En artículos anteriores, analizamos los tipos de baterías y los diferentes paquetes de baterías. Muchos circuitos y dispositivos integrados dependen de baterías para obtener energía, y muchos de estos dispositivos usan baterías primarias que pueden necesitar ser reemplazadas. Otros dispositivos integrados son recargables y utilizan baterías secundarias para mantenerse encendidos.
No es difícil seleccionar el tipo de batería, la composición química o el embalaje para un circuito o aplicación en particular. Los pros y los contras, así como las aplicaciones específicas, deben ser consideraciones importantes. Las baterías primarias livianas, como las alcalinas y las de zinc-carbono, se usan ampliamente como celdas cilíndricas en dispositivos no recargables. Las pilas de botón se utilizan generalmente como baterías primarias en dispositivos compactos (como relojes y pulseras) o sólo para alimentar secciones específicas de un circuito.
Los dispositivos integrados recargables (es decir, dispositivos portátiles, dispositivos móviles, juguetes, auriculares y otros dispositivos portátiles de consumo) suelen utilizar celdas cilíndricas de NiCd o NiMH, o celdas rectangulares o de bolsa de iones de litio. Para productos integrados extremadamente compactos, como auriculares Bluetooth, las baterías de iones de litio siguen siendo la opción preferida. Los dispositivos portátiles que requieren una mayor duración de la batería utilizan baterías prismáticas (rectangulares) de iones de litio. Las pilas cilíndricas de NiCd y NiMH se utilizan generalmente como baterías secundarias en productos sensibles al coste. Las baterías de plomo-ácido, pesadas y voluminosas, se utilizan como baterías secundarias en aplicaciones no portátiles como UPS y energía de respaldo.
Los siguientes factores influyen principalmente en la elección de la química de la batería para una aplicación:
- Reutilización: lo primero que debe determinar es si un circuito determinado debe ser recargable o si debe depender del reemplazo de la batería. Por lo tanto, se pueden utilizar tipos de batería primaria o secundaria para el dispositivo.
- Durabilidad del ciclo de vida: la durabilidad de una batería se convierte en una consideración aún más importante cuando es la batería principal utilizada en el circuito. Incluso si se trata de la batería secundaria utilizada en un circuito, es importante tener en cuenta cuánto durará un ciclo de carga-descarga y cuántos ciclos puede funcionar una batería sin sufrir daños (como hinchazón en el caso de celdas prismáticas y de bolsa). También es importante tener en cuenta la duración del ciclo de carga y descarga de una batería secundaria para determinar el procedimiento y el cronograma de carga.
- Densidad de energía: esta es la cantidad de energía que se puede almacenar por unidad de masa o volumen. La química de cada batería tiene una densidad de energía específica que influye en el tamaño y el peso de la batería. Los dispositivos portátiles esencialmente requieren que las baterías sean livianas y compactas. Las aplicaciones no portátiles pueden comprometer el peso, aunque aún pueden tener algunas restricciones de tamaño.
- Densidad de potencia: es la tasa máxima de descarga de energía por unidad de masa o volumen. La densidad de potencia juega un papel importante a la hora de adaptar la química de la batería a una aplicación determinada. Muchas aplicaciones requieren una alta tasa de descarga o pueden ser susceptibles a un aumento repentino en la potencia de descarga. Esto puede afectar la seguridad de una batería. La densidad de potencia es la principal influencia en el rendimiento de una batería en un circuito.
- Seguridad: los dos factores más importantes que influyen en la seguridad de una batería son la estabilidad térmica y la densidad de potencia. Una batería debe tener suficiente densidad de potencia para cumplir con cualquier posible tasa de descarga en un circuito. La química de cada batería también tiene temperaturas de funcionamiento específicas. A altas temperaturas, los componentes de la batería pueden romperse y sufrir reacciones exotérmicas. Las celdas deben estar espaciadas adecuadamente para una mejor estabilidad térmica. Puede ser necesario proporcionar mecanismos como refrigeración líquida o refrigeración por aire para gestionar el calor en un dispositivo. También es importante tener en cuenta la temperatura de la batería para diferentes velocidades de descarga y niveles de corriente.
- Geometría y tamaño: hay diferentes químicas de baterías disponibles en varias formas y tamaños. Para una química de batería determinada, se debe seleccionar la forma y el tamaño óptimos de la batería de modo que no comprometa la capacidad requerida en amperios-hora, la duración del ciclo de vida, las restricciones de tamaño o peso y la seguridad. La mayoría de las baterías prismáticas y de bolsa son propensas a hincharse con el uso prolongado, por lo que debe haber suficiente espacio en un dispositivo para acomodar esto.
- Costo: finalmente, la selección de la química de la batería depende del costo. El costo se puede ajustar seleccionando productos químicos o envases alternativos para la batería. Sin embargo, no se debe comprometer el rendimiento o la seguridad para reducir los costos.
Una vez que haya definido la química de la batería y la batería (según consideraciones de rendimiento, seguridad, portabilidad, recargabilidad y costo), deberá identificar las especificaciones requeridas de la batería. Las especificaciones de batería más importantes a tener en cuenta son las siguientes:
- Voltaje terminal: cualquier batería se utiliza como fuente de voltaje en un circuito. Por lo tanto, la primera especificación que se debe verificar es el voltaje terminal requerido. El voltaje de una batería siempre debe regularse mediante un circuito de transistor o un regulador de voltaje IC para evitar cualquier ruido o fluctuaciones de la batería. El regulador de voltaje también puede reducir el voltaje de suministro al valor requerido si el voltaje de la batería es mayor que el requerido en el circuito. A veces, es posible que sea necesario aumentar el suministro de la batería utilizando un amplificador de transistores si se requiere un voltaje más alto.
A medida que la batería se descarga, el voltaje del terminal comienza a disminuir y la resistencia interna comienza a aumentar. La mejor manera de probar el estado de una batería es medir el voltaje del terminal sin carga o bajo carga.
- Tasa de descarga: la tasa de descarga es particularmente importante para determinar el rendimiento de la batería en un circuito. También es un factor importante para determinar la seguridad de una batería.
- Capacidad de amperios-hora: la capacidad energética de las baterías se expresa en amperios-hora. Cualquier batería puede transferir una cantidad específica de electrones a un circuito antes de descargarse por completo. Este es un número considerable: es el valor aproximado de corriente continua que la batería puede suministrar a un circuito durante un número específico de horas. Si una batería tiene una capacidad de 1 amperio-hora, significa que la batería puede suministrar 1 A de corriente continua durante una hora o 2 A de corriente continua durante media hora y así sucesivamente. La clasificación de amperios-hora proporciona una duración aproximada del número de horas que la batería puede funcionar antes de descargarse por completo, proporcionando una cierta cantidad de corriente continua.
Este es siempre un valor aproximado y la batería puede descargarse completamente antes de la duración estimada. Por ejemplo, si una batería de 20 amperios hora se puede conectar a una carga de baja resistencia, que puede consumir una corriente de 20 A, lo ideal sería que la batería durara una hora. Sin embargo, es posible que se descargue por completo un poco antes de una hora debido al calentamiento. Asimismo, se puede estimar que una batería conectada a una carga de baja potencia durará varios años. Aún así, puede descargarse completamente antes de la duración estimada debido a factores del ciclo de vida como corriente de fuga, evaporación de electrolitos, altas temperaturas, humedad o deterioro de los electrodos.
La capacidad en amperios-hora de una batería se especifica para una corriente específica. Los fabricantes también pueden proporcionar curvas de reducción para diferentes corrientes y temperaturas. En el caso de baterías secundarias, la clasificación de amperios-hora ayuda a determinar el procedimiento y el cronograma de carga.
Combinación de baterías en serie y en paralelo.
Es posible que sea necesario conectar las baterías para formar un banco de baterías más grande para lograr un voltaje o corriente más alto. Cuando se conectan baterías o celdas en serie, la corriente sigue siendo la misma, mientras que el voltaje total es la suma de los voltajes de todas las baterías. Las baterías conectadas en serie deben tener la misma clasificación de amperios-hora; de lo contrario, la batería con una clasificación de amperios-hora inferior se agotará antes que las demás y se interrumpirá el suministro. La clasificación total de amperios-hora del paquete sigue siendo la misma que la de la conexión en serie. Simplemente aumenta la salida de voltaje de la batería.
Cuando las baterías o celdas se conectan en paralelo, el voltaje sigue siendo el mismo, mientras que la corriente total es la suma de las corrientes individuales de las baterías/celdas. Las baterías conectadas en paralelo deben tener el mismo voltaje en los terminales. Las baterías en paralelo nuevamente no cambian la clasificación general de amperios-hora y solo aumentan la corriente de salida.
Protección contra la sobretensión
Las baterías de cualquier tipo pueden producir contracorriente. Además, puede haber fluctuaciones en el suministro de la batería. Para proteger un circuito contra contracorriente y fluctuaciones, se debe utilizar un fusible o disyuntores. En baterías conectadas en serie, un solo fusible es suficiente para proteger el circuito de carga. Para baterías conectadas en paralelo, se recomienda utilizar un fusible independiente para cada batería para que ninguna sobrecargue a la otra. El disyuntor puede ser tan simple como un diodo de protección.
Protección de sobrecarga
En el caso de las baterías secundarias, es importante evitar la sobrecarga y la sobredescarga. Para ello, inicialmente se deben mantener programas adecuados de producción y facturación. Los indicadores de carga de la batería se pueden utilizar para evitar sobrecargas y descargas excesivas. Los circuitos de protección contra sobrecargas también se pueden utilizar para proteger una batería. En algunas aplicaciones, se puede utilizar el circuito de alimentación que puede alimentar la carga directamente desde la fuente de CC y puede cambiar a alimentación de batería en caso de un corte de energía. En estas aplicaciones, se puede utilizar una batería recargable como fuente de energía de respaldo.
En el próximo artículo comenzaremos a hablar de la tecnología de semiconductores, la base de la electrónica moderna.