolle langattomat sähkönsiirtomekanismit on rakennettu. Vaihtovirta säteilee osan energiastaan, joka voidaan helposti keskittää tiettyyn alueeseen kelaamalla johto sopivalla tavalla.

Toinen syy – ja tämä vaikuttaa tärkeimmältä – miksi tasavirta saattaa tehdä paluun, on sen yhteensopivuus ympäristöystävällisten elektroniikkalaitteiden kanssa. Koska kaikki aurinkokennot perustuvat puolijohdealustoihin, ne kaikki tuottavat tai toimivat tasavirralla. Tasavirran paluu saattaa olla välttämätöntä uusiutuvan energian vuoksi. Tietenkin voimme käyttää myös vaihtovirtaa (AC), mutta tämä edellyttäisi työläitä muunnoksia tasavirrasta vaihtovirraksi invertterin avulla ja sitten takaisin tasavirraksi, jolloin 5–20% energiaa menetetään lämmönä. Itse asiassa kokonaisia hehtaareja kattavat datakeskukset käyttävätkin näitä muuntimia, mutta ne eivät ainoastaan kuluta valtavia määriä energiaa, vaan syntyvän lämmön jäähdytysjärjestelmistä aiheutuu myös lisäkustannuksia, mikä pahentaa niiden taloudellista ahdinkoa.

Kumpi on siis parempi, vaihtovirta vai tasavirta?

Vaikka meillä on nykyään käytettävissämme tekniikka, jolla tasavirtaa voidaan siirtää sähköverkkojen kautta pitkiä matkoja, käytämme edelleen vaihtovirtaa. Vaihtovirtaa nostetaan korkeampiin jännitteisiin vastuksen voittamiseksi, ja kun virta saavuttaa käyttäjän, se alennetaan ja tasasuunnataan esimerkiksi tietokoneen virransyöttöä varten. Nämä tekniikat, kuten uusiutuvat energiateknologiat, ovat kuitenkin paitsi erittäin kalliita, myös niiden tehokkuus saattaa olla kyseenalainen. Kyllä, tasavirta tarjoaa vakaata tehoa, mutta suurempi hyötysuhde saavutetaan sen jälkeen tappioiden eliminointi.

Vaikka häviöt saattavat olla pienempiä kuin vaihtovirran yhteydessä, jännitteen korotus- tai alennuskerroin vaikuttaa asiaan. Vaihtovirtajännitteiden moduloinnin ja siirron yksinkertaisuus on edelleen vertaansa vailla, minkä vuoksi vaihtovirtaa saatetaan edelleen pitää parempana vaihtoehtona. Molemmat virtalähteet ovat omalla tavallaan erinomaisia, joten sen määrittäminen, kumpi on parempi, riippuu arviointikriteereistä – eli vertailukohteista. Arviointi perustuu olennaisesti sähkön käyttötarkoitukseen.

Nykyään ne toimivat rinnakkain. Vaihtovirta kulkee yläpuolellamme johtojen kautta, aivan kuin tyhjän päiväkirjan rivit, jotka päättyvät kotiisi. Vaihtojännite muunnetaan sitten tasavirraksi tasasuuntaaja, kuten laturissasi oleva sovitin, jolla voidaan syöttää virtaa kotitalouslaitteisiin, kuten hehkulamppuihin, valaisimiin ja muihin laitteisiin. Virta-sota ei ehkä ole enää yhtä dramaattinen kuin aikoinaan, mutta se jatkuu edelleen hienovaraisesti.

Lue alkuperäinen artikkeli osoitteessa Tieteen ABC