Pregunta sobre los aspectos básicos de la batería (estoy confundido y no estoy seguro de cómo formular mi pregunta)

Estás sobre-pensando todo esto, y / o tienes algunos modelos mentales malos. También proporciona este dilema: que debe ser "siempre tiene 9 V" o, de lo contrario, "se puede extraer hasta 9 V". Ese no es el dilema y ni siquiera sé a qué te refieres cuando dices "tirado".

Una batería se basa en alguna química interna. Hay algunos potenciales de iones moleculares basados en algunas físicas bastante básicas que, afortunadamente para nosotros los humanos, significa que la química de una batería tiene el efecto de proporcionar un voltaje relativamente estable. Incluso puede obtener una batería pegando dos barras de metal diferentes en diferentes partes de un limón, por ejemplo. (Sin embargo, no es una batería "buena").

Las baterías que están diseñadas para suministrar un voltaje también tienen una especificación de "corriente de cumplimiento" para ellas. Y a veces, la especificación describirá qué tan bien funcionan en varias corrientes diferentes: con situaciones de baja corriente que duran más tiempo y situaciones de alta corriente que duran mucho más tiempo, sobre sus vidas útiles.

Cuando se aplica una batería a un circuito (como un circuito de LED), la configuración química reciente de la batería intenta proporcionar un voltaje más o menos estable a ese circuito. Pero si el circuito requiere demasiada corriente para la química y el diseño físico de la batería, entonces el voltaje caerá. A veces, se caerá mucho, mientras se sigue proporcionando algo de actual. Por lo general, las baterías que están atadas a una carga que podría consumir mucha más corriente de la que pueden administrar, tienen su química interna operando a un ritmo tal que también afecta su vida útil de servicio. Por lo tanto, es importante mantenerse dentro de sus especificaciones diseñadas con respecto a la carga aplicada.

Una forma muy sencilla de visualizar una batería química es pensarla como una batería ideal con una resistencia en serie adjunta. De esta manera, si el circuito intenta tomar demasiada corriente, entonces esta resistencia interna de la serie "dejará" algo de voltaje antes de que el circuito mismo tenga acceso a él. Pero esto es solo una aproximación muy simple. Una batería real es mucho más compleja y modelarlas es un arte de todo tipo.

Pero la idea básica es que una batería (o cualquier fuente de voltaje práctica) no es perfecta y tiene limitaciones. Pero los diseñadores dependen de la idea de un rango de voltajes razonables cuando se enfrentan con un rango de corrientes de carga razonables. Entonces, por ejemplo, podría diseñar un circuito para una batería de 9 V que no espere menos de 7,5 V y no más de 9,2 V durante su uso. No, SIEMPRE no proporcionará 9 V. Proporcionará voltajes más altos al comienzo de su vida útil y voltajes más bajos más adelante a medida que su química se agote. Tengo que decidir qué tan bajo puedo aceptar, antes de que mi circuito deje de funcionar correctamente. Cuanto más bajo pueda manejar, más dura la batería. Pero el voltaje también cae mucho más rápidamente a medida que se acerca el final de su vida útil. Así que tengo que hacer un juicio razonado sobre dónde dibujar esa línea.

Un suministro ideal de 9 voltios tiene exactamente un voltaje de salida de 9 V independiente de la carga, ya sea que consuma 1 mA o 1000 A, el voltaje medido en los terminales siempre será de 9 V. Una batería de 9 V es una aproximación razonable de esto sobre algún rango de carga. Una batería nueva sin carga tendrá aproximadamente 9 V (en realidad, un poco más alto). Si consume corriente, la tensión será un poco menor (la batería tiene cierta resistencia interna) y, a medida que la batería se agota, la tensión del circuito abierto caerá. Si intenta extraer demasiada corriente, el voltaje de salida caerá bastante por debajo de 9 V. Sin embargo, este modo de operación es extremadamente ineficiente, la batería no durará mucho y se calentará bastante.

La mayoría de las fuentes de alimentación son así: están diseñadas para funcionar con un voltaje aproximadamente constante con una corriente que varía desde cero hasta algún límite de corriente superior. El límite y la variación de la tensión de salida con la corriente de carga forman parte de las especificaciones de una fuente de alimentación.

Es posible hacer lo contrario: una fuente de corriente constante. Esta es una fuente diseñada para producir una corriente constante en una carga, siempre y cuando la caída de voltaje no llegue a ser alta (por ejemplo, la resistencia de carga es menor que algún valor). Estos son muy comúnmente utilizados como elementos de circuito, pero muy rara vez se utilizan como fuente de alimentación.

Para responder a TODAS sus preguntas, debe envolver su cabeza en torno a la ley de Ohm, en todas sus formas. Dado que I = corriente [amperios], V = voltaje [voltios] (más precisamente llamado potencial eléctrico) y R = resistencia [ohmios], la ley de Ohm establece que I = V / R. Haciendo algunos cálculos, también establece que V = IR y R = V / I. Revise los tres como se aplican a su circuito.

I = V / R: dada una fuente fija de 9V, la resistencia en un circuito (como un bucle de cable con un LED) determina la cantidad de flujo de corriente.

V = IR: El voltaje medido en una resistencia, conocida como "caída de voltaje" es el producto del valor de la resistencia y la corriente. En un circuito simple, la suma de todas las caídas de tensión se suma a la tensión suministrada, en este caso por su batería.

En el mundo real, las baterías no son perfectas y tampoco lo es el cable. Si su batería fuera una fuente perfecta de 9V y el cobre fuera un conductor perfecto, entonces conectar un bucle de cobre a sus terminales de la batería le daría I = V / R = 9V / 0 Ohms = corriente INFINITA. En el mundo real, el cable de cobre y su batería tienen una pequeña cantidad de resistencia interna. Entonces, cuando pasa corriente a través de un circuito de LED, su corriente real I = V / Rtotal, donde Rtotal = Rbatt (resistencia interna de la batería) + Rload (su LED u otro elemento de resistencia) + Rwire. En el mundo real, normalmente está manejando un LED con una resistencia de 20 ohmios, y las resistencias de los cables y la batería son MUCHO más pequeñas que eso, por lo que los ignora y calcula su corriente basándose solo en la resistencia del LED. ¿Por qué molestarse en buscar la resistencia interna de la batería y calcular la resistencia del cable para que pueda obtener su cálculo I = V / R ABSOLUTAMENTE PERFECTO en lugar de "dentro del 1%"? Pero su batería es una celda química y su voltaje disminuye a medida que se descarga. Y si lo engancha, o cualquier otra fuente de energía, hasta una resistencia lo suficientemente baja, entonces la corriente que está tirando será tan alta que la resistencia interna comenzará a importar, y perderá voltaje dentro de su fuente de alimentación porque La caída de voltaje a través de la celda o la fuente de alimentación será V = IR. Digamos que tiene una batería de 9V con una resistencia interna de 0.5 ohmios (un número inventado; no lo he buscado). Si su circuito tiene una carga de 20 ohmios, la corriente a través del circuito es V / R = 9 / (20 + .5) = .439 amps, que es solo un 2.5% menos que los 0.45 amps que calcularía si ignorara la resistencia interna . Pero si su circuito solo tiene una carga de 0.5 ohmios, entonces la corriente a través del circuito es I = V / R = 9V / (0.5 + 0.5) ohms = 9 amps, y la caída de voltaje a través de cada componente es V = IR = 9 * 0.5 = 4.5 voltios. Así es, la batería pierde 4,5 voltios empujando esos 9 amperios A TRAVÉS DE SÍ MISMO, y produce solo 4,5 voltios en sus terminales para impulsar el LED. En este caso, el LED se quemaría realmente brillante y la batería se calentaría y moriría rápidamente.

En términos intuitivos, piense en un circuito resistivo como una bomba que empuja el agua a través de una manguera hacia un tanque de sumidero. La presión en la línea es el voltaje, la tasa de flujo es la corriente y todo lo que bloquea el flujo es la resistencia. Enganche la manguera y tendrá alta presión en la línea pero no fluye agua. Aléjese del engarce y la presión permanece alta, pero fluye un poco de agua. Si abres la línea completamente, la manguera se afloja debido a la pérdida de presión; en ausencia de resistencia, la bomba comienza a descargar agua a través del sistema a baja presión. Cuanto más grande y más fuerte sea la bomba, mejor podrá mantener la presión a velocidades de flujo cada vez más altas. Las baterías y las fuentes de alimentación son del mismo modo.

De la Ley de Ohm que usa un divisor de voltaje resistivo, se puede determinar cualquier ESR de la batería por el aumento incremental en alguna corriente con la correspondiente caída en el voltaje. Esto supone una carga mínima de estado estacionario de > 5% como estado inicial. Por supuesto, una caída en el 50% del voltaje coincide con el ESR interno, pero causa autocalentamiento.

Estas no son especificaciones rígidas, pero en general son verdaderas para baterías nuevas. En general, cuanto mayor es la capacidad y el tamaño de Ah, menor es la ESR. Las celdas de monedas pequeñas tienen una ESR muy alta y, por lo tanto, están clasificadas para < 0.5mA. Mientras que el CR123A, ligeramente más grande que un AA, tiene 3.00V muy estable y una ESR más baja que la que se muestra a continuación.

Se muestra arriba 1) alcalino, 2) litio 3) litio y 4) fosfato de litio (LiPO3) o LiPo

TAMBIÉN, los LED pueden modelarse igual que las baterías en la parte superior donde el Vf depende de la longitud de onda y el ESR depende del tamaño del chip y la potencia nominal, en general

Diode \ $ ESR ~ _ {[Ω]} = \ frac {0.5 ~~ to ~~ 1} {Pd [W]} \ $ a Vf @ If nominal (incluido el ESR) cuando el diodo está saturado.