Cómo obtener alta corriente de baterías de 9 voltios

Una batería de 9 V tiene aproximadamente una energía almacenada de:

$$ \ require {cancel} \ frac {560 \ cancel {m} A \ cancel {h} \ cdot 9V} {1} \ frac {3600s} {\ cancel {h}} \ frac {1} {1000 \ cancel {m}} \ approx 18144VAs \ approx 18 kJ $$

Un joule es un vatio-segundo o un newton-metro. En las condiciones más ideales, con máquinas perfectamente eficientes en todas partes, hay suficiente energía almacenada en una batería de 9 V para aplicar la fuerza especificada de 600 N en una distancia de:

$$ \ frac {18 \ cancel {k} \ cancel {J}} {1} \ frac {\ cancel {N} m} {\ cancel {J}} \ frac {1} {600 \ cancel {N}} \ frac {1000} {\ cancel {k} } = 30m $$

Su solenoide propuesto, que requiere tal vez \ $ 25A \ $ a \ $ 9V \ $, consume energía eléctrica a razón de:

$$ 25A \ cdot 9V = 225W $$

Aplicando su fuerza \ $ 600N \ $ especificada, y dada esa potencia, podemos resolver la velocidad que su solenoide, si fuera 100% eficiente, podría proporcionar:

$$ \ frac {225 \ cancelar {W}} {1} \ frac {\ cancelar {J}} {\ cancelar {W} s} \ frac {\ cancelar {N} m} {\ cancelar {J} } \ frac {1} {600 \ cancel {N}} = 0.375m / s $$

Ya ve, incluso si podemos extraer toda la energía almacenada de la batería de 9 V con una eficiencia del 100%, no hay una tonelada completa. Sabiendo que su solenoide ideal se mueve a \ $ 0.375m / s \ $, y que la batería tiene suficiente energía para moverse \ $ 30m \ $, el el tiempo de ejecución es:

$$ \ frac {30 \ cancel {m}} {1} \ frac {s} {0.375 \ cancel {m}} = 80s $$

O podríamos calcularlo a partir de la energía de la batería y la energía del solenoide:

$$ \ frac {18000 \ cancel {W} s} {1} \ frac {1} {225 \ cancel {W}} = 80s $$

Pero tal vez sea suficiente. La pregunta es cómo hacerlo de manera eficiente. La energía eléctrica en una resistencia viene dada por:

$$ P = I ^ 2 R $$

La resistencia interna de una batería de 9V es quizás \ $ 1.5 \ Omega \ $, cuando Fresco. Sube a medida que se agota la batería. Su solenoide probablemente sea al menos otro \ $ 1 \ Omega \ $. Entonces, en \ $ 25A \ $, sus pérdidas resistivas solas serían:

$$ (25A) ^ 2 (1.5 \ Omega + 1 \ Omega) = 1562.5W $$

Compare esto con la potencia utilizada por el solenoide ideal considerado anteriormente (\ $ 225W \ $) y podrá ver que este es un sistema absurdamente ineficiente. Solo lidiar con el calor de estas pérdidas será un desafío. Por supuesto, en realidad no puede sacar esto de una batería de 9V, porque el voltaje perdido sobre su resistencia interna en \ $ 25A \ $ es:

$$ 25A \ cdot 1.5 \ Omega = 37.5V $$

… que es más que los 9V suministrados por la batería.

Además de la batería, o el solenoide, transferir \ $ 225W \ $ de energía eléctrica es un problema Debido a que la potencia es el producto del voltaje y la corriente (\ $ P = IE \ $), para mover una gran cantidad de energía puede tener alta corriente o alto voltaje. Pero, incluso los cables tienen resistencia, y dado que la energía se pierde en este La resistencia es proporcional al cuadrado de la corriente, es más práctico mover grandes cantidades de energía eléctrica a alto voltaje que a alta corriente. Esta es la razón por la que la compañía eléctrica transmite energía a largas distancias a un voltaje muy alto.

Entonces, si desea mover \ $ 225W \ $ a \ $ 9V \ $, debe mantener la resistencia muy baja, para evitar que las pérdidas resistivas sean muy elevadas. Eso significa cable grueso (incluido el cable en su solenoide, que representa la mayor parte del cable en el circuito) y baterías con baja resistencia interna. También puede intercambiar corriente por voltaje, o voltaje por corriente, en el diseño de su solenoide, como describe la respuesta de supercat.

Comentarios

• Gracias por responder esto desde el punto de vista de ESR.Demasiadas personas ven las baterías como fuentes de voltaje ideales y pasan por alto los efectos importantes de las baterías reales, en particular los tipos muy comprometidos como las pilas comunes de 9V y de botón.

Dado que no lo ha especificado, supongo que se refiere a una batería de 9V para el hogar disponible comercialmente. Una batería estándar de 9 V tiene una capacidad de 400 a 600 mAh. En los términos más básicos, estas baterías pueden suministrar alrededor de 500 miliamperios durante una hora antes de «agotarse». Usted podría , en teoría, consumir la corriente que está buscando, pero incluso para varias baterías de 9 V en paralelo (suma la capacidad ), obtendría entre 1 y 2 minutos con cada juego de baterías. Con las baterías de consumo estándar, eso es bastante poco realista y bastante ineficiente. Me imagino que probablemente no querrá cambiar las pilas cada minuto .

Si el tamaño y el peso no son factores importantes, buscaría una gran capacidad , baterías de plomo-ácido de descarga rápida. Vienen en 12 V, que se acerca a lo que está buscando, y pueden suministrar cientos de amperios de corriente durante diferentes períodos de tiempo (según la cantidad de gastar / qué batería obtiene).

Comentarios

• El OP no ha ‘ t dijo (todavía ) cuál es la batería y, por lo tanto, su respuesta presupone que es un tipo » estándar «. Puede que tenga razón en su suposición, pero puede que no.
• Excelente punto. Edité mi respuesta un poco.

El diseño de un solenoide es una compensación entre usar más giros versus usar más corriente. Realmente dudo que cualquier solenoide pequeño que sea lo suficientemente pequeño como para que uno pueda operarlo de manera realista con una batería de 9 voltios logre un comportamiento óptimo con una corriente tan alta como usted sugiere. Lo más probable es que la eficiencia sea mejor usando más vueltas.

Dicho esto, la corriente máxima de solenoide que se puede obtener de una batería de 9 voltios se obtendría conectando un capacitor en paralelo con la batería, y luego, use un par de interruptores eficientes para conectar alternativamente el solenoide a la batería y cortocircuitarlo (uno debe evitar tener ambos interruptores cerrados, y debe minimizar la cantidad de tiempo que ambos están abiertos; use un diodo de retorno para disipar energía de manera segura durante el tiempo «ambos abiertos»). Para maximizar absolutamente la corriente del solenoide sin tener en cuenta la vida útil de la batería, establezca la relación entre el tiempo de la batería y el «tiempo de cortocircuito» de modo que la batería se reduzca a aproximadamente 4,5 voltios. Eso extraerá la máxima potencia de la batería, aunque hará que la batería gaste aproximadamente la mitad de su energía calentándose a sí misma. Establecer la relación un poco más baja, por lo que solo reduce la batería a 6 voltios, reducirá ligeramente la corriente de la bobina (en aproximadamente un 12%) pero mejorará la vida útil de la batería en un 50%, ya que solo un tercio de la energía de la batería será desperdiciado en autocalentamiento.

El uso de una batería de 9V implica el uso de una sola batería de 9V.

Si esa no es una restricción real bajo la que está trabajando, recomiendo conectar varias en serie para lograr un voltaje más alto. Si solo puede usar una sola batería de 9V, recomiendo adquirir un capacitor de alta capacitancia y cargarlo a través de una corriente -circuito limitador, luego lo cambia para alimentar su solenoide. Esto no dará una salida sostenida, pero dependiendo del circuito y solenoide, debería darle 600 N

Use dos baterías de litio de alto consumo IMR en serie. Los tamaños 18650 a 26650 o más pueden entregar corrientes de hasta 60 amperios. Si el voltaje es demasiado bajo (8.4), puede usar baterías LiFePo f o 9,6 voltios, (3 veces 3,2 voltios).