¿Por qué el DMM muestra corriente CA y CC cuando la fuente es una batería? (¿Cómo calcular la potencia en este caso?)

La corriente y el voltaje de la batería pueden variar

La esencia de su pregunta es "¿ cómo puede una batería, que se supone que debe suministrar un voltaje fijo y constante, dar lugar a una medición de corriente 'alterna'?" . Creo que lo que te extraña es el hecho de que siendo constante el voltaje de la batería, la corriente extraída de ella también debería ser constante.

Puede que le sorprenda el hecho de que ni siquiera el voltaje suministrado por la batería es constante, sino que varía con la cantidad de corriente consumida. Para ver cómo puede suceder esto, solo necesitamos modelar la batería con una fuente de voltaje constante ideal (con resistencia interna cero) y una resistencia en serie. Algo como esto: donde intencionalmente exageré el valor de resistencia en serie

le dará un voltaje Vbatt que es una función de la corriente suministrada a la carga (no se muestra arriba). De hecho, sin ninguna carga conectada, el voltaje que mide en los terminales 'externos' es el voltaje nominal de su batería (digamos que es 1.5V, o cualquier valor que tenga). Cuando hay una 'carga' (es decir, un circuito que está conectado a Vbatt y GND) que consume corriente, esa misma corriente tiene que pasar por Rs y, al hacerlo, provocará una caída de tensión que se restará a la tensión nominal de la batería.

Poder computacional

Por lo que tanto el voltaje de paso como la corriente suministrada por la batería pueden variar, y dependiendo del circuito alimentado lo hacen con una dependencia temporal que puede ser muy compleja, no necesariamente simétrica, ni periódica. ¿Por qué es eso importante? Porque para calcular la potencia instantánea p(t) = v(t) i(t) absorbida por su circuito, necesita acertar tanto i(t) como v(t).

Para ilustrar todo esto, consideremos esta simulación de un circuito Joule Thief alimentado por una batería no ideal:

Como puede ver, una corriente pulsada extraída del circuito da como resultado una variación de tensión pulsada en los terminales de la batería:

La oscilación de voltaje en la batería aquí está muy exagerada por la alta resistencia interna inusual elegida. Dos notas sobre los signos: primero, tuve que poner un signo menos antes de I(Vnom) porque LTSpice adopta la convención de usuario para la corriente en la batería, ya que quiero llamar a i(t) la corriente que sale del polo positivo de la generador, tengo que usar i(t) = -I(Vnom). El producto v(t) i(t) = -V(Vbatt)*I(Vnom) te da la potencia instantánea entregada por la batería y consumida por el circuito conectado. En segundo lugar, el circuito es muy reactivo y las oscilaciones de corriente son tan amplias que también pueden provocar una inversión de signo. Esto significa que, en determinados momentos, la corriente entra en la batería desde el polo positivo, lo que da como resultado una potencia negativa, es decir, potencia desperdiciada por la batería en lugar de consumida por la carga.

En cualquier caso, una vez que tenemos v(t) e i(t) en cada t, sabemos todo lo que necesitamos saber sobre la potencia. Además, dado que en este caso las formas de onda tienden a un estado estacionario periódico (o eso parece en la escala de tiempo seleccionada), incluso podemos calcular una potencia promedio significativa integrando sobre un número entero de períodos y dividiendo por el intervalo de tiempo.

LTSpice puede hacer eso por usted: mantenga presionada la tecla CTRL y haga clic con el botón izquierdo en el nombre de un rastro de energía. Aparecerá una pequeña ventana que muestra la potencia promedio y la energía promedio durante el intervalo de tiempo seleccionado:

Este Joule Thief parece requerir unos 7,5 mW para funcionar, cuando la potencia entregada al LED solo es de 4,5 mW.

Un ejemplo más realista

Como ya se mencionó, la resistencia interna de la batería se ha exagerado enormemente para resaltar la variabilidad del voltaje de la batería. Si reducimos su valor a 0,8 ohmios más creíbles (todavía unas 4 veces la resistencia en serie promedio de una celda AA), el efecto sobre el voltaje general de la batería disminuye considerablemente. El circuito se comportará de manera tan diferente que se necesitarán otras modificaciones para evitar quemar el LED. Al cambiar la resistencia base y usar un transformador diferente con una inductancia mucho más alta y una relación de 2:1, obtenemos este circuito

que parece oscilar a una frecuencia de 56 kHz con una corriente máxima en el LED de casi 60 mA (la corriente promedio es de solo 10 mA). Tenga en cuenta lo pequeña que es la oscilación de voltaje en los terminales de la batería, ahora.

Seleccionando un intervalo de tiempo donde las formas de onda son periódicas, y usando el truco CTRL + clic derecho, encontramos que en este caso la potencia promedio consumida por la batería es de 47.3 mW, mientras que la consumida por el LED es de 42.5 mW. Esto equivale a casi un 90% de eficiencia.

Por cierto, en LTSpice no tiene que simular baterías imperfectas agregando manualmente una resistencia externa. Puede especificar el valor de Rser como uno de los parámetros de cualquier generador de tensión. En los circuitos anteriores, lo hice externo para ver mejor el origen del valor 'no constante' de una batería de CC.

Circuitos y medidas reales

Ahora, todo esto está en el ámbito de la simulación. Lo que sucede en el mundo real puede ser diferente: los aspectos cualitativos y cuantitativos pueden jugar un papel determinante. Primero, su batería tendrá una resistencia interna mucho menor, por lo que la caída de voltaje será mucho menor. No obstante, aún puede tener un consumo de corriente variable; esto significa que es posible que vea un contenido de corriente CA apreciable y un contenido de voltaje CA insignificante.

En segundo lugar, tendrá dificultades para simular el transformador, es decir, para determinar qué valor dar a los parámetros requeridos. Las capacitancias parásitas también pueden alterar el comportamiento de este circuito. Como ha notado otro cartel, incluso los cables del multímetro, o las sondas del osciloscopio, pueden cambiar la forma en que funcionará el circuito.

Los resultados de la simulación de Joule Thief pueden ser significativamente diferentes de los que obtiene en el mundo real. No confiaría en una simulación para calcular realmente la potencia consumida por dicho circuito. El valor de la simulación es que le hace ver con qué tipo de formas de onda está tratando: voltaje y corriente que varían rápidamente en los terminales de la batería .

El papel del instrumento.

La forma en que su multímetro interpretará este cambio de tiempo en el valor actual depende de cómo esté diseñado su instrumento para medir la corriente CA. Algunos multímetros esperan que el contenido de CC cero brinde una lectura de CA significativa, e incluso entonces, pueden dar una lectura significativa solo si la corriente variable es sinusoidal (esto es especialmente cierto cuando se involucran medidas RMS 'no exactamente verdaderas'). Además (casi lo olvido), la frecuencia de la señal variable es importante: los Joule Thieves tienden a oscilar a varias decenas o cientos de kHz, y es posible que su multímetro no pueda entender lo que está pasando.

Al final, como siempre, lo que lees depende de cómo lo leas y con qué instrumento lo lees.

Para medir la potencia en un circuito como el suyo, usaría un osciloscopio para obtener formas de onda de voltaje y corriente y luego usaría la función matemática para multiplicarlas. Esto le dará la forma de onda de potencia instantánea. De ahí a la potencia promedio, es solo una cuestión de integración (y división por intervalo de tiempo).

Y finalmente: ¿por qué recibió la mayoría de los comentarios? Porque lleva tiempo escribir respuestas completas.

La respuesta de Sredni es excelente, así que solo voy a escribir sobre medidas.

Dado que el Joule Thief consume corriente pulsada, un amperímetro proporcionará valores tanto de CA como de CC. Además, el amperímetro puede agregar impedancia en el suministro debido al cableado, lo que puede cambiar la frecuencia, la eficiencia, etc. del ladrón de julios.

La más sencilla es desacoplar la alimentación con un condensador lo más cerca posible del circuito. Use una tapa de baja ESR, en el espíritu de "baja tecnología" del Joule Thief, elegiría una tapa electrolítica grande del contenedor de piezas chatarra, como 1000 µF o más, ya que la ESR de las tapas de uso general disminuye con la capacitancia. O una cerámica de 10 µF o más. O cualquier tapa con ESR inferior a la batería.

De todos modos. La tapa en la entrada del ladrón de julios suministrará la parte de CA de la corriente, por lo que el amperímetro en serie con la batería medirá algo más cercano a la CC únicamente.

El consumo de energía de una fuente de alimentación de CC es$V_{DC}\times I_{DC}$. Tener en cuenta la parte de CA de la corriente no tiene sentido si el suministro es de CC.

¿Por qué es esto así que usted puede pedir.

La potencia es voltios x amperios en su forma más básica y si la corriente tomada de un suministro es una onda sinusoidal totalmente superpuesta a un valor de CC, entonces multiplicando$V_{DC}$por el contenido de CA de la onda sinusoidal produce una forma de onda de potencia que es positiva en un semiciclo y negativa en el otro. Por lo tanto, la potencia media sería cero.