Увеличит ли снижение напряжения время работы устройства?

Ответ — да, если вы используете переключающий или понижающий регулятор .

Большинство регуляторов сопротивления, которые вы можете купить, довольно эффективны, около 90%. При понижении выходного напряжения до 1/3 входного входной ток будет составлять всего около 1/3 выходного тока. Ач, доступная на выходе регулятора при 3 В, будет примерно в 3 раза больше, чем Ач, доступная на выходе батареи (2,7х для эффективности 90%).

Последовательный резистор не будет эффективным. Ток на входе = ток на выходе, поэтому переход от 9 В к 3 В будет эффективен только на 33%. Большинство линейных регуляторов будут немного хуже, так как они также тратят немного тока на землю.

Стоит прочитать техпаспорт аккумулятора, например Energizer522 9V Alkaline Battery . Это немного загадочно, но есть таблица емкости в миллиампер-часах.

Сюрприз! Емкость в мАч на самом деле не является постоянной величиной: при более высоком токе разряда емкость в мАч уменьшается. Таким образом, 750 мАч — это просто эвристика для оценки времени работы на основе относительно низкого тока для обычной батареи 9 В. Однако в основном это довольно постоянно в разумном рабочем диапазоне. ( Если вы потребляете 1000 мА, как дуговая сварка с батареей, номинал мАч может не отслеживаться. Я не рекомендую этого, электрические пожары не доставляют удовольствия. Бытовые 9-вольтовые батареи почти безопасны, но перезаряжаемые батареи могут быть намного более опасными. . )

Тем не менее, если вы потребляете 50 мА, вы можете ожидать около 10 часов работы, а если вы потребляете 100 мА, вы можете ожидать около 5 часов работы. Таким образом, хотя батареи на самом деле намного сложнее, обычно разумно принимать постоянную емкость в мАч в качестве полезного приближения первого порядка.

Обратите внимание, что в диаграмме емкости мАч в техническом паспорте этой конкретной батареи указано «непрерывный разряд до 4,8 вольт при 21 градусе C ». Они должны указать конечное напряжение разряда, потому что батарея не разряжается до 0 вольт. По мере разрядки батареи сопротивление внутреннего источника увеличивается, и на клеммах появляется меньшее напряжение. В какой-то момент сопротивление источника больше, чем сопротивление нагрузки, и больше оставшейся энергии батареи идет на нагрев батареи, чем на фактическое управление нагрузкой. Некоторые нагрузки могут снизить кривую разряда батареи ниже, чем другие. Фонарик может работать от батареи, которая слишком разряжена для питания двигателя.

Существуют графики времени работы, которые показывают часы работы (время работы) для двух разных сценариев: нагрузки с постоянным сопротивлением (где ток нагрузки уменьшается по мере снижения напряжения) и нагрузки с постоянным током. Если вы используете 3-вольтовый линейный стабилизатор с малым падением напряжения, ток нагрузки будет приблизительно постоянным, поэтому применим график характеристик при постоянном токе. Опять же, обратите внимание, что они указывают, что это при комнатной температуре. Одна загвоздка в том, что если вы потребляете 300 мА из батареи, она не будет оставаться при комнатной температуре, она станет теплой, может быть, даже горячей.

Другим соображением, помимо общего количества часов работы, является то, насколько быстро батарея разряжается, когда достигает конца разряда. Это одна из тех системных характеристик, которая зависит как от батареи, так и от нагрузки. Взгляните на графики стандартных отраслевых тестов в конце этого листа данных. Это три разных типичных варианта использования 9-вольтовой батареи: радио и игрушка постоянно разряжаются, а детектор дыма использует спящий режим, чтобы поддерживать низкий средний ток нагрузки. Если бы вы разрабатывали потребительский электронный продукт, одной из задач было бы исследование характеристик нагрузки и разряда батареи для вашего конкретного продукта. Для хобби или первого прототипа график в таблице данных является отправной точкой.

Если ваше устройство является портативным пультом дистанционного управления, и батарея перестала работать, пользователь может легко заменить новую батарею. Но если ваше устройство было дроном-квадрокоптером, и его батарея внезапно перестала работать, когда квадрокоптер находился в воздухе на высоте нескольких сотен футов, это было бы плохо. Вам понадобится заблаговременное предупреждение о том, что срок службы батареи подходит к концу, чтобы избежать серьезной аварии. Точно так же, если ваше устройство записывало данные на SD-карту или другой носитель, вы должны попытаться избежать попадания в середине фиксации с внезапно разрядившейся батареей. Таким образом, вы захотите проверить напряжение батареи, либо измеряя его с помощью АЦП, либо используя делитель напряжения с высоким импедансом и компаратор, чтобы определить, когда напряжение батареи становится достаточно низким, чтобы ваше устройство беспокоило. А если использовать микроконтроллер,

Это зависит от характера вашей нагрузки.

ЕСЛИ у вас есть резистивная нагрузка, такая как лампа накаливания с вольфрамовой нитью, то добавление резистора продлит срок службы батареи, потому что лампа горит менее ярко, потребляя меньше I. Импульсный регулятор для снижения напряжения постоянного тока помогает еще больше.

ЕСЛИ у вас есть современная нагрузка со своим собственным внутренним регулятором, такая как компьютерное оборудование «12 В», оно будет потреблять требуемую мощность IV, поэтому, если вы дадите ему меньше V, вставив резистор, тогда он будет потреблять больше I, чтобы сделать увеличьте потребление энергии и разрядите аккумулятор БОЛЬШЕ, чем без резистора. Установка импульсного стабилизатора с понижающим преобразователем постоянного тока не поможет, потому что ВАХ из него не больше, чем ВАХ из него.

Итак, вы задали разумный вопрос, но вам также необходимо описать, является ли ваша нагрузка «резистивной» или «постоянной мощностью» или чем-то еще, прежде чем вы сможете получить прямой ответ.

Вопрос сбивает с толку, потому что, хотя используемые термины хорошо определены, их не всегда хорошо понимают.

Напряжение и ток не взаимодействуют в том смысле, что одно может заполнить пробел, оставленный другим, но батареи ведут себя иначе, чем резисторы, потому что у них есть химическая часть, которая потребляется при потреблении тока. Важно отметить, что ток и напряжение применяются в определенной точке цепи и в определенное время.

Для батареи показатель мАч является приблизительным значением накопленной энергии, которую можно извлечь до того, как батарея будет израсходована. Начиная с 9 В, после того, как вы извлекли 100 мА в течение 7,5 часов, возможно, напряжение батареи будет 8 В, а через 10 минут оно будет 6 В (гипотетически). Вы извлекли из батареи 7,5*0,1*8,5=6,375 Ватт-часов.

С вашей схемой вы можете компенсировать рабочее напряжение и потребляемый ток (в зависимости от схемы), но в итоге вы получите определенное энергопотребление (скажем, 3 В, 100 мА, 0,3 Вт). Вы еще не можете связать это с энергией, доступной от батареи, потому что мы знаем, что ваша схема не будет работать так, как вы ожидаете, когда вы подключите ее к 9 В, а не к 3 В.

Если вы используете линейный регулятор, регулятор действует как регулируемый резистор, чтобы сбросить избыточное напряжение (6 В, когда ячейка полная, 5 В, когда ячейка пуста, при 100 мА), и около 4 ватт-часов энергии от нагрева батареи. регулятор. Ток на входе устройства такой же, как и на аккумуляторе.

Если вы используете импульсный регулятор, регулятор действует скорее как переменный трансформатор (знаю, слабая аналогия). Входной ток может быть 35 мА при 9 В, а выходной ток 100 мА. В этом случае приближенные расчеты упрощаются за счет использования коэффициента полезного действия регулятора. Если регулятор имеет КПД 95%, он потребляет всего около 0,3 ватт-часа запасенной энергии батареи.

Таким образом, единственное, что влияет на время работы батареи, — это ток, который вы потребляете от нее с течением времени. Более высокий ток также больше нагружает химическую сторону батареи (как вторичный эффект). Если вы не можете напрямую сопоставить напряжение батареи с напряжением вашей цепи, вам придется тратить немного энергии на регулятор. Как правило, линейные стабилизаторы или резисторы имеют смысл (для эффективности) только в том случае, если несоответствие напряжения очень мало, поскольку современные импульсные стабилизаторы дешевы и эффективны.

С резистивным делителем напряжения 2/3 энергии батареи будет потрачено впустую на резисторе падения напряжения. Это не будет считаться эффективным!

Для резистивной нагрузки (нагрузки, которая ведет себя как резистор), такой как лампочка, резистор падения напряжения может работать достаточно хорошо, чтобы обеспечить требуемые 3 В. Поскольку два резистора остаются постоянными по величине, напряжение на их соединении останется постоянным. Этот принцип постоянно используется в электронике, но в основном только при малой мощности.

Если нагрузка непостоянна, например, электронное устройство с подсхемами, которые включаются и выключаются, например, микроконтроллер и т. д., то подаваемое напряжение изменяется в зависимости от нагрузки. Когда устройству требуется больший ток, напряжение падает (что может привести к отключению), а когда устройству требуется низкий ток, напряжение возрастает (возможно, повреждая электронику).

Для чувствительных нагрузок следует использовать регулятор напряжения.

Линейный регулятор напряжения

Линейный регулятор напряжения заменяет встроенный резистор транзисторным устройством, которое регулирует свое сопротивление, чтобы обеспечить постоянное выходное напряжение. Это решит вашу проблему регулирования напряжения, но не решит вашу проблему эффективности. В вашем приложении эффективность все равно будет 3/9 = 33%.

Импульсный регулятор напряжения

Импульсный регулятор напряжения намного эффективнее. Выходное напряжение переключается между полным (9 В в вашем случае) и нулем на высокой частоте и сглаживается, чтобы получить постоянное напряжение постоянного тока. Чтобы уменьшить напряжение с 9 В до 3 В, выходные импульсы будут активны примерно 1/3 времени. При хорошей конструкции может быть достигнута эффективность более 85%.

Импульсные стабилизаторы бывают повышающими (выходное напряжение выше входного) и понижающими (выходное напряжение ниже входного). Вы ищете импульсный регулятор понижающего типа.

Продолжительность

Часто проще рассчитать время работы, используя ватт-часы (Втч), а не Ач, которые не принимают во внимание напряжение. Емкость вашего аккумулятора определяется$Wh = V \cdot Ah = 9 \times 0.75 = 6.75~Wh$

где$\eta$(эта) – эффективность регулятора. Нагрузка (Вт) рассчитывается путем умножения напряжения нагрузки на ток нагрузки.

Например, если ваша нагрузка в среднем составляет 100 мА при 3 В, а эффективность вашего регулятора составляет 85%, то