Como obter alta corrente de baterias de 9 volts

Uma bateria de 9 V tem aproximadamente uma energia armazenada de:

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

Um joule é um watt-segundo ou um newton-metro. Sob as condições mais ideais, com máquinas perfeitamente eficientes em todos os lugares, há energia suficiente armazenada em uma bateria de 9 V para aplicar sua força de 600N especificada a uma distância de:

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

Seu solenóide proposto, exigindo talvez \ $ 25A \ $ a \ $ 9V \ $, consome energia elétrica a uma taxa de:

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

Aplicando sua força \ $ 600N \ $ especificada, e dada essa potência, podemos resolver a velocidade que seu solenóide, se fosse 100% eficiente, poderia fornecer:

$$ \ frac {225 \ cancel {W}} {1} \ frac {\ cancel {J}} {\ cancel {W} s} \ frac {\ cancel {N} m} {\ cancel {J} } \ frac {1} {600 \ cancel {N}} = 0,375m / s $$

Então você vê, mesmo se pudermos extrair toda a energia armazenada da bateria de 9V com 100% de eficiência, não existe uma tonelada inteira dele. Sabendo que seu solenóide ideal está se movendo a \ $ 0,375m / s \ $, e que a bateria tem energia suficiente para mover \ $ 30m \ $, o o tempo de execução é:

$$ \ frac {30 \ cancel {m}} {1} \ frac {s} {0,375 \ cancel {m}} = 80s $$

Ou poderíamos calculá-lo a partir da energia da bateria e da potência do solenóide:

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

Mas talvez seja o suficiente. A questão é como fazer isso com eficiência. A potência elétrica em uma resistência é dada por:

$$ P = I ^ 2 R $$

A resistência interna de uma bateria de 9V é talvez \ $ 1,5 \ Omega \ $, quando fresco. Ele aumenta conforme a bateria é descarregada. Seu solenóide provavelmente é pelo menos outro \ $ 1 \ Omega \ $. Então, em \ $ 25A \ $, suas perdas resistivas sozinhas seriam:

$$ (25A) ^ 2 (1,5 \ Omega + 1 \ Omega) = 1562,5W $$

Compare isso com a potência usada pelo solenóide ideal considerado acima (\ $ 225W \ $) e você pode ver que este é um sistema absurdamente ineficiente. Apenas lidar com o calor dessas perdas será um desafio. Claro, você não pode realmente tirar isso de uma bateria de 9 V, porque a tensão perdida sobre sua resistência interna em \ $ 25A \ $ é:

$$ 25A \ cdot 1,5 \ Omega = 37,5V $$

… que é mais do que os 9V fornecidos pela bateria.

Além da bateria, ou do solenóide, transferir \ $ 225W \ $ de energia elétrica é um problema em si. Como a potência é o produto da voltagem e da corrente (\ $ P = IE \ $), para mover muita potência você pode ter alta corrente ou alta voltagem. Mas, mesmo os fios têm resistência, e como a energia perdeu para isso a resistência é proporcional ao quadrado da corrente, é mais prático mover grandes quantidades de energia elétrica em alta tensão do que em alta corrente. É por isso que a concessionária de eletricidade transmite energia por longas distâncias com voltagem muito alta.

Então, se você deseja mover \ $ 225W \ $ a \ $ 9V \ $, deve manter a resistência muito baixa, para evitar que as perdas resistivas sejam muito altas. Isso significa fio grosso (incluindo o fio em seu solenóide, que responde pela maior parte do fio no circuito) e baterias com baixa resistência interna. Você também pode trocar corrente por voltagem, ou voltagem por corrente, no projeto de seu solenóide, conforme descreve a resposta do supercat.

Comentários

• Obrigado por responder do ponto de vista da ESR.Muitas pessoas olham para as baterias como fontes de tensão ideais e perdem efeitos importantes das baterias reais, particularmente tipos altamente comprometidos, como as células comuns de 9 V e moeda.

Como você não especificou, presumo que você se refira a uma bateria de 9 V doméstica, disponível comercialmente. Uma bateria padrão de 9V tem capacidade de cerca de 400-600 mAh. Em termos mais básicos, essas baterias podem fornecer cerca de 500 miliamperes por uma hora antes de serem “mortas”. Você poderia , em teoria, consumir a corrente que está procurando, mas mesmo para várias baterias de 9 V em paralelo (soma a capacidade ), você obteria cerca de 1-2 minutos com cada conjunto de baterias. Com baterias de consumo padrão, isso é muito irreal e muito ineficiente. Posso imaginar que você provavelmente não quer trocar as baterias a cada minuto .

Se o tamanho e o peso não forem fatores importantes, eu consideraria grande e alta capacidade , baterias de chumbo-ácido de descarga rápida. Elas vêm em 12 V, que é quase o que você está procurando, e podem fornecer centenas de amperes de corrente por períodos variados (dependendo de quanto você gastar / qual bateria você obtém).

Comentários

• O OP não ‘ disse (ainda ) o que é a bateria e, portanto, sua resposta pressupõe que é um tipo ” padrão “. Você pode estar certo em sua suposição, mas pode não estar.
• Excelente ponto. Editei minha resposta um pouco.

O design de um solenóide é uma troca entre usar mais voltas versus usar mais corrente. Eu realmente duvido que qualquer solenóide pequeno que seja pequeno o suficiente para ser operado de forma realista com uma bateria de 9 volts teria um comportamento ideal com uma corrente tão alta quanto você sugere. A eficiência provavelmente seria melhor usando mais voltas.

Dito isso, a corrente máxima do solenóide que pode ser obtida de uma bateria de 9 volts seria obtida conectando um capacitor em paralelo com a bateria, e em seguida, usando alguns interruptores eficientes para conectar alternadamente o solenóide à bateria e colocá-lo em curto (deve-se evitar ter os dois interruptores fechados e deve-se minimizar a quantidade de tempo que ambos estão abertos; use um diodo flyback para dissipar energia com segurança durante tempo “ambos abertos”). Para maximizar absolutamente a corrente do solenóide sem levar em conta a vida útil da bateria, defina a proporção do tempo da bateria para o “tempo de curto” para que a bateria seja descarregada para cerca de 4,5 volts. Isso extrairá o máximo de energia da bateria, embora faça com que a bateria gaste cerca de metade de sua energia se aquecendo. Definir a relação um pouco mais baixa, para que consiga apenas 6 volts da bateria, reduzirá a corrente da bobina ligeiramente (em cerca de 12%), mas melhorará a vida da bateria em 50%, já que apenas um terço da energia da bateria será desperdiçado no autoaquecimento.

Usando uma bateria de 9 V imples usando uma única bateria de 9 V.

Se essa não for uma restrição real com a qual você está trabalhando, recomendo conectar várias em série para obter uma tensão mais alta. Se você só pode usar uma única bateria de 9 V, recomendo adquirir um capacitor de alta capacitância e carregá-lo através de uma corrente -limitar o circuito e, em seguida, ligá-lo para alimentar seu solenóide. Isso não fornecerá uma saída sustentada, mas dependendo do circuito e do solenóide, deve fornecer 600 N

Use duas baterias de lítio IMR de alto consumo em série. Os tamanhos 18650 a 26650 ou mais podem fornecer correntes de até 60 amperes. Se a tensão estiver muito baixa (8.4), você pode usar baterias LiFePo f ou 9,6 volts, (3 vezes 3,2 volts).