Una batería es un dispositivo electroquímico que puede almacenar energía en forma de energía química. Esto se traduce en energía eléctrica cuando la batería se conecta en un circuito debido al flujo de electrones debido a la colocación específica de productos químicos. Para más información sobre cómo funcionan las baterías, puedes leer el artículo que ya hemos cubierto: Introducción a las baterías y sus tipos.
Una batería no es una fuente de energía finita ideal. La energía almacenada en una batería completamente cargada no se puede suministrar completamente al circuito digital porque la cantidad de energía que una batería puede suministrar depende de la corriente extraída de la propia batería. En otras palabras, cuanto mayor es la corriente de descarga, mayor es el desperdicio de energía de la batería.
Por ejemplo, las pilas alcalinas suelen tener una vida útil de siete a 10 años. Las baterías de litio BR y CR pueden durar entre 10 y 15 años, y las celdas de litio y cloruro de tionilo pueden durar más de 20 años.
Términos generales
Antes de continuar, debemos conocer los siguientes términos.
- Voltaje nominal: voltaje de una celda completamente cargada en los terminales positivo y negativo de la batería.
- Energía/Capacidad de la batería: La energía almacenada en una batería se llama capacidad de la batería.
- Densidad de energía: La densidad de energía es la medida de cuánta energía contiene una batería en proporción a su peso. Cuanto mayor sea la densidad de energía de la batería, más cara será la tecnología de la batería.
- Tasa de autodescarga: las baterías no duran para siempre. Incluso si no se utilizan, todavía se producen reacciones electroquímicas que descargan lentamente la batería de forma natural. Este proceso se llama tasa de autodescarga.
- Vida útil: La vida útil de la batería es el período de tiempo que una batería puede permanecer almacenada sin perder su capacidad.
- Duración de la batería: este es el tiempo de ejecución con una batería completamente cargada en mAh.
Cálculo de la duración de la batería
La duración de la batería se puede calcular utilizando la corriente de entrada de la batería y la corriente de carga del circuito. La duración de la batería es inversamente proporcional a la corriente de carga, lo que significa que será alta cuando la corriente de carga sea baja y será baja si la corriente de carga es alta.
La capacidad de la batería se puede medir mediante la siguiente fórmula:
Duración de la batería = Capacidad de la batería (mAh) / Corriente de carga (mA) * 0,9
*El factor 0,9 tiene en cuenta (temperaturas, envejecimiento, etc.) factores externos que pueden afectar la duración de la batería.
Por ejemplo, una batería de 2500mAh (2,5Ah) con un dispositivo que consume 500mA (0,5A) tienes:
2,5Ah/0,5A * 0,9 = 4,5 horas
Clasificaciones de la batería
Existen dos clasificaciones de baterías:
Batería primaria. Las baterías primarias se conocen comúnmente como celdas secas. Una batería primaria es una fuente conveniente de energía para dispositivos electrónicos y portátiles. Son del tipo “desechados inmediatamente al ser dados de alta”. Estas baterías son básicamente la fuente de alimentación de CC. Las principales características de las baterías primarias son que son económicas, livianas, fáciles de usar y no requieren mantenimiento.
Algunos ejemplos son las pilas de zinc-carbono, las baterías despolarizadas de metal-aire y las pilas alcalinas de zinc-dióxido de manganeso. Las baterías primarias más comunes son las alcalinas de 1,5 V (AA, AAA, AAAA, C, D, 9 V).
Según su composición química, los tipos de baterías primarias son:
Según la nomenclatura, los tipos de baterías primarias son los siguientes.
pilas AA
La batería AA es una batería seca cilíndrica de una sola celda de tamaño estándar . Es una batería extremadamente común y la producen varias marcas como Toshiba, Duracell, etc. Tiene unas dimensiones de 50,5 mm de longitud y 14,5 mm de diámetro.
Figura: 1 pila AA
pilas AAA
Las baterías AAA son más pequeñas en comparación con las AA, pero la capacidad de una batería AA es mucho mayor que la de una batería AAA. Tiene unas dimensiones de 44,5 mm de longitud y 10,5 mm de diámetro.
Figura: 2 pilas AAA
pilas AAAA
La batería AAAA pesa un 43% menos, es un 40% más pequeña y un 20% más delgada que la batería AAA. La batería AAAA tiene 42,5 mm de largo y 8,3 mm de diámetro. Estas baterías también están clasificadas como LR8D425 por IEC y 25A por ANSI/NEDA.
Figura: 3 pilas AAAA
Baterías C
Las baterías C son un tipo de batería seca ampliamente utilizado que proporciona una carga confiable y duradera para dispositivos con necesidades de consumo de energía de medio a alto. Mide 500 mm x 26,3 mm.
Baterías D
Las baterías D son grandes celdas cilíndricas desechables que se utilizan para aplicaciones que consumen energía ocasionalmente. Son más grandes que las pilas secas C. El tamaño estándar de una batería D tiene una longitud aproximada que oscila entre 58,0 y 61,50 mm.
Figura: Batería 5D
Baterías de 9V
Esta batería tiene forma rectangular y tiene conectores enchufables en la parte superior de la batería. La batería de 9 V más común de esta gama se conoce como batería PP3.
Figura: 6 batería de 9V
Baterías CR123A
Se trata de una batería de celda cilíndrica ampliamente utilizada para una variedad de aplicaciones, desde dispositivos médicos hasta tecnología de grado militar. Comúnmente se les llama batería 123. Tiene 34 mm de alto y 17 mm de diámetro.
Figura: Batería 7 CR123A
Baterías 23A
Una batería A23 es cilíndrica y aproximadamente dos tercios de la longitud de una batería AAA. Sus dimensiones son 28,2 mm de largo y 10,0 mm de diámetro. Una batería A23 es básicamente un dispositivo de 8 celdas con un voltaje nominal de 12 V.
Figura: 8 Batería de 23A
Baterías CR2032
Se trata de una batería de tipo botón, también llamada pila de botón, que utiliza química del litio. En comparación con las baterías AA y AAA normales, se sabe que las baterías de litio CR2032 producen energía más eficiente y estable.
Figura: 9 Batería CR2032
Batería secundaria
Una batería secundaria es recargable eléctricamente. La batería secundaria más común es la batería de plomo-ácido que se utiliza en los automóviles. Algunos ejemplos son las baterías de níquel-cadmio, níquel-hidruro metálico y litio. .
Plomo ácido
Esta batería está compuesta por dióxido de plomo en el ánodo y una matriz o esponja de plomo en el cátodo. El electrolito puede ser líquido (ácido sulfúrico y agua destilada) o pasta o gel con válvula reguladora de presión.
Fig: 10 Batería de plomo ácido
Niquel Cadmio
El Níquel-Cadmio es una batería compuesta por un ánodo de cadmio y un cátodo de hidróxido de níquel. El electrolito está compuesto de hidróxido de potasio. La técnica de carga de esta batería es de corriente constante, ya que no existe una relación directa entre el voltaje y el nivel de carga.
Fig: 11 Batería de níquel-cadmio
Hidruro metálico de níquel
Se trata de una batería formada por un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de hidruro metálico. Es una modificación o mejora de la batería de níquel-cadmio. Las principales características se pueden ver en la siguiente tabla.
Fig: 12 Batería de hidruro metálico de níquel
Sulfuro de sodio
Este tipo de batería con nueva tecnología cuenta con un ánodo de azufre y un cátodo de sodio. El electrolito es un compuesto cerámico de óxido de aluminio que se utiliza como separador y como electrolito.
Fig: 13 Batería de sulfuro de sodio
Iones de litio
Las baterías de iones de litio se basan en compuestos con litio en ambos electrodos, normalmente con grafito en el cátodo y litio en el ánodo. El proceso de carga-descarga se basa en la inserción-desinserción de iones de litio, generando así la conversión de energía química en energía eléctrica.
Fig: 14 Batería de iones de litio
Polímero de litio
La batería Li-Po es una mejora o modificación de la batería de iones de litio, pero su principal característica es que el electrolito es un polímero sólido, permitiendo la creación de baterías diminutas debido a que el electrolito sólido ocupa menos espacio que el electrolito líquido.
Fig: 15 Batería de polímero de litio
Consideración de la batería
Veamos un ejemplo. Tenemos tres casos:
1er caso: Selecciona una batería para el mando a distancia del televisor que debería funcionar durante 1 año y consumir mucha menos energía.
Entonces, en este caso, digamos que el LED IR del control remoto debería tener una duración de batería de 1 año. Supongamos que una persona hace clic en un control remoto 100 veces al día y cada clic tarda 100 ms. El tiempo total de uso remoto será de 10.000 ms por día. Tomemos la batería de 100 mAh.
Duración de la batería = Capacidad de la batería (mAh) / Corriente de carga (mA) * 0,9
Duración de la batería = 100 (mAh) / 20 (mA) * 0,9
Duración de la batería = 4,5 horas = 16.200.000 ms
Número total de días = 16.200.000 ms/10.000 ms = 1.620 días
Número de años que la batería puede funcionar = 1620/365 = 4,4 años
Ahora, incluso una batería de 100 mAh puede durar más de cuatro años. Por tanto, podemos considerar pilas AA, AAA o AAAA con una capacidad inferior o igual a 100mAh.
2do caso: Seleccione una batería para la detección de ECG cardíaco de modo que pueda moverse con el paciente y esté siempre encendida para mostrar los signos vitales del paciente.
Veamos un ejemplo de un dispositivo IoT que mide señales biológicas. Consume 77 mA a 3,8 V. Debe funcionar continuamente durante unas seis horas antes de descargarse.
Duración de la batería = Capacidad de la batería (mAh) / Corriente de carga (mA) * 0,9
Duración de la batería = 100 (mAh) / 20 (mA) * 0,9
6 horas = Capacidad de la batería / 77 mA * 0,9
Capacidad de la batería = 513 mAh
En este caso seleccionaremos baterías secundarias, como las de iones de litio y las de níquel-cadmio, que se pueden utilizar y cuya capacidad debe ser superior a 513mAh.
3º caso: Queremos seleccionar una batería que funcione durante mucho tiempo, unos 10 años y que consuma energía moderada.
Tomemos como ejemplo una alarma contra incendios cuya carga en espera es de 250 mA, carga de alarma de 750 mA y período de espera de 24 horas con 30 minutos en condición de alarma:
Capacidad = ((Corriente de carga en espera x Hora actual de carga en espera) + 1,75 x (Corriente de carga de alarma x Hora actual de carga de alarma)) x1,25
Capacidad = 1,25((24 x 0,25) + 1,75(0,75 x 0,5))
= 1,25((6 + 0,66))
= 8,32 Ah
De este resultado, se necesitarían al menos baterías de 9Ah para mantener este sistema durante el período requerido.
Para este caso seleccionaremos baterías primarias cuya vida útil debería rondar los 10 a 15 años y tener una capacidad de 9Ah. Por lo tanto, podemos elegir cualquier batería con composición de cloruro de tionilo de litio cuyo requisito de energía cumpla con nuestros requisitos.
Consideraciones clave
Siempre debemos conocer la corriente pico (es la cantidad máxima de corriente que la salida es capaz de suministrar durante breves periodos de tiempo) del dispositivo, ya que el consumo medio de corriente no afecta a la batería. Sin embargo, la corriente de entrada puede tener un efecto adverso en la capacidad real de la batería, especialmente si no hay tiempo suficiente entre los períodos de descarga de corriente alta (ejemplo: MCU activa) para dejar que la batería descanse (ejemplo: MCU en suspensión) y se recupere. .
Para evitar estos períodos de descarga de alta corriente, debe usar un capacitor lo suficientemente grande como para suministrar corriente al dispositivo cuando la MCU está activa. Mientras el dispositivo está en reposo, la batería carga el capacitor, y cuando el dispositivo se activa y requiere una alta tasa de descarga, este capacitor suministrará corriente al dispositivo. De esta forma, la batería no pasaría por períodos de alta tasa de descarga y se podría mejorar la eficiencia de la batería.
En conclusión, si el requisito de energía es bajo o el uso de la batería es poco frecuente durante un período prolongado, se utilizará una batería primaria. Si el uso de la batería es frecuente (si las baterías primaria y secundaria son capaces de satisfacer los requisitos de energía), la elección dependerá de las preferencias del usuario.
