¿Intentar extraer demasiada corriente de las pilas alcalinas puede dañarlas?

Permítanme comenzar con una disculpa por hacer lo que probablemente sea una pregunta realmente básica. Una búsqueda rápida no pudo encontrar una respuesta a una pregunta en exactamente la misma situación.

Tengo un motor de CC (12 V) que, según las especificaciones del vendedor, tiene una corriente libre de 0,5 A, una corriente sin carga de 0,4 A y una corriente de parada de 11,5 A. Entiendo esto como que el motor consume hasta 11.5A para cargas pesadas (sí, son amperios, no miliamperios). La potencia máxima está etiquetada como 14 vatios.

Estoy planeando hacerlo funcionar con 8 pilas AA alcalinas de 1,5 V, conectadas en serie. Si bien son 12 V, la intuición dice que es posible que las baterías AA no puedan proporcionar 11,5 A (la hoja de especificaciones del fabricante no tiene nada sobre la corriente máxima).

¿Hacer eso dañaría las baterías (o posiblemente el motor, pero no puedo pensar en una razón por la cual el motor se dañaría)? Si es así, ¿ayudaría cambiar a células D o aún no es suficiente? O, ¿puedo cambiar a baterías de 9V aunque el motor quiera 12V?

Por si sirve de algo, planeo hacer funcionar este motor usando un RPi que controla un MOSFET que encendería y apagaría la conexión a las baterías (y posiblemente regularía la potencia para cambiar la velocidad, aunque no estoy seguro de si los MOSFET pueden hacer eso) )? Además, probé el motor con una sola celda de 1.5VD y una celda de 9V; ambos pueden arrancar el motor (que actualmente no tengo una carga para conectar).

AA alcalino no dará 10A. Las cargas altas acortarán la vida de manera desproporcionada. El motor PUEDE arrancar mal si la corriente de arranque es excesivamente limitada. Las celdas de LiIon calificadas apropiadamente son probablemente una mejor opción si es posible.
Dudo que algo se dañe a menos que el motor permanezca parado durante un período prolongado. Entonces las baterías se calentarán mucho y, por supuesto, se descargarán muy rápidamente. Dudo que el motor se dañe, pero podría calentarse un poco. Las pilas alcalinas pueden no ser capaces de proporcionar 11,5 amperios en un cortocircuito. Pero las baterías de tamaño AA de NiMH probablemente pueden proporcionar mucho más de 11,5 amperios a un cortocircuito (pero tal vez no a un motor averiado). Las baterías de NiMH pueden dañarse por cortocircuitos.
Tenga en cuenta que la mayoría de los motores de CC están diseñados para funcionar con cargas muy por debajo de la carga de parada. Se sobrecalientan si se paran durante más de un segundo más o menos. La corriente de bloqueo generalmente ocurre solo como un transitorio muy corto cuando el motor se energiza inicialmente. La corriente con la carga esperada debe ser más relevante que la corriente de bloqueo a la hora de elegir las baterías.
¿Estás atascado con pilas AA? La batería SLA de un automóvil está diseñada para entregar una gran cantidad de corriente durante un período breve, desde 100 A hasta más de 1 kA. Es posible que encuentre una batería SLA de grado "alarma" o "UPS" que ya sea de 12 V y que se adapte mejor a sus requisitos.
¿Puede medir el consumo de corriente en condiciones normales de funcionamiento y carga? Será inferior a 11,5 A.

Respuestas (6)

No hay forma de que obtenga 11.5A sostenibles de cualquier celda alcalina AA normal de 1.5V que conozca, debido a su resistencia interna, que generalmente parece ser de aproximadamente 150mΩ a temperatura ambiente.

La corriente más alta que puede esperar de una celda de este tipo se encuentra en una condición de cortocircuito, donde aparece 0V en sus terminales y toda la FEM de la celda se presenta a través de su resistencia interna. Esta sería una corriente de:

I = V R = 1.5 V 0.15 Ω = 10 A

No puede obtener energía de la celda en esas circunstancias porque no hay diferencia de potencial entre sus terminales, por lo que la corriente de cortocircuito no es una especificación muy útil. Más bien, estaría más interesado en la mayor potencia que puede esperar de una celda, que sería cuando la carga conectada también tiene una resistencia de 150 mΩ. En ese caso, la celda tiene la mitad de su FEM (0,75 V) en su propia resistencia interna y los 0,75 V restantes en sus terminales, en la carga. Consulte el Teorema de transferencia de potencia máxima . En esa condición, la corriente a través de la carga y la potencia correspondiente que se le entrega es:

I = 0,75 V 0.15 Ω = 5 A PAG = I V = 5 A × 0,75 V = 3.8 W

Con 8 de esas celdas en serie, la potencia máxima que pueden poner a su disposición sería 8 × 3.8 = 30 W , a un voltaje de 8 × 0,75 V = 6 V .

Compare eso con la potencia demandada por su motor atascado, para comenzar a girar:

PAG = 12 V × 11.5 A = 140 W

Otra forma de ver esto es desde la perspectiva del motor. En una condición de bloqueo, el motor representa casi un cortocircuito en la batería de celdas. Puede estimar la impedancia de los devanados del motor:

R S T A L L = 12 V 11.5 A = 1 Ω

Su batería de 8 celdas tiene una resistencia interna total de:

R B A T T = 8 × 0.15 Ω = 1.2 Ω

El circuito con un motor atascado en esa batería se ve así:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Esos 5,5 A pueden o no ser suficientes para que el motor arranque, superando la fricción en el motor y su carga mecánica, pero es una gran demanda de las celdas.

¿Cuánto se calentaría la celda con 5.5A a través de su resistencia interna? La potencia disipada en cada celda sería:

PAG = I 2 R = ( 5.5 A ) 2 × 0.15 Ω = 4.5 W

Eso es bastante energía, y el calentamiento resultante podría dañar fácilmente la celda si se mantiene durante más de unos pocos segundos. Solo puedo afirmar esto cualitativamente, porque no tengo idea de la capacidad calorífica de los materiales de la celda, y solo usted puede estimar cuánto tiempo prevalecerán tales condiciones.

Otra consideración es ¿cuánto tiempo pueden las celdas proporcionar realmente 5.5A? La resistencia interna aumenta a medida que las celdas se descargan, y para tener una idea de lo que haría 1Ω en 8 celdas con el tiempo, debe consultar la hoja de datos de la celda. La hoja de datos de Duracell contiene una serie de gráficos a partir de los cuales puede hacerse una idea de qué esperar de una celda. Este es uno de ellos:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Como puede ver aquí, una celda aún puede producir 1V, bajo una carga de 1A después de aproximadamente 1 hora. De eso inferiré (muy aproximadamente) que la resistencia interna ha subido a:

R = V I = 1.5 V − 1.0 V 1 A = 0.5 Ω

en el espacio de una hora, es decir a razón de unos 0,5Ω por hora. Con 6 veces esa corriente, supongo que la resistencia interna de la celda aumentará 6 veces más rápido, a 3 Ω por hora. Esta es una estimación terriblemente imprecisa, pero sirve para darnos una idea, al menos. También supongo que una vez que la celda alcance una resistencia interna de 0,2 Ω (un aumento de 0,05 Ω), será inútil para usted, porque ya no podrá proporcionar suficiente corriente de bloqueo para que el motor arranque.

Eso le da una vida útil de servicio para esa celda de:

0.05 3 × 60 metro i norte = 1 metro i norte

Por supuesto, esto supone un consumo de corriente constante de más de 5A, lo que no va a ser el caso. Nuevamente, sin más información, estoy volando a ciegas, pero entiendes la idea.

Por supuesto, la corriente de funcionamiento normal del motor será de 0,4 A sin carga, o 14 W 12 V = 1.2 A a plena carga. Te dejaré averiguar por ti mismo lo que eso significa para tus células.

Reemplazar las celdas AA con celdas D marcará una gran diferencia, ya que tienen una resistencia interna más baja y, obviamente, más energía. Otro enfoque que puede tomar es conectar dos baterías de 8 celdas en paralelo, lo que reducirá la resistencia interna combinada a 0,4 Ω, la mitad de lo que era. Aún mejor, simplemente use un montón de celdas de iones de litio/polímero en serie para obtener cerca de 12 V, o una sola batería de plomo-ácido sellada de 12 V, las cuales tienen una resistencia interna significativamente menor, resolviendo su problema por completo.

Yo iría con Ds también si realmente quisiera alcalinos (quizás para la vida útil). PERO: algunas celdas primarias baratas y muchos recargables baratos son realmente AA en carcasas D (verifique el peso), por lo que vale la pena obtener pilas alcalinas de una marca reconocida.
Gracias por la respuesta. Cuando sugiere celdas de iones de litio/polímero para obtener 12 V, ¿existe alguna posibilidad significativa de daño debido a un cortocircuito accidental o algo similar? He escuchado muchas malas historias de baterías Li-Ion/LiPo que se incendian. No tengo mucha experiencia con EE, así que estoy tratando de reducir mis riesgos.
@A.Owl Sí, existe un riesgo, por supuesto. Pero ese es el precio que paga por cualquier cosa que pueda proporcionar el tipo de corriente y potencia que necesita. No es una falla particular de las células, siendo "peligrosas" porque son de un tipo u otro. Si Superman te lastima, no es porque sea un mal tipo, es porque cabreaste a un tipo que puede lastimarte.
@Simon Fitch LiIon son más como Lex Luther. Si bien acortar cualquier celda es una mala idea, con LiIon es peor que la mayoría. Dicho esto, los LiIon son lo suficientemente seguros si los carga correctamente (lo cual es ESENCIAL) y no los corta. Las celdas de litio LiFePO4 son mucho más seguras si importa. 4 X LiFePO4 AA serían un excelente suministro de 12V. La carga debe realizarse correctamente, pero es menos exigente que la del enemigo LiIon.
@RussellMcMahon ¡Ja! ¡Estaba tratando de evitar que el león fuera el villano de esta historia! ¿Qué tal esta analogía? Si pinchas a un hámster, es posible que te muerdan, pero si pinchas a un león, te arruinas mucho.
@SimonFitch Cualquier fuente de energía que pueda entregar más energía a un motor también podrá entregar energía a un cortocircuito, lo que aumenta el peligro de crear fuego o chispas, pero eso no significa que la fuente de energía en sí necesariamente explotará de la manera los iones de litio sí.
"Con 6 veces esa corriente, supongo que la resistencia interna de la celda aumentará 6 veces más rápido" La aproximación correcta es proporcional al cuadrado de la corriente. En un equivalente térmico, la temperatura se encuentra entre los casquetes térmicos, y en el mundo térmico esos casquetes se cargan con energía térmica (que es RI²).

Este es el rendimiento de una pila AA alcalina de Duracell. A 1A su voltaje cae muy rápido y a 2A comienza a unos 1.1V por un momento:Automóvil club británico

Las pilas alcalinas generalmente no son recargables, por lo que cuando se descargan es el final de su vida. Dibujar una gran corriente acortará su vida considerablemente, pero es poco probable que haga algo más que eso; no explotarán ni estallarán en llamas (a diferencia de las pilas de litio). Si el motor está bien o corto es otra cuestión, es mejor mirar la hoja de datos del motor en sí, pero es poco probable que un paquete AA entregue más de un par de amperios. Las células C o D entregarán más pero probablemente menos de 11A. También verifique su FET: con 3.3V en la puerta, es posible que no esté completamente encendido con una corriente alta, lo que provocaría un sobrecalentamiento rápido. Si elige un FET con un voltaje de umbral de aproximadamente 1V, debería estar bien. También querrá un diodo de rueda libre, ya que los motores son algo inductivos y generarán electricidad si se apagan cuando giran.

Las celdas alcalinas solo tienen modos de falla simples cuando se sobrecargan. Son de un solo uso, por lo que el "daño" no está definido exactamente para ellos.

  • Pueden sobrecalentarse. Para que esto suceda, debe sobrecargarlos/cortarlos durante un período de tiempo considerable (como, digamos, 30 segundos). El resultado puede ser una fuga y/o desgasificación con una probabilidad bastante limitada de incendiarse.

  • Su voltaje puede caer (brevemente) por debajo de lo que tolera su circuito de control. Un problema común cuando intenta conducir un motor que consume mucho al arrancar. Una combinación simple de un diodo y un capacitor puede proteger su circuito de control de caídas de voltaje transitorias.

  • Pueden tener un desempeño profundamente inferior. Para una celda AA, puede obtener, digamos, 2 Ah con una carga de 0,5 A y algo así como 0,3 Ah con una carga de 1,5 A.

p.d. tenga en cuenta que las diferentes pilas alcalinas tienen propiedades bastante diferentes en lo que respecta a corrientes altas, según la marca, el modelo, el tiempo de almacenamiento y la temperatura. Incluso diferentes lotes pueden comportarse de manera diferente.

Una experiencia de la vida real: mientras construía un paquete de baterías grande (quizás 50 celdas) con baterías alcalinas AA, hubo un cortocircuito. Se generó suficiente calor en el centro del paquete de baterías, lo que provocó que las baterías se ventilaran y exudaran una sustancia pegajosa verde. Afortunadamente, había una toalla cerca que me permitió tirar el conjunto al aire libre. Necesitaba airear la habitación durante una hora.

Para responder a su pregunta, depende de cómo esté construido su paquete de baterías. La corriente alta puede crear una situación desagradable si las celdas se rodean entre sí.

Para ese tipo de corriente, es mejor una batería de plomo-ácido (batería de gel, de automóvil o de motocicleta) o una batería LiPo, todas recargables. Las baterías alcalinas no son adecuadas para su aplicación debido a los requisitos actuales y al costo (a menos que sea un experimento único).

Ya que está sugiriendo LiPo, debe tenerse en cuenta que es muy fácil dañar las células lipo de una manera que puede ser muy peligrosa. Si accidentalmente lo corta, expulsará gases nocivos y potencialmente se encenderá. El plomo-ácido es un poco más seguro para trabajar, pero aun así debe tratarse con respeto.

500mA es un poco alto para las baterías AA, no darán un rendimiento óptimo allí.

Sin embargo, la corriente de bloqueo de 14 A no es un problema, siempre que los interruptores y el cableado estén a la altura. los AA darán todo lo que puedan y el motor girará con la corriente disponible hasta que su consumo se reduzca a algo más sensible.

¿Intentar extraer demasiada corriente de las pilas alcalinas puede dañarlas?
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