Cómo obtener alta corriente de baterías de 9 voltios

Una batería de 9V tiene aproximadamente una energía almacenada de:

Un julio es un vatio-segundo o un newton-metro. En las condiciones más ideales, con máquinas perfectamente eficientes en todas partes, hay suficiente energía almacenada en una batería de 9 V para aplicar la fuerza de 600 N especificada en una distancia de:

Su solenoide propuesto, que requiere tal vez$25A$en$9V$, consume energía eléctrica a razón de:

Aplicando su especificado$600N$fuerza, y dada esa potencia, podemos resolver la velocidad que su solenoide, si fuera 100% eficiente, podría proporcionar:

Como puede ver, incluso si podemos extraer toda la energía almacenada de la batería de 9V con una eficiencia del 100 %, no hay una tonelada completa. Sabiendo que su solenoide ideal se está moviendo a$0.375m/s$, y que la batería tenga suficiente energía para que se mueva$30m$, el tiempo de ejecución es:

O podríamos calcularlo a partir de la energía de la batería y la energía del solenoide:

Pero tal vez sea suficiente. La pregunta es cómo hacerlo de manera eficiente. La potencia eléctrica en una resistencia viene dada por:

La resistencia interna de una batería de 9V es quizás$1.5\Omega$, cuando está fresco. Sube a medida que se agota la batería. Su solenoide es probablemente al menos otro$1\Omega$. entonces en$25A$, sus pérdidas resistivas solas serían:

Compare esto con la potencia utilizada por el solenoide ideal considerado anteriormente ($225W$) y se puede ver que este es un sistema absurdamente ineficiente. Solo lidiar con el calor de estas pérdidas será un desafío. Por supuesto, en realidad no se puede sacar esto de una batería de 9V, porque el voltaje perdido sobre su resistencia interna en$25A$es:

...que es más que los 9V suministrados por la batería.

Además de la batería, o el solenoide, transfiriendo$225W$de la energía eléctrica es un problema en sí mismo. Porque la potencia es el producto del voltaje y la corriente ($P=IE$), para mover mucha potencia se puede tener alta corriente, o alto voltaje. Pero, incluso los cables tienen resistencia, y dado que la energía perdida por esta resistencia es proporcional al cuadrado de la corriente, es más práctico mover grandes cantidades de energía eléctrica a alto voltaje que a alta corriente. Esta es la razón por la cual la compañía eléctrica transmite energía a largas distancias a muy alto voltaje.

Entonces, si quieres moverte$225W$en$9V$, debe mantener la resistencia muy baja, para evitar que las pérdidas resistivas sean muy altas. Eso significa cable grueso (incluido el cable en su solenoide, que representa la mayor parte del cable en el circuito) y baterías con baja resistencia interna. También puede intercambiar corriente por voltaje, o voltaje por corriente, en el diseño de su solenoide, como describe la respuesta de supercat.

Como no ha especificado, supongo que se refiere a una batería doméstica de 9V disponible comercialmente. Una batería estándar de 9V tiene una capacidad de aproximadamente 400-600 mAh. En los términos más básicos, estas baterías pueden suministrar alrededor de 500 miliamperios durante una hora antes de estar "muertas". En teoría, podría extraer la corriente que está buscando, pero incluso para varias baterías de 9 V en paralelo (suma la capacidad), obtendría alrededor de 1-2 minutos de cada juego de baterías. Con baterías de consumo estándar, eso es bastante poco realista y bastante ineficiente. Me imagino que probablemente no quieras cambiar las baterías cada minuto .

Si el tamaño y el peso no son factores importantes, buscaría baterías de plomo ácido grandes, de alta capacidad y de descarga rápida. Vienen en 12 V, que está cerca de lo que está buscando, y pueden suministrar cientos de amperios de corriente durante diferentes períodos de tiempo (dependiendo de cuánto gaste/qué batería obtenga).

El diseño de un solenoide es una compensación entre usar más vueltas versus usar más corriente. Realmente dudo que cualquier solenoide pequeño que sea lo suficientemente pequeño como para que uno pueda operarlo de manera realista con una batería de 9 voltios lograría un comportamiento óptimo con una corriente tan alta como usted sugiere. Lo más probable es que la eficiencia sea mejor usando más turnos.

Habiendo dicho eso, la corriente máxima de solenoide que se puede obtener de una batería de 9 voltios se obtendría conectando un capacitor en paralelo con la batería y luego usando un par de interruptores eficientes para conectar alternativamente el solenoide a la batería y cortocircuitar. apáguelo (uno debe evitar tener ambos interruptores cerrados y debe minimizar la cantidad de tiempo que ambos están abiertos; use un diodo de retorno para disipar energía de manera segura durante el tiempo de "ambos abiertos"). Para maximizar absolutamente la corriente del solenoide sin tener en cuenta la vida útil de la batería, establezca la relación entre el tiempo de la batería y el "tiempo de cortocircuito" para que la batería se consuma a unos 4,5 voltios. Eso extraerá la máxima potencia de la batería, aunque hará que la batería desperdicie aproximadamente la mitad de su energía calentándose a sí misma. Ajustando la relación un poco más baja,

El uso de una batería de 9V implica el uso de una sola batería de 9V.

Si esa no es una restricción real con la que está trabajando, recomiendo conectar varios en serie para lograr un voltaje más alto. Si solo puede usar una sola batería de 9 V, le recomiendo adquirir un capacitor de alta capacitancia y cargarlo a través de un circuito limitador de corriente, luego cambiarlo para alimentar su solenoide. Esto no dará una salida sostenida, pero según el circuito y el solenoide, debería darte 600 N.

Utilice dos baterías de litio de alto consumo IMR en serie. Los tamaños 18650 a 26650 o más pueden entregar corrientes de hasta 60 amperios. Si el voltaje es demasiado bajo (8,4), puede usar baterías LiFePo de 9,6 voltios (3 veces 3,2 voltios).