La forma menos costosa de aumentar el voltaje de CC

¿Cuál sería la forma menos costosa de aumentar un voltaje de CC?

El objetivo es convertir 1,2 V/1,5 V (de una celda AA/AAA) a 3,3 V para alimentar un pequeño microprocesador de 8 bits, como Atmel ATtiny45 o ATtiny2313, y también (si es posible) 6 V para alimentar un zumbador.

Además, ¿cuál sería la corriente máxima que se podría extraer de forma segura de una batería alcalina, después de aumentarla a 3,3 V/6 V?

Finalmente, ¿cómo podría calcular la duración de la batería alcalina, dado un consumo determinado?

Probablemente encuentre algunas de las respuestas en una hoja de datos para la batería alcalina. Para obtener una introducción a los convertidores CC-CC, puede echar un vistazo aquí: eevblog.com/2011/01/17/…
Parece que el attiny45 puede bajar al rango de 1.8-2V y, dependiendo de su aplicación, es posible que pueda suspenderlo en un modo de bajo consumo a veces para ahorrar algo de consumo de batería. Hay chips PIC y TI MSP430 pequeños y baratos en el rango de inicio que ofrecen consumos de energía pequeños y locos.
Tal vez me estoy perdiendo algo obvio, pero la solución más simple (y menos costosa) es simplemente tomar dos o cuatro baterías de 1,5 V y ponerlas en serie para obtener sus ~3,0 V/6,0 V para alimentar sus microcontroladores.
Aunque la pregunta en sí es interesante, en la práctica, solo usaría una batería de iones de litio y un zumbador que funcione en ese rango de voltaje.
@0x6d64 gracias. ¿Todas las baterías alcalinas están clasificadas de manera similar, porque aparte de las marcas de primera línea, para la mayoría de los tipos de farmacia, nunca he encontrado hojas de datos? Gracias por los convertidores DC-DC.
@rfusca gracias. La disponibilidad de la serie LV es un poco incompleta y el costo es mayor. Y de todos modos, también necesito manejar el timbre. He visto la serie MSP430, pero todavía estoy en el dominio de Arduino. Los MCU de metal desnudo son un poco difíciles para mí. Gracias por sugerirlos.
@jimbob gracias. A veces pasamos por alto lo obvio :-), pero en este caso había considerado la combinación de series. Sin embargo, el desafío para mi aplicación también es el tamaño/peso, además del costo.
@Codismo gracias. "Alquilar caro" fue parte de mi declaración de preguntas a propósito :-). El costo de Li-ion junto con la carga/administración de la batería, LDO, etc., es aproximadamente 5 veces el costo objetivo de todo mi proyecto.
@ icarus74 ¿realmente estás tan limitado que no puedes agregar un segundo AA? ¿Qué pasa con un 9V y regulador(es) apropiado(s)? Ese sería mi enfoque preferido si tuviera que hacer algo del tamaño de la palma de la mano.
@MBraedley, mi aplicación objetivo en ese momento, era algo que encajaba perfectamente con el manubrio de mi bicicleta. Inicialmente, eran luces de advertencia de cambio de patrón de bricolaje, pero luego se expandieron a un cyclo-comp de bricolaje basado en MSP430. El desafío era encajar todo perfectamente y, sin embargo, que la batería tuviera suficiente energía para durar un par de semanas.
Muchos microcontroladores funcionarán con 1.5V directamente en estos días, espero, por lo que esto se convierte en un problema mucho más fácil. A veces los problemas se resuelven con el paso del tiempo mientras las ruedas del progreso giran en un segundo plano.

Respuestas (7)

Hay una técnica llamada bomba de carga con la que puedes hacer un doblador de voltaje, pero eso solo te dará 3V de una celda de 1.5V, y aún menos de la celda de 1.2V. Todavía lo menciono porque varios microcontroladores en estos días funcionarán con voltajes de hasta 2V. Una bomba de carga solo puede suministrar una corriente limitada, suficiente para alimentar el microcontrolador, pero los dispositivos de potencia adicionales, como motores o relés, no funcionan. El voltaje también caerá bajo carga. Así que no es ideal. La LM2660 es una bomba de carga de condensadores conmutados.

La mejor solución es un regulador de conmutación . Estos existen en dos topologías principales: "buck" para pasar de un voltaje más alto a uno más bajo, y "boost" para pasar de un voltaje más bajo a uno más alto. Así que quieres un regulador de impulso. Los principales fabricantes incluyen Linear Technologies (más cara) y National Semiconductor (recientemente adquirida por Texas Instruments). El LM2623 puede operar con voltajes de entrada tan bajos como 0.8V.

Acerca de la corriente y la duración de la batería. Asumiré que estás trabajando con baterías de 1.5V. Los que están aquí en mi mesa están clasificados para 2300 mAh, así que usemos ese valor. También digamos que su microcontrolador más extras necesitan 100mA a 3.3V. Eso es 330 mW. Si el conmutador tiene una eficiencia del 85 %, eso significa que consume 330 mW/0,85 = 390 mW de la batería. Eso es a 1,5 V, por lo que consumirá 260 mA de la batería. La batería tiene una capacidad nominal de 2300 mAh, luego su dispositivo puede funcionar durante 2300 mAh/260 mA = 9 horas con una sola carga.
Si planea cargar la batería con bastante fuerza, permanecería por debajo de 2300 mA, lo que la agotará en 1 hora.

Otra topología a considerar para algunas aplicaciones es el convertidor flyback. Generalmente, los convertidores flyback se utilizan para convertir de una polaridad a otra, pero si la fuente de alimentación es 'flotante' (como sería el caso de las baterías), tienen la ventaja de que se pueden utilizar los mismos transistores independientemente de si el voltaje de entrada es mayor. o inferior a la salida deseada. Una desventaja es que toda la energía tiene que ser manejada por la bobina. En comparación, si se convierte de 2 voltios a 3 voltios, la bobina solo tendría que manejar 1/3 de la energía.
Gracias @stevenvh, por una respuesta muy completa, con opciones. Ha mencionado 2300 mAh... ¿son estos los tipos Duracell, Energizer? Me resulta difícil calcular la clasificación de mAh de las baterías alcalinas regulares de farmacia (no de larga duración).
@supercat, gracias por sugerir la opción. Necesito leer un poco más sobre la opción del convertidor flyback.
@icarus74 - El 2300mAh es un Memorex NiMH AA recargable. También tengo un paquete de Duracell Plus Alkaline AA (MN1500), pero esos no tienen información de capacidad.
mmm. Las curvas de descarga de la batería alcalina / las hojas de datos completas son algo que nunca he logrado encontrar para las celdas AA de la farmacia. Encontré este documento técnico genérico de celda seca alcalina de magnesio, que brinda buena información.

Para generar un voltaje de alimentación más alto a partir de una batería como esa, se necesita un tipo particular de fuente de alimentación conmutada llamada "convertidor elevador". Esto utiliza un inductor para hacer chorros de mayor voltaje. El concepto es el mismo de cómo un martillo hace chorros de una presión mucho más alta que la que su brazo puede aplicar directamente al clavo.

Hay chips por ahí que integran gran parte de esto. Linear Technologies, ST Micro, TI y varios otros fabrican tales chips. Algunas de las ofertas de Microchip son bastante buenas dentro de un rango de voltaje estrecho como el que tiene.

Hacer un voltaje más alto está bien, pero estos chips todavía están limitados a las leyes básicas de la física. No pueden proporcionar más potencia de salida que de entrada. Dado que la potencia es el voltaje multiplicado por la corriente, la corriente de salida debe disminuir a medida que aumenta el voltaje. Al igual que con el martillo, su brazo tiene que moverse mucho más de lo que se imparte al clavo a cambio de una mayor fuerza. Por supuesto, también habrá alguna pérdida. Cualquier cosa por encima del 90% es bastante buena. Digamos, a modo de ejemplo, que su conmutador elevador tiene una eficiencia del 80 % y genera 3,3 V a 100 mA desde 1,3 V de entrada. 3,3 V * 100 mA = 330 mW. Teniendo en cuenta la pérdida en el conmutador, 330 mW/80 % = 413 mW en 413 mW/1,3 V = 317 mA, que es la corriente que se extraerá de la batería.

En este ejemplo, la corriente de la batería es de 317 mA, que está dentro del rango de lo que un tipo AA puede soportar durante un tiempo. Para tener una idea de cuánto durará la batería, debe observar la capacidad de la batería. Esto se expresa en tiempo*actual, como mA-horas. Digamos que su batería AA tiene una capacidad de 2 Ah. En una primera aproximación, 2 Ah / 317 mA = 6,3 horas de funcionamiento. Sin embargo, hay muchas cosas que estropean este análisis básico. Por un lado, la corriente no será de 317 mA durante toda la vida útil de descarga de la batería. A medida que disminuye el voltaje de la batería, la fuente de alimentación conmutada consumirá más corriente. La temperatura también afecta en gran medida la capacidad de la batería. Si está destinado a funcionar al aire libre en un ambiente frío, es posible que solo obtenga la mitad o menos de la capacidad nominal de la batería. La corriente misma también afecta la capacidad. 300 mA para un AA probablemente no llegue al punto en que degrade significativamente la capacidad, pero 1A ciertamente lo sería. Puede obtener 2,0 Ah a 300 mA, pero solo 1,6 Ah a 800 mA. Estoy inventando números. Probablemente no sean totalmente ridículos para la mayoría de las baterías AA, pero realmente debe mirar la hoja de datos de la batería usted mismo.

Gracias @Olin. He votado a favor, y desearía poder aceptar 2 respuestas. Tu explicación es detallada y clara, y entre Steven y tus respuestas aprendí mucho. Solo elegí el orden de respuesta para ser justos.

Las respuestas dadas no funcionarán en las versiones del mundo real de lo que usted describe o están lejos del costo más bajo.

La hoja de datos LM2623 de Steven es una opción razonable y comenzará con 1,1 V y funcionará con 0,9 V, pero el IC cuesta alrededor de 60 centavos.

Si realmente desea el costo más bajo, entonces una versión diseñada adecuadamente de Joule Thief es un buen candidato. Uso ese nombre porque te llevará a muchas variantes, pero la forma original no es muy eficiente. No obstante, una vez que tengas la idea puedes mirar las opciones y elegir una.

El "Joule Thief" es un convertidor elevador autooscilante de un transistor que utiliza un devanado principal de inductor más un devanado de retroalimentación de inductor. Para uso de bricolaje, puede construir uno gratis con casi cualquier dispositivo electrónico moderno desechado o, si compra piezas nuevas o excedentes, puede construir uno con 10 a 20 centavos de dólar en piezas.

Aquí hay un buen ejemplo de una página DIY Joule Thief

La siguiente imagen compuesta está formada por 3 imágenes de la página anterior:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Otros: puede construir convertidores elevadores con un transistor y dos inductores separados; la ventaja es que no necesita dos devanados. Y el oscilador Colpitts clásico utiliza un inductor sin explotar.
Un número aquí y

Otras versiones:

Bueno

Unos cuantos trillones más

Wikipedia:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Adicional:

El ladrón de Joule básico no es un diseño maravilloso. Su característica sobresaliente es que funciona en muchos casos, introduciendo así conversiones de energía, SMPS, convertidores elevadores y más para muchos aficionados a la electrónica relativamente inexpertos y sin educación.

Se pueden encontrar varios pensamientos sobre las versiones reguladas mirando a través de esta colección (YMWV).

Me topé con algunas respuestas anteriores de Joule Thief de intercambio de pila que parecen tener cierta relevancia. Si busca "Joule Thief" en este sitio, aparecerán algunos más.

¿Cómo puedo calcular un Joule Thief?

solución alternativa a: ¿Cómo puedo calcular un Joule Thief?

Ambos Diciembre 2012

Varios controladores de una celda a LED aquí

Gracias Russell. Realmente me gusta este enfoque de bricolaje azul verdadero. Sin embargo, tengo algunas preguntas, publicaré cada una como un comentario aquí, y espero que puedas responderlas.
1. En los tutoriales no encontré ninguna explicación sobre la relación de vueltas, número de vueltas para el inductor principal + devanados de retroalimentación. Haz el no. de vueltas tienen que ser iguales para principal y retroalimentación?
2. ¿Hay alguna manera de determinar el voltaje al que se eleva la entrada, a través del número de vueltas? ¿O el número de vueltas solo determina la cantidad de corriente que podría extraerse?
3. ¿Debo suponer que la salida reforzada no está regulada y que el refuerzo es un factor casi constante aplicado al voltaje de entrada?

Los circuitos integrados más baratos para convertidores elevadores que conozco son el 34063 y el MCP1640. La salida del MCP1640 solo sube a 5 V, pero es más eficiente y parece más fácil de usar (menos partes externas) que el 34063, excepto que el MCP1640 solo está disponible como SMD.

Gracias @starblue. Definitivamente lo miraré, pero como mencionas solo SMD, eso sería un problema para mí. Si bien he realizado algunos trabajos SMD, pero solo con gran dificultad. No tiene la configuración adecuada (herramientas y paciencia) para hacer el trabajo SMD.
El 34063 está disponible como paquete DIL.
MC34063 no funciona con voltajes lo suficientemente bajos para satisfacer su necesidad.

El botón de guión

botón de tablero de Amazon

El Dash Button de [Amazon] funciona a 3,3 V aumentados de los 1,5 V nominales de la batería, extrayendo 200-300 mA de la batería cuando está encendido y 2,3 μA cuando está inactivo. Esto significa que la batería de ~1200 mAh debería poder alimentar el dispositivo durante al menos cuatro horas mientras está encendido y décadas mientras está inactivo. Dado que el botón solo está encendido durante unos segundos cuando se activa, probablemente se pueda usar cerca de 1000 veces antes de que se agote la batería. Por lo tanto, el botón debería quedar obsoleto mucho antes de que se agote la batería.

convertidor de carga

[Se] señaló que U1 es probablemente un convertidor elevador TI TPS61201; la huella, las marcas del paquete y el pinout parecen encajar.

Desmontaje del botón de Amazon Dash

Estos cuestan más de un dólar cada uno por Octopart y es probable que no cumplan con la necesidad de "Menos Costoso" para satisfacer la pregunta. Pero estás en el camino correcto, si encuentras un chip más barato.

Hay muchos circuitos baratos y alegres (¿o quizás desagradables?) En eBay o AliExpress si busca un "Circuito de refuerzo USB" o similar. Estos se venden como un dispositivo terminado por $ 0.30 - $ 2 dependiendo de cuántos desee, generalmente miden alrededor de 25 mm x 19 mm, y si observa cuidadosamente las fotos, a veces puede leer el código del producto IC de control y averiguar qué es (aunque mejor aún algunos Los proveedores de AliExpress proporcionarán la hoja de datos en el listado). Prácticamente cada uno de estos tendrá un divisor de resistencia que escala el voltaje de salida a un voltaje de referencia y cambiar la resistencia en una pata del divisor le permitirá obtener 3V3 en lugar de los 5V como se envían.

Compré 50 para bajar el precio, desoldé los enchufes USB, soldé los soportes AA dobles (a $ 0,19) y ahora tengo un alijo de fuentes de alimentación baratas que puedo configurar en cualquier voltaje que necesite para un proyecto. No creo que realmente puedas superar los 0,50 dólares por fuente de alimentación.

ETA: no debería necesitar la hoja de datos para encontrar el divisor de voltaje o calcular los nuevos valores para él, debería ser obvio cuál es el divisor (es decir, un par de resistencias de un pin IC, una resistencia a tierra uno a voltaje de salida) y el voltaje de referencia al que apuntan se puede calcular a partir del divisor existente y la salida de 5V configurada actualmente. En el mio por ejemplo tengo un 15 k Ω a tierra y 47 k Ω a la salida, así que tengo un voltaje de referencia de 15 47 + 15 × 5 V ≈ 1.2 V , y por lo tanto para obtener una salida de 3V3 podemos (por feliz coincidencia) cambiar cualquiera de las resistencias por una 27 k Ω dependiendo de si desea ser marginalmente superior o inferior a 3V3.

¿Por qué el voto negativo? OP quería la solución menos costosa que creo que he proporcionado.
Como OP, me gustó la respuesta y voté a favor. ESE es extremadamente estricto con la política de "recomendación de productos". Las cosas que hablan de productos específicos, fuentes, precio están mal vistas, se han quemado un par de veces. Sin embargo, en el contexto general, creo que ha editado la respuesta para agregar la naturaleza de la información que se considera útil y genérica (por eso el voto a favor). La pregunta se hizo hace 5 años, y los 'bloques' listos para usar del IIRC no estaban disponibles.
No conocía la política de "recomendación de productos". Sin embargo, específicamente no vinculé a nada ya que solo estaba brindando sugerencias generales. Encuentro que el 90% de la ingeniería electrónica en estos días es producto/fuente/precio de los componentes para lograr un producto final con la funcionalidad requerida al mejor precio. Sé que la pregunta es bastante antigua, pero desafortunadamente las preguntas sobre la pila viven para siempre y necesitan nuevas respuestas a medida que cambian la tecnología y las soluciones. Hace 5 años, los pequeños dispositivos USB boost existían como "cargador de emergencia USB" por $ 10 como productos terminados que tendrías que desmantelar.
No estoy seguro de si ha estado en ESE durante mucho tiempo, pero la tendencia general es que esta no es realmente una comunidad de construcción de bloques de lego de Arduino (también conocida como Maker), aunque encontrará muchas preguntas y respuestas en ese sentido. Las preguntas y respuestas que tienen incorporados los fundamentos de la teoría electrónica se aprecian mejor. Mientras escribía, me gustó la respuesta por la practicidad del enfoque. Sí, mucha agua ha corrido bajo el puente en los últimos 5 años.
No te voté negativo, y de hecho te voté positivo. Este es un sitio de ingeniería, y cuando dijo que buscara un "refuerzo de USB", significa automáticamente 5 voltios y no cumple con el requisito de 3V3 (a menos que lea más, lo que un ingeniero ocupado no puede hacer). Puede mejorar su respuesta diciendo desde el principio que descubrió una manera de aprovechar los suministros baratos de China cortándolos desde una salida USB de 5 V a una salida de 3,3 V, o lo que sea necesario. Creo que su respuesta es bastante decente, pero alguien con poco tiempo ve "USB" y antes de llegar al final del párrafo, ya los perdió.
Existe la posibilidad adicional de que no pueda encontrar un divisor de resistencia para establecer el voltaje de salida. Y una vez que modifica una fuente de alimentación como esta, ya no puede depender realmente de ella para hacer lo que se vendió para hacer. Luego, usted mismo debe "caracterizar" la fuente de alimentación probándola para asegurarse de que producirá la potencia necesaria, y todavía no sabrá con certeza si estará bien. Las fuentes de alimentación pueden tener problemas de inestabilidad y no sabría si eso se ve afectado.

Considere cambiar a una batería en el voltaje que desee, y posiblemente una segunda para el zumbador.

(Si realmente necesita 1,2 V/1,5 V para otra cosa en el mismo circuito, esto no se aplica)

gracias por responder. Múltiples baterías hacen que mi proyecto sea grande, pesado y torpe. Pero lo admito, nunca mencioné el tamaño/peso como requisito :)
Hay muchos zumbadores que se especifican a 3,3 V y en realidad hacen ruido muy por debajo de eso.
La forma menos costosa de aumentar el voltaje de CC
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