Pregunta sobre los conceptos básicos de la batería (estoy confundido y no estoy seguro de cómo formular mi pregunta)

Estás pensando demasiado en todo esto y/o tienes algunos modelos mentales malos. También proporciona este dilema: que debe ser "siempre tiene 9 V" o "se pueden extraer hasta 9 V". Ese no es el dilema y ni siquiera sé a qué te refieres cuando dices "tirado".

Una batería se basa en cierta química interna. Hay algunos potenciales de iones moleculares basados ​​en una física bastante básica que, afortunadamente para nosotros los humanos, significa que la química de una batería tiene el efecto de proporcionar un voltaje relativamente estable. Incluso puede obtener una batería al pegar dos varillas de metal diferentes en diferentes partes de un limón, por ejemplo. (Sin embargo, no es una batería "buena").

Las baterías que están diseñadas para suministrar un voltaje también tienen una especificación de "corriente de cumplimiento" para ellas. Y a veces, la especificación describirá qué tan bien funcionan en varias corrientes diferentes: con situaciones de corriente baja que duran más y situaciones de corriente alta que duran mucho menos, durante su vida útil.

Cuando se aplica una batería a un circuito (como un circuito LED), la configuración química fresca de la batería intenta proporcionar un voltaje más o menos estable a ese circuito. Pero si el circuito requiere demasiada corriente para el diseño químico y físico de la batería, entonces el voltaje caerá. A veces, caerá mucho, mientras sigue proporcionando algo de corriente. Por lo general, las baterías que están vinculadas a una carga que podría usar mucha más corriente de la que pueden suministrar, tienen su química interna operando a tal velocidad que también afecta su vida útil de servicio. Por lo tanto, es importante mantenerse dentro de las especificaciones diseñadas con respecto a la carga aplicada.

Una forma muy sencilla de visualizar una batería química es pensar en ella como una batería ideal con una resistencia en serie conectada. De esta manera, si el circuito intenta consumir demasiada corriente, esta resistencia en serie interna "bajará" algo de voltaje antes de que el circuito tenga acceso a él. Pero esto es solo una aproximación muy simple. Una batería real es mucho más compleja y modelarlas es una especie de arte.

Pero la idea básica es que una batería (o cualquier fuente de voltaje práctica) no es perfecta y tiene limitaciones. Pero los diseñadores confían en la idea de un rango de voltajes razonables cuando se enfrentan a un rango de corrientes de carga razonables. Entonces, por ejemplo, podría diseñar un circuito para una batería de 9 V esperando no menos de 7,5 V y no más de 9,2 V durante su vida útil. No, no SIEMPRE proporcionará 9 V. Proporcionará voltajes más altos al principio de su vida y voltajes más bajos más adelante a medida que se agote su química. Tengo que decidir qué tan bajo puedo aceptar, antes de que mi circuito deje de funcionar correctamente. Cuanto más bajo puedo manejar, más dura la batería. Pero el voltaje también cae mucho más rápido a medida que se acerca al final de su vida útil. Así que tengo que hacer un juicio razonado sobre dónde trazar esa línea.

Un suministro ideal de 9 voltios tiene exactamente un voltaje de salida de 9 V independiente de la carga; ya sea que extraiga 1 mA o 1000 A, el voltaje medido en los terminales siempre será de 9 V. Una batería de 9 V es una aproximación razonable de esto con algo de carga. rango. Una batería nueva sin carga tendrá aproximadamente 9 V (en realidad un poco más). Si consume corriente, el voltaje será un poco menor (la batería tiene cierta resistencia interna) y, a medida que la batería se agote, el voltaje de circuito abierto caerá. Si intenta consumir demasiada corriente, el voltaje de salida caerá muy por debajo de los 9 V. Sin embargo, este modo de operación es extremadamente ineficiente, la batería no durará mucho y se calentará bastante.

La mayoría de las fuentes de alimentación son así: están diseñadas para operar a un voltaje más o menos constante con una corriente que varía desde cero hasta un límite de corriente superior. El límite y la variación del voltaje de salida con la corriente de carga es parte de las especificaciones para una fuente de alimentación.

Es posible hacer lo contrario: una fuente de corriente constante. Este es un suministro diseñado para producir una corriente constante en una carga, siempre que la caída de voltaje no sea demasiado alta (p. ej., la resistencia de la carga es inferior a algún valor). Estos se usan con bastante frecuencia como elementos de circuito, pero muy raramente se usan como fuente de alimentación.

Para responder a TODAS sus preguntas, debe comprender la ley de Ohm, en todas sus formas. Dado que I = corriente [amperios], V = voltaje [voltios] (más exactamente llamado potencial eléctrico) y R = resistencia [ohmios], la ley de Ohm establece que I = V/R. Haciendo algunas matemáticas, también establece que V=IR y R=V/I. Revise los tres de estos como se aplica a su circuito.

I=V/R: Dada una fuente fija de 9 V, la resistencia en un circuito (como un bucle de alambre con un LED) determina la cantidad de corriente que fluye.

V = IR: el voltaje medido a través de una resistencia, conocido como "caída de voltaje", es el producto del valor de la resistencia y la corriente. En un circuito simple, la suma de todas las caídas de voltaje se suma al voltaje suministrado, en este caso por su batería.

En el mundo real, las baterías no son perfectas y tampoco lo es el cable. Si su batería fuera una fuente perfecta de 9 V y el cobre fuera un conductor perfecto, entonces conectar un lazo de cobre a los terminales de la batería le daría I = V / R = 9 V / 0 ohmios = ¡corriente INFINITA! En el mundo real, el cable de cobre y la batería tienen una pequeña cantidad de resistencia interna. Entonces, cuando pasa corriente a través de un circuito LED, su corriente real I = V / Rtotal, donde Rtotal = Rbatt (resistencia interna de la batería) + Rload (su LED u otro elemento de resistencia) + Rwire. En el mundo real, generalmente está manejando un LED con quizás una resistencia de 20 ohmios, y las resistencias de su cable y batería son MUCHO más pequeñas que eso, por lo que las ignora y calcula su corriente basándose solo en la resistencia del LED. ¿Por qué tomarse la molestia de buscar su batería? s resistencia interna y calcular la resistencia del cable solo para que pueda obtener su cálculo I = V / R ABSOLUTAMENTE PERFECTO en lugar de "dentro del 1%"? Pero su batería es una celda química y su voltaje cae cuando se descarga. Y si lo conecta, o cualquier otra fuente de alimentación, a una resistencia lo suficientemente baja, entonces la corriente que está pasando a través de ella será tan alta que la resistencia interna comenzará a importar, y perderá voltaje dentro de su fuente de alimentación porque la caída de tensión a través de la celda o fuente de alimentación será V=IR. Digamos que tiene una batería de 9V con una resistencia interna de 0,5 ohmios (un número inventado; no lo he buscado). Si su circuito tiene una carga de 20 ohmios, la corriente a través del circuito es V/R = 9/(20 + 0,5) = 0,439 amperios, que es solo un 2,5 % menos que 0. 45 amperios que calcularías si ignoraras la resistencia interna. Pero si su circuito solo tiene una carga de 0,5 ohmios, entonces la corriente a través del circuito es I=V/R = 9V/(0,5 + 0,5) ohmios = 9 amperios, y la caída de voltaje a través de cada componente es V=IR = 9*0,5 = 4,5 voltios. Así es, la batería pierde 4,5 voltios empujando esos 9 amperios A TRAVÉS DE SÍ MISMA, y produce solo 4,5 voltios en sus terminales para encender el LED. En este caso, el LED brillaría mucho y la batería se calentaría y se agotaría bastante rápido.

En términos intuitivos, piense en un circuito resistivo como una bomba que empuja agua a través de una manguera hacia un tanque de sumidero. La presión en la línea es el voltaje, la tasa de flujo es la corriente y cualquier cosa que bloquee el flujo es resistencia. Engarce la manguera y tendrá alta presión en la línea, pero no fluirá agua. Suelte el engarce y la presión permanece alta, pero fluye algo de agua. Si abre la línea por completo, la manguera se afloja debido a la pérdida de presión; en ausencia de cualquier resistencia, la bomba comienza a descargar agua a través del sistema a baja presión. Cuanto más grande y fuerte sea la bomba, mejor podrá mantener la presión a caudales cada vez más altos. Las baterías y las fuentes de alimentación funcionan de la misma manera.

A partir de la ley de Ohm usando un divisor de voltaje resistivo, uno puede determinar cualquier ESR de la batería por el aumento incremental de alguna corriente con la correspondiente caída de voltaje. Esto supone una carga de estado estable mínima >5% como estado inicial. Por supuesto, una caída en el voltaje del 50 % coincide con el ESR interno, pero provoca el autocalentamiento.

Estas no son especificaciones rígidas, pero en general son ciertas para baterías nuevas. En general, cuanto mayor sea la capacidad y el tamaño de Ah, menor será la ESR. Las celdas tipo moneda pequeñas tienen una ESR muy alta y, por lo tanto, están clasificadas para <0,5 mA. Mientras que el CR123A, un poco más grande que un AA, tiene 3,00 V muy estables y una ESR más baja que la que mostré a continuación.

Arriba se muestra 1) Alcalina, 2) Litio 3) Litio y 4) Fosfato de Litio (LiPO3) o LiPo

TAMBIÉN Los LED se pueden modelar como las baterías anteriores, donde el Vf depende de la longitud de onda y el ESR depende del tamaño del chip y la potencia nominal, en general.

Diodo$ESR~_{[Ω]}= \frac{0.5 ~~to~~ 1}{Pd[W]}$a Vf@If nominal (incluyendo ESR) cuando el diodo está saturado.