¿La reducción del voltaje aumentará el tiempo de funcionamiento del dispositivo?

La respuesta es sí, si usa un regulador de conmutación o reductor .

La mayoría de los reguladores de dinero que puede comprar son bastante eficientes, alrededor del 90% ish. Al reducir el voltaje de salida a 1/3 de la entrada, la corriente de entrada será solo alrededor de 1/3 de la corriente de salida. Los Ah disponibles a la salida del regulador a 3v serán aproximadamente 3x los Ah disponibles a la salida de la batería (2,7x para una eficiencia del 90%).

Una resistencia en serie no será eficiente. Es entrada actual = salida actual, por lo que pasar de 9v a 3v solo será un 33% eficiente. La mayoría de los reguladores lineales serán un poco peores, ya que también desperdician un poco de corriente a tierra.

Vale la pena leer la hoja de datos de la batería, por ejemplo, la batería alcalina Energizer522 9V . Es un poco críptico, pero hay un gráfico de capacidad de Miliamperio-Hora.

¡Sorpresa! La capacidad de mAh no es realmente una constante: a mayor corriente de descarga, la capacidad de mAh disminuye. Entonces, 750 mAh es solo una heurística para estimar el tiempo de ejecución en función de una corriente relativamente baja, para una batería genérica de 9 V. Sin embargo, en su mayoría es bastante constante, en un rango operativo razonable. ( Si extrae miles de mA, como soldadura por arco con una batería, es posible que la clasificación de mAh no se registre. No recomiendo esto, los incendios eléctricos no son divertidos. Las baterías de consumo de 9 V son casi seguras, pero las baterías recargables pueden ser mucho más peligrosas. . )

Dicho esto, si consume 50 mA, puede esperar unas 10 horas de tiempo de ejecución, y si consume 100 mA, puede esperar unas 5 horas de tiempo de ejecución. Entonces, aunque las baterías son en realidad mucho más complicadas, generalmente es razonable asumir una capacidad de mAh constante como una aproximación útil de primer orden.

Tenga en cuenta que la tabla de capacidad de mAh en esta hoja de datos de batería en particular dice "descarga continua a 4.8 voltios a 21 grados C ". Tienen que especificar el voltaje de fin de descarga, porque la batería no bajará 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 momento hay más resistencia de fuente que resistencia de carga, y más de la energía restante de la batería se destina a calentar la batería que a impulsar la carga. Algunas cargas pueden recorrer la curva de descarga de la batería más abajo que otras. Una linterna podría funcionar con una batería que está demasiado agotada para alimentar 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 el voltaje) y una carga de corriente constante. Si está utilizando un regulador lineal de caída baja de 3 V, su corriente de carga será aproximadamente constante, por lo que se aplica el gráfico de rendimiento de corriente constante. Nuevamente, tenga en cuenta que especifican que esto es a temperatura ambiente. Un problema es que si extrae 300 mA de la batería, no se mantendrá a temperatura ambiente, se calentará, tal vez incluso caliente.

Otra consideración, además de las horas totales de servicio, es la rapidez con que la batería disminuye 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 9V, con la radio y el juguete con descarga continua y el detector de humo usando un modo de suspensión para mantener su corriente de carga promedio baja. Si estuviera diseñando un producto electrónico de consumo, una de las tareas sería investigar las características de carga y la descarga de la batería para 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 portátil y la batería deja de funcionar, es bastante fácil para el usuario cambiar la batería por una nueva. Pero si su dispositivo fuera un dron cuadricóptero y su batería dejara de funcionar repentinamente cuando el cuadricóptero estuviera a unos cientos de pies en el aire, sería malo. Querrá una advertencia temprana de que la batería está llegando al final de su vida útil, para evitar un choque dañino. Del mismo modo, si su dispositivo estaba escribiendo datos en una tarjeta SD u otro medio, querrá intentar evitar quedar atrapado en medio de una confirmación con una batería repentinamente descargada. Por lo tanto, querrá 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 es lo suficientemente bajo como para que su dispositivo se preocupe. Y si usa un microcontrolador,

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 porque la bombilla se quema con menos intensidad y consume menos I. Un regulador de conmutación para reducir el voltaje de CC ayuda aún más.

SI tiene una carga moderna con su propio regulador interno, como un bit de "12 V" de equipo informático, consumirá la potencia IV requerida, por lo que si le da menos V insertando una resistencia, consumirá más I para hacer aumente su uso de energía y agote su batería ANTES que sin la resistencia. Insertar un regulador de conmutación de convertidor descendente de CC reductor no ayudará, porque el IV que sale no es más que el IV que entra.

Entonces, hizo una pregunta razonable, pero también necesita describir si su carga es "resistiva" o "potencia constante" o algo más antes de poder tener 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 extrae la corriente. Es importante destacar que la corriente y el voltaje se aplican en un punto específico de 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 agote la batería. A partir de 9 V, una vez que haya extraído 100 mA durante 7,5 horas, tal vez el voltaje de la batería sea de 8 V, y 10 minutos más tarde será de 6 V (hipotéticamente). Extrajo 7,5*0,1*8,5=6,375 vatios-hora de la batería.

Con su circuito, puede compensar el voltaje de funcionamiento y el consumo de corriente (según el circuito), pero termina con un consumo de energía específico (digamos, 3V 100mA, 0.3W). Todavía 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 3V.

Si usa un regulador lineal, el regulador actúa como una resistencia ajustable para desperdiciar el exceso de voltaje (6 V cuando la celda está llena, 5 V cuando la celda está vacía, a 100 mA) y aproximadamente 4 vatios-hora de energía de la batería se 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 quizás de 35 mA a 9 V y la corriente de salida de 100 mA. En este caso, los cálculos aproximados se simplifican utilizando un número de eficiencia para el regulador. Si el regulador tiene una eficiencia del 95 %, consume solo alrededor de 0,3 vatios-hora de la energía almacenada en la batería.

En resumen, lo único que afecta el tiempo de funcionamiento de una batería es la corriente que consume con el tiempo. Una corriente más alta también estresa 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, necesitará desperdiciar 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 se consideraría 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 proporcionar los 3 V requeridos. Dado que las dos resistencias permanecen constantes en valor, el voltaje en su unión permanecerá constante. Este principio se usa todo el tiempo en electrónica, pero principalmente solo a baja potencia.

Si la carga no es constante, como un dispositivo electrónico con subcircuitos que se encienden y apagan, por ejemplo, un microcontrolador, etc., entonces el voltaje suministrado varía con la carga. Cuando el dispositivo requiera más corriente, el voltaje caerá (lo que posiblemente provoque el apagado) y cuando el dispositivo requiera poca corriente, el voltaje aumentará (lo que posiblemente dañe los componentes electrónicos).

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 brindar un voltaje de salida constante. Esto resolvería su problema de regulación de voltaje pero no resolvería su problema de eficiencia. En su aplicación, la eficiencia seguiría siendo 3/9 = 33 %.

Regulador de voltaje de conmutación

Un regulador de voltaje de conmutación es mucho más eficiente. El voltaje de salida se cambia entre completo (9 V en su caso) y cero a alta frecuencia y se suaviza para dar un voltaje constante de CC. Para reducir el voltaje de 9 V a 3 V, los pulsos de salida estarían encendidos aproximadamente 1/3 del tiempo. Con un buen diseño se pueden lograr eficiencias superiores al 85%.

Los reguladores de conmutación están disponibles en impulso (voltaje de salida mayor que la entrada) y reductor (salida menor que la entrada). 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 tienen en cuenta el voltaje. La capacidad de tu batería está dada por$Wh = V \cdot Ah = 9 \times 0.75 = 6.75~Wh$

dónde$\eta$(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 tiene una eficiencia del 85 %, entonces