En el artículo anterior, analizamos diferentes tipos de fuentes de alimentación. Para la creación de prototipos y pruebas de circuitos, la fuente de alimentación regulada lineal es la solución más económica y viable que puede realizar usted mismo. La salida de potencia de una fuente regulada lineal también se puede ajustar con la ayuda de una resistencia variable. Los aficionados a la electrónica y los principiantes que no quieran preocuparse por diseñar su propia fuente de alimentación pueden comprar una fuente de alimentación de mesa ajustable para realizar pruebas periódicas de circuitos y crear prototipos. La mayoría de los sistemas integrados funcionan con baterías, por lo que tarde o temprano necesitarás agregar una fuente de alimentación basada en baterías a tus diseños (circuitos). Incluso los circuitos que no funcionan exclusivamente con baterías pueden utilizar baterías como reserva de energía. Por lo tanto, es fundamental conocer ante todo estos componentes electroquímicos, ya que harán que tus circuitos funcionen en la mayoría de situaciones.
que son las baterias
Las baterías son dispositivos electroquímicos que almacenan energía eléctrica en forma de energía química. Cuando se conectan en un circuito, la corriente comienza a fluir a través de sus terminales a medida que la energía química almacenada en ellos se descarga en forma de energía eléctrica. Los supercondensadores se diferencian de las baterías porque almacenan energía eléctrica como un campo electrostático, mientras que las baterías almacenan energía de forma electroquímica.
Las baterías son dispositivos de dos terminales y siempre tienen un terminal positivo (ánodo) y un terminal negativo (cátodo). Están formados por tres componentes: ánodo, cátodo y electrolito. Cuando una batería se conecta a un circuito, los electrones fluyen del cátodo al ánodo debido a reacciones químicas con el electrolito. Obviamente, la dirección de la corriente convencional es del ánodo al cátodo.
tipos de baterias
Hay cuatro tipos principales de baterías:
- Baterías primarias
- Baterías secundarias
- Celdas de reserva
- Celdas de combustible
Baterías primarias
Las pilas y baterías primarias son baterías desechables no recargables. Las reacciones electroquímicas de estas baterías no se pueden revertir, por lo que no se pueden recargar una vez agotadas e incluso pueden descargarse si no se utilizan durante un largo período de tiempo. Estas baterías están diseñadas para un solo uso y deben desecharse cuando se agotan. Estas baterías son las más adecuadas para aplicaciones basadas en baterías, que generalmente requieren bajos requisitos de energía y deben funcionar completamente con batería durante un largo período de tiempo. Las baterías primarias también se utilizan en muchas aplicaciones de grado militar (radio y comunicaciones), ya que en dichas aplicaciones es más conveniente reemplazar las baterías que recargarlas. Las baterías primarias de uso común incluyen pilas de botón, pilas AA y AAA.
Las baterías de tipo botón de iones de litio de la serie RJD cuentan con la alta densidad de potencia requerida en aplicaciones de IoT portátiles. (Imagen: Condensador de Illinois)
Estas baterías pequeñas y de bajo costo generalmente están secas, tienen buena retención de carga y están diseñadas para un uso prolongado. No están diseñados ni son adecuados para aplicaciones de carga pesada donde se requiere una alta tasa de descarga, ni son adecuados para respaldo de energía o nivelación de carga.
Hay muchos tipos de baterías primarias disponibles. Algunas de las baterías primarias populares incluyen las siguientes.
Pilas alcalinas : son las pilas primarias más populares y están formadas por celdas de 1,5 V. Tienen una alta energía específica, una larga vida útil, son respetuosos con el medio ambiente, seguros de usar, a prueba de fugas y de bajo costo. Son ideales para aplicaciones de baja corriente y se utilizan en muchos dispositivos de consumo, como controles remotos de TV, relojes de pared y juguetes. Su principal desventaja es su peso, ya que pesan.
Baterías de zinc-carbono : son baterías de alta resistencia y constituyen una alternativa económica a las baterías alcalinas. Sin embargo, tienen una energía específica (densidad de energía) más baja y un rendimiento de tasa de descarga deficiente. Generalmente se utilizan como sustituto económico de las pilas alcalinas.
Baterías primarias de litio : estas baterías pequeñas y livianas están diseñadas para usarse en aplicaciones de baja corriente. Se utilizan como alternativa a las pilas alcalinas, donde el tamaño y el peso son la principal preocupación en relación con el coste.
Baterías de mercurio : no son baterías secas como otras baterías químicas primarias. Estas baterías de pequeño tamaño tienen una vida útil más larga y un voltaje estable. Generalmente se utilizan en aplicaciones de restricción de tamaño.
Baterías secundarias
Las baterías secundarias son baterías recargables. Sus reacciones electroquímicas se pueden revertir recargándolas. En el proceso de recarga, la corriente de carga pasa a través de sus terminales en dirección opuesta a la corriente de descarga. Una vez recargadas, estas baterías vuelven a su estado previo a la descarga.
Las baterías secundarias tienen un coste inicial elevado; sin embargo, debido a que se pueden reutilizar muchas veces, tienen costos de ciclo de vida más bajos. En muchas aplicaciones, es más económico utilizar baterías secundarias de bajo consumo que baterías primarias para uso prolongado. Esta es la razón por la que las baterías secundarias de bajo consumo se utilizan habitualmente en dispositivos y aparatos móviles. Estas baterías también son útiles en aplicaciones de servicio pesado y aquellas aplicaciones donde se requiere un rendimiento de alta tasa de descarga. Es la razón por la que las baterías secundarias se utilizan para aplicaciones como nivelación de carga, vehículos eléctricos y respaldo de energía. Algunas de las baterías secundarias populares incluyen las siguientes:
Baterías de iones de litio : Son las baterías secundarias más populares. Vienen en una variedad de productos químicos, como óxido de litio y cobalto, azufre de litio y fosfato de hierro y litio. Estas baterías livianas tienen la mayor densidad de energía y un excelente rendimiento de tasa de descarga y se usan ampliamente en teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles y dispositivos de consumo basados en baterías. Recientemente, el Premio Nobel de Química 2019 fue otorgado a tres científicos (John B Goodenough, M Stanley Whittingham y Akira Yoshino) por su trabajo en el desarrollo de baterías de iones de litio.
Una batería de iones de litio de tipo clavija adecuada para alimentar aplicaciones pequeñas, como dispositivos portátiles. (Imagen: Batería industrial Panasonic)
Baterías de plomo-ácido : Son los primeros tipos de baterías secundarias. Se trata de baterías grandes y pesadas que se utilizan para aplicaciones de trabajo pesado a un costo menor que otras baterías, lo que las hace útiles en aplicaciones no portátiles como automóviles y como respaldo de energía. A pesar de la baja energía específica y el gran peso, estas baterías tienen una alta relación potencia-peso. Están disponibles como baterías selladas de plomo-ácido (SLA).
Baterías de níquel-cadmio : estas baterías secundarias duraderas utilizan cadmio metálico e hidróxido de óxido de níquel como electrodos y se sabe que entregan su voltaje nominal completo a altas velocidades de descarga. Tienen una baja autodescarga y una larga vida útil. Una gran desventaja de las baterías de Ni-Cd es que tienen memoria: si no se recargan correctamente, su vida útil puede acortarse.
Níquel metal hidruro : estas baterías son similares a las de Ni-Cd, excepto que utilizan una aleación que absorbe hidrógeno en lugar de cadmio. Tienen mayor densidad energética y no requieren un procedimiento de recarga específico. Sin embargo, estas baterías tienen una vida útil corta en comparación con las baterías de Ni-Cd y es posible que deban desecharse antes de mil ciclos.
Celdas de reserva
Al igual que las baterías primarias, las celdas de respaldo también son principalmente de un solo uso, pero cuentan con un electrolito aislado de los electrodos o electrodos aislados del electrolito. La mayoría de las celdas de reserva tienen electrolitos aislados. El electrolito se activa sólo cuando se utiliza la batería. Debido a que el electrolito y los electrodos permanecen aislados, estas baterías no se descargan solas (como las baterías primarias) y tienen una vida útil más larga. Algunas de las celdas de respaldo populares incluyen baterías activadas por electrolitos, baterías activadas por calor (baterías térmicas), baterías activadas por agua y baterías activadas por gas. Estas baterías se utilizan generalmente en aplicaciones de grado militar.
celdas de combustible
En las pilas de combustible, el material activo se introduce en la batería desde el exterior. La batería sólo permanece operativa hasta que se alimenta el material activo. Las pilas de combustible se utilizan generalmente en aplicaciones espaciales, pero también en aplicaciones como vehículos eléctricos, nivelación de carga y respaldo de energía.
Cómo funciona una pila de combustible básica. (Imagen: FCHEA)
La mayoría de los dispositivos integrados que funcionan con baterías utilizan baterías primarias. Muchos dispositivos integrados pueden utilizar baterías secundarias, como en aplicaciones industriales donde el uso de baterías secundarias puede resultar muy económico. Las pilas de repuesto y las pilas de combustible tienen aplicaciones limitadas y es posible que no se encuentren en productos electrónicos de uso generalizado. Al igual que los inductores, las baterías tienen una aplicación específica. Por lo tanto, no es una tarea difícil elegir un tipo de batería para un circuito o aplicación en particular. Pero es necesario tener en cuenta otros requisitos, como el voltaje de los terminales, la seguridad, el cumplimiento, el tamaño y la geometría al seleccionar una batería para una aplicación determinada.
Ya hemos hablado de diferentes tipos de baterías según su reutilización y su química. En el próximo artículo hablaremos de la geometría y tamaño de las baterías.
