Soy nuevo en la fabricación de circuitos (y electricidad en general), digamos que hago algo que requiere 3 voltios, si uso una batería de 9 voltios con 750 mAh, cuando baje el voltaje, aumentaré mi dispositivo correr tiempo? ¿Y algo tan simple como un resistor haría eso?
Nota: Sé que no debería disminuir el voltaje con una resistencia, solo me gustaría saber si tendría el mismo efecto que un regulador de voltaje reductor
La respuesta es sí, si usas un regulador de conmutación o buck .
La mayoría de los reguladores que puedes comprar son bastante eficientes, alrededor del 90%. Al reducir el voltaje de salida hasta 1/3 de la entrada, la corriente de entrada será solo alrededor de 1/3 de la corriente de salida. El Ah disponible en la salida del regulador a 3v será aproximadamente 3 veces el Ah disponible en la salida de la batería (2.7x para una eficiencia del 90%).
Una resistencia en serie no será eficiente. Es actual in = current out, por lo que pasar de 9v a 3v solo será 33% eficiente. La mayoría de los reguladores lineales serán ligeramente peores, ya que también desperdician un poco de corriente en tierra.
Vale la pena leer la hoja de datos de la batería, por ejemplo, Energizer522 9V Alkaline Battery . Es un poco críptico, pero hay un gráfico de la capacidad de Miliamp-Hours.
¡Sorpresa!LacapacidaddemAhnoesrealmenteunaconstante:aunamayorcorrientededescarga,lacapacidaddemAhdisminuye.Entonces,750mAhessolounaheurísticaparaestimareltiempodeejecuciónbasadoenunacorrienterelativamentebaja,paraunabateríagenéricade9V.Sinembargo,esbastanteconstante,enunrangodeoperaciónrazonable.(SidibujamilesdemA,comolasoldaduraporarcoconunabatería,esposiblequelaclasificacióndemAhnosigaelrastro.Nolorecomiendo,losincendioseléctricosnosondivertidos.Lasbateríasde9Vdeconsumosoncasiseguras,perolasbateríasmuchomáspeligroso.)
Dichoesto,siconsume50mApuedeesperaraproximadamente10horasdetiempodeejecución,ysiconsume100mApuedeesperaraproximadamente5horasdetiempodeejecución.Entonces,aunquelasbateríassonmuchomáscomplicadas,generalmenteesrazonableasumirunacapacidadconstantedemAhcomounaaproximaciónútildeprimerorden.
TengaencuentaqueelgráficodecapacidadmAhenestahojadedatosdelabateríaenparticulardice"descarga continua a 4.8 voltios a 21 grados C ". Tienen que especificar el voltaje de final de descarga, porque la batería no se agotará a 0 voltios. A medida que la batería se descarga, la resistencia de la fuente interna aumenta y aparece menos voltaje en los terminales. En algún punto, hay más resistencia de la fuente que resistencia a la carga, y más de la energía restante de la batería se destina a calentar la batería que a la conducción real de la carga. Algunas cargas pueden bajar la curva de descarga de la batería por debajo de otras. Una linterna podría funcionar con una batería que está demasiado agotada para hacer funcionar un motor.
Hay gráficos de tiempo de ejecución que muestran las horas de servicio (tiempo de ejecución) para dos escenarios diferentes, una carga de resistencia constante (donde la corriente de carga disminuye a medida que disminuye la tensión) y una carga de corriente constante. Si está utilizando un regulador lineal de baja caída de 3V, su corriente de carga será aproximadamente constante, por lo que es aplicable el gráfico de rendimiento de corriente constante. Una vez más, tenga en cuenta que especifican que es a temperatura ambiente. Una idea es que si está extrayendo 300 mA de la batería, no se mantendrá a temperatura ambiente, se calentará, incluso puede hacer calor.
Otra consideración, además de las horas totales de servicio, es la rapidez con la que la batería se reduce cuando llega al final de la descarga. Esta es una de esas características del sistema que depende tanto de la batería como de la carga. Eche un vistazo a los gráficos de pruebas estándar de la industria al final de esa hoja de datos. Estos son tres casos de uso típicos diferentes para la batería de 9 V, con la radio y el juguete siendo de descarga continua y el detector de humo utiliza un modo de suspensión para mantener baja la carga promedio actual. Si estuviera diseñando un producto electrónico de consumo, una de las tareas sería investigar las características de carga y la descarga de la batería de su producto en particular. Para un pasatiempo o un primer prototipo, el gráfico en la hoja de datos es un lugar para comenzar.
Si su dispositivo es un control remoto de mano y la batería deja de funcionar, es bastante fácil para el usuario cambiar una batería nueva. Pero si su dispositivo fuera un dron quadcopter, y su batería repentinamente dejó de funcionar cuando el quadcopter estaba a unos cientos de pies en el aire, eso sería malo. Usted querría una advertencia temprana de que la batería estaba llegando al final de su vida útil, para evitar un choque perjudicial. De manera similar, si su dispositivo estaba escribiendo datos en una tarjeta SD u otro medio, querría evitar que lo atrapen en medio de un compromiso con una batería repentinamente agotada. Por lo tanto, querría probar el voltaje de la batería, ya sea midiendo con un ADC o usando un divisor de voltaje de alta impedancia y un comparador, para detectar cuándo el voltaje de la batería está bajando lo suficiente para que su dispositivo se preocupe. Y si utiliza un microcontrolador, un circuito de bloqueo de subtensión (a menudo incorporado en el microcontrolador) evita que el microcontrolador haga algo si la tensión de alimentación está fuera de especificación.
Depende de la naturaleza de su carga.
Si tiene una carga resistiva, como una bombilla de antorcha de filamento de tungsteno, agregar la resistencia hará que la batería dure más debido a que la bombilla se quema con menos brillo, dibujando menos I. Un regulador de conmutación para reducir el voltaje de CC ayuda incluso .
Si tiene una carga moderna con su propio regulador interno, como un bit de "12 V" de equipo de cómputo, consumirá la potencia necesaria IV, por lo que si le da menos V insertando una resistencia, atraerá más Para compensar su uso de energía y agotar su batería SOONER que sin la resistencia. Insertar un regulador de conmutación de convertidor reductor buck dc no será de ayuda, ya que la IV no es más que la IV que contiene.
Entonces, hizo una pregunta razonable pero también necesita describir si su carga es "resistiva" o "potencia constante" o algo más antes de que pueda obtener una respuesta directa.
La pregunta es confusa porque aunque los términos utilizados están bien definidos, no siempre se entienden bien.
El voltaje y la corriente no interactúan en el sentido de que uno puede llenar el espacio dejado por otro, pero las baterías se comportan de manera diferente a las resistencias porque tienen una parte química que se consume a medida que se consume la corriente. Es importante destacar que la corriente y el voltaje aplican un punto específico en un circuito y en un momento específico.
Para una batería, la clasificación de mAh es una aproximación de la energía almacenada que se puede extraer antes de que se gaste la batería. Comenzando a 9V, una vez que haya extraído 100 mA durante 7.5 horas, tal vez el voltaje de la batería sea 8V, y 10 minutos más tarde será 6V (hipotéticamente). Extrajo 7.5 * 0.1 * 8.5 = 6.375 vatios-hora de la batería.
Con su circuito, puede cambiar la tensión de operación y el consumo de corriente (dependiendo de lo que sea el circuito), pero termina con un consumo de energía específico (por ejemplo, 3V 100mA, 0.3W). Aún no puede relacionar esto con la energía disponible de la batería porque sabemos que su circuito no funcionará como espera cuando lo conecta a 9V en lugar de a 3V.
Si usa un regulador lineal, el regulador actúa como una resistencia ajustable para desperdiciar el exceso de voltaje (6V cuando la celda está llena, 5V cuando la celda está vacía, a 100 mA) y aproximadamente 4 vatios-hora de energía de La batería calienta el regulador. La corriente es la misma en la entrada del dispositivo que en la batería.
Si usa un regulador de conmutación, el regulador actúa más como un transformador variable (una analogía débil, lo sé). La corriente de entrada será de 35mA a 9V y la corriente de salida de 100mA. En este caso, los cálculos aproximados se simplifican utilizando un número de eficiencia para el regulador. Si el regulador es eficiente en un 95%, consume solo aproximadamente 0,3 vatios-hora de la energía almacenada de la batería.
En resumen, lo único que afecta el tiempo de funcionamiento de una batería es la corriente que se extrae de ella a lo largo del tiempo. Una corriente más alta también enfatiza más el lado químico de la batería (como efecto secundario). A menos que pueda hacer coincidir el voltaje de la batería directamente con el voltaje de su circuito, deberá gastar algo de energía en un regulador. En general, los reguladores lineales o las resistencias solo tienen sentido (por eficiencia) si el desajuste de voltaje es muy pequeño, ya que los reguladores de conmutación modernos son baratos y eficientes.
Con el divisor de voltaje resistivo 2/3 de la energía de la batería se desperdiciará en la resistencia de caída de voltaje. ¡Esto no sería considerado eficiente!
Para una carga resistiva (una carga que se comporta como una resistencia) como una bombilla, una resistencia de caída de voltaje puede funcionar lo suficientemente bien como para dar los 3 V requeridos. Dado que las dos resistencias permanecen constantes en valor, el voltaje en su unión se mantendrá constante. Este principio se usa todo el tiempo en la electrónica, pero principalmente solo a baja potencia.
Si la carga no es constante, como un dispositivo electrónico con sub-circuitos que se encienden y apagan, por ejemplo, un microcontrolador, etc., entonces el voltaje suministrado varía con la carga. Cuando el dispositivo requiere más corriente, el voltaje bajará (lo que posiblemente causará un apagado) y cuando el dispositivo requiera una corriente baja, el voltaje aumentará (posiblemente dañará la electrónica).
Para cargas sensibles se debe usar un regulador de voltaje.
Regulador de voltaje lineal
Un regulador de voltaje lineal reemplaza su resistencia en línea con un dispositivo transistorizado que ajusta su resistencia para proporcionar un voltaje de salida constante. Esto resolvería su problema de regulación de voltaje, pero no soluciona su problema de eficiencia. En su aplicación, la eficiencia aún sería 3/9 = 33%.
Regulador de voltaje de conmutación
Un regulador de voltaje de conmutación es mucho más eficiente. La tensión de salida se cambia entre plena (9 V en su caso) y cero a alta frecuencia y se suaviza para dar una tensión constante de CC. Para reducir el voltaje de 9 V a 3 V, los impulsos de salida estarán encendidos durante aproximadamente 1/3 del tiempo. Con un buen diseño se pueden lograr eficiencias superiores al 85%.
Los reguladores de conmutación están disponibles en boost (voltaje de salida más alto que la entrada) y buck (salida más bajo que la entrada). Usted está buscando un regulador de conmutación tipo buck.
Tiempo de ejecución
A menudo es más fácil calcular el tiempo de ejecución utilizando vatios-hora (Wh) en lugar de Ah, que no tiene en cuenta el voltaje. La capacidad de la batería viene dada por \ $ Wh = V \ cdot Ah = 9 \ times 0.75 = 6.75 ~ Wh \ $
$$ Runtime = \ eta \ frac {batería ~ capacidad ~ (Wh)} {carga ~ (W)} $$
donde \ $ \ eta \ $ (eta) es la eficiencia del regulador. La carga (W) se calcula multiplicando el voltaje de carga por la corriente de carga.
Por ejemplo, si su carga promedió 100 mA a 3 V y su regulador es 85% eficiente, entonces
$$ Tiempo de ejecución = 0.85 \ frac {6.75} {3 \ veces 0.1} = 19 ~ horas $$
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