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Antecedentes históricos
El estudio de la electricidad gira en torno a algunos términos comunes que describen el comportamiento de la carga eléctrica. La carga eléctrica y sus fenómenos asociados son una parte fundamental del mundo en el que vivimos. La comprensión y el uso de la electricidad es en gran parte responsable de la tecnología avanzada que disfrutamos hoy: luz eléctrica, calor, computadoras digitales, televisión, música en CD, DVD de video, radar, hornos microondas, teléfonos celulares, y así sucesivamente.
Los primeros estudios registrados de "fenómenos atractivos naturales" ocurrieron entre los antiguos griegos hace más de 2.500 años. Así es, hace más de 2 mil quinientos años. En los últimos 2 o 3cientos años, y particularmente en el siglo pasado, esa comprensión ha crecido enormemente. De hecho, algunos de los trabajos más interesantes relacionados con esta discusión limitada se realizaron durante un período de 40 años entre 1785 y 1826.
La unidad fundamental de carga eléctrica es el COULOMB, llamado así por Charles Augustin de Coulomb, un físico francés (1736-1806). La concentración más pequeña de carga está contenida en un solo electrón, una partícula subatómica. El Coulomb es una cantidad extremadamente grande de carga, o dicho de manera más precisa, una carga eléctrica igual a 1 Coulomb requiere una cantidad extremadamente grande de electrones. La carga de un solo electrón es 0.00000000000000000016 Coulombs. Eso es 18 ceros delante de los 16. Dicho en la notación que los científicos prefieren, llamada por coincidencia, notación científica, esa cantidad de carga sería 1.6 x 10-19 Coulombs. Entonces 1 Coulomb de carga eléctrica representa 6.25 x 1018 electrones o 6.250.000.000.000.000.000 de electrones. Eso es un montón de electrones (6.25 billones de billones o si prefiere 6.25 billones de billones). De hecho, si cada electrón fuera tan grande como una canica, con un diámetro de ½ pulgada, podría alinearlos de extremo a extremo en línea recta y llegar desde la tierra a la luna y viceversa más de 100 millones de veces.
Entonces, ¿qué sabemos sobre la carga eléctrica, excepto que la carga en un solo electrón es bastante pequeña? Una colección de cargas eléctricas en reposo representa una cantidad de energía eléctrica almacenada o potencial. Una forma más conveniente de observar la energía eléctrica almacenada dentro de una colección de cargas eléctricas inmóviles es la capacidad potencial de las cargas eléctricas para moverse. En este contexto, hablamos de un "potencial eléctrico", descrito numéricamente o cuantificado por una cantidad de voltaje. La unidad fundamental del potencial eléctrico es el VOLT, llamado así por Alessandro Volta, un físico italiano (1745-1827).
Polaridad de carga
Para evitar la inevitable confusión resultante de tratar de hacer un seguimiento de la polaridad de carga, todas las discusiones sobre el movimiento de carga eléctrica se describirán desde la perspectiva de las cargas positivas. No se sienta frustrado si busca en un libro de física básica o electrónica fundamental y descubre que la polaridad de un electrón individual es negativa. Prácticamente todos los manuales electrónicos de aplicación de productos y la mayoría de los instrumentos electrónicos indican una concentración de carga positiva (voltaje) o el flujo de carga positiva (corriente). Sin duda, esto se deriva de las representaciones históricas de estos fenómenos por parte de los matemáticos.
Carga en movimiento
Si se le da la oportunidad, la carga eléctrica positiva comenzará a moverse en una dirección de un voltaje más alto a un voltaje más bajo. Esto es como una pelota, o un montón de canicas, rodando por una colina. Rodarán desde un punto alto a un punto bajo bajo la influencia de la gravedad. Solo se detendrán cuando el suelo cambie de forma para bloquear su movimiento. Este concepto es muy importante para el funcionamiento de todos los electrodomésticos, incluidos todos los equipos de alta tecnología mencionados anteriormente. Este hecho también es muy importante cuando se considera cómo cargar una batería.
Lo que controla el movimiento de la carga a lo largo de un camino adecuado para conducir electricidad es dos cosas. Primero, cuánto potencial eléctrico hay para forzar el movimiento de la carga y segundo, cuánta resistencia ofrece el camino al movimiento de la carga eléctrica. La resistencia del camino es como la forma del suelo. Al construir inteligentemente la ruta conductiva para el movimiento de electrones y alterar la resistencia de esa ruta en ubicaciones estratégicas, se puede producir una amplia variedad de movimientos de electrones interesantes, lo que resulta en una gran cantidad de funciones de trabajo útiles. La unidad fundamental de resistencia al movimiento de carga eléctrica es el OHM, llamado así por George Simon Ohm, un físico alemán (1787 a 1854).
Una vez que la carga eléctrica comienza a moverse, se produce una corriente eléctrica. Esta es probablemente la forma de electricidad más familiar para todos los que usan energía eléctrica. A decir verdad, es solo cuando la carga eléctrica está en movimiento que podemos extraer cualquier trabajo o información útil de las máquinas que controlan tanto las rutas a través de las cuales se mueve la carga eléctrica como el tamaño de la corriente eléctrica. El tamaño (o amplitud) de la corriente eléctrica se describe por la cantidad de carga eléctrica que se mueve más allá de un punto de referencia a lo largo de un camino conductor de referencia durante un período de tiempo de referencia fijo. La unidad fundamental de la corriente eléctrica es el AMPERE, llamado así por Andre Marie Ampere, un físico francés (1775 a 1836). Para darle una perspectiva sobre el tamaño de un amperio (o amplificador para abreviar), 1 amperio = 1 culombio de carga eléctrica que se mueve cada segundo. En términos matemáticos más concisos, 1 Amp = 1 Coulomb / Second. Hay muchos electrones que componen 1 amperio de corriente eléctrica (recuerde 100 millones de viajes de ida y vuelta a la luna). Eso también significa que 6.25 billones de billones de electrones deben pasar por el punto de referencia cada segundo.
Entonces, ahora que conocemos las partes básicas de la electricidad, ¿qué tiene esto que ver con las baterías y los cargadores de baterías? Primero deberíamos hablar sobre cómo se relacionan los voltios, amperios y ohmios. Recuerde, los Voltios resultan de la carga (Coulombs) sentados quietos y los Amperios resultan de la carga en movimiento. Entonces, al hablar de voltios y amperios, también cubrimos el cargo.
Otra cosa que descubrió George S. Ohm es que los tamaños o amplitudes de voltios, amperios y ohmios están relacionados. Hay algo llamado circuito eléctrico que también es muy importante para descubrir cómo controlar voltios, amperios y ohmios. Un circuito eléctrico es una colección de caminos conductores que posiblemente podrían permitir que se mueva la carga eléctrica.
Un circuito eléctrico CERRADO permitirá que la carga se mueva; un circuito eléctrico ABIERTO no lo hará. Pero tener un camino cerrado para moverse no es suficiente. Tiene que haber algo para empujar o tirar de la carga eléctrica a través del camino cerrado. Ese algo es voltaje (potencial eléctrico), en cantidad suficiente y con la polaridad correcta para hacer que la carga no solo se mueva, sino que también se mueva en la dirección de corrección.
Ley de Ohm
Aquí es donde el Sr. Ohm se hizo famoso, o al menos es por lo que es más recordado. La "Ley de Ohm" define cómo se mueve la carga eléctrica mediante una relación muy simple. El tamaño de una corriente eléctrica es directamente proporcional al tamaño del voltaje que lo empuja e inversamente proporcional al tamaño de la resistencia que intenta detenerlo o ralentizarlo, en el mismo circuito eléctrico cerrado. Matemáticamente, si usamos la letra "I" para representar la corriente (Amperios) y "V" para representar el voltaje (Voltios) y "R" para representar la resistencia (Ohmios), entonces la ecuación se ve así: I = (V / R ) Esta es la forma fundamental de la Ley de Ohm. Otro físico alemán Gustav Robert Kirchoff (1824 a 1887) estableció las leyes que rigen la distribución de voltaje y corriente en complejos circuitos. La mayoría de los libros de texto de análisis de circuitos eléctricos se refieren a las leyes de Kirchoff con aproximadamente la misma regularidad que la ley de Ohm.
Figura 1: Analogía mecánica, mármoles en reposo
Sin exagerar demasiado el punto, no se deje confundir por el uso de la letra "I" para representar la corriente eléctrica. En algunos textos verá la letra "E" utilizada para representar el voltaje. En ese caso, el razonamiento se debe a que el voltaje es igual al potencial eléctrico. Muchas veces el símbolo particular utilizado simplemente es el resultado de un alfabeto inglés limitado utilizado para representar más de 26 variables. Además, hay consideraciones de idioma extranjero o nombre propio. La "R" utilizada para la resistencia podría haber sido fácilmente una "O", en honor al Sr. Ohm, o una "A" podría haberse utilizado para la corriente eléctrica en honor al Sr. Ampere. Te dan la imagen.
Para tratar de comprender mejor el potencial eléctrico y el movimiento de carga, considere la analogía entre el potencial eléctrico y el potencial gravitacional como se ilustra en las Figuras 1 y 2.
Figura 2: Analogía eléctrica, carga en reposo
La analogía directa entre la distancia y el potencial de voltaje se rompe en cualquier contexto que no sea la carga almacenada separada por placas conductoras. En el sentido más general, el potencial de voltaje debido a la acumulación de carga eléctrica es directamente proporcional a la cantidad de carga e inversamente proporcional a la distancia desde la carga al realizar la medición de voltaje. Pero para los propósitos de esta discusión, la analogía del condensador de placa paralela es adecuada.
Observe la comparación entre las Figuras 1 y 2. La puerta mecánica y el interruptor eléctrico están físicamente representados de la misma manera. Y, sin embargo, el contexto de las palabras "ABIERTO" y "CERRADO" se invierten de manera idéntica. El contexto del sistema mecánico es aquel con el que estamos más familiarizados. El contexto del circuito eléctrico es opuesto en el sentido de que "cerrado" significa completar un camino conductor para el movimiento de carga (flujo de corriente) y "abierto" significa que el camino conductor se ha interrumpido.
Ahora, demos el siguiente paso y veamos qué sucede cuando las cosas comienzan a moverse. En la Figura 3, está claro que la cantidad de objetos que fluyen más allá del punto de referencia durante un período fijo de tiempo está determinada tanto por la cantidad de objetos en reposo antes de la apertura de la puerta mecánica como por la velocidad a la que se mueven más allá de la referencia punto. La pendiente de la ruta que conecta el plano de posición de reposo original y el plano de tierra mecánico determina la velocidad.
Figura 3: Analogía mecánica, mármoles en movimiento
Un hecho interesante es que el tiempo que le tomará a un objeto alcanzar el suelo será idéntico, ya sea que viaje en línea recta, vertical o a lo largo de una línea inclinada. Sin embargo, la trayectoria inclinada es físicamente más larga que la línea recta y vertical, de modo que la velocidad a lo largo de la pendiente es mayor que la velocidad a lo largo de la línea recta y vertical. Recuerda que velocidad = distancia dividida por el tiempo. Entonces, si el tiempo es el mismo y la distancia es mayor, entonces la velocidad es mayor. Todas las relaciones relacionadas con la velocidad y el movimiento en el sistema mecánico suponen que no hay fricción.
Hemos tomado una pequeña licencia literaria con el uso de la velocidad en la Figura 4. Como resultado, la velocidad del movimiento de carga es muy rápida, todo el tiempo. En realidad, en todas las configuraciones de trayectoria conductora más extrañas, la velocidad del movimiento de carga es igual o muy cercana a la velocidad de la luz, apenas 186,000 millas por segundo. Entonces, en una placa de circuito eléctrico típica, que mide menos de 1 pie en cualquier dirección, todas las partes del circuito se energizarán en una fracción pequeña (muy, muy pequeña) de un segundo.
Figura 4: Analogía eléctrica, carga en movimiento
A decir verdad, es difícil encontrar una analogía completa y simple para ilustrar el comportamiento de la carga eléctrica en movimiento. Otra analogía popular es la del movimiento fluido. La comparación intuitiva entre presión de agua y voltaje es atractiva. Pero cuando se trata de describir las relaciones de causa y efecto que determinan la amplitud de la corriente eléctrica, esa analogía también se rompe.
Continuando con la analogía mecánica del camino inclinado, en la Figura 3, es más correcto decir que la velocidad de las canicas es inversamente proporcional a la pendiente del camino. La pendiente más gradual representa una distancia más larga y, por lo tanto, una velocidad mayor. En la Figura 4, la velocidad real de la carga es casi constante en todas partes, pero en aras de la discusión, intentemos relacionar la pendiente del camino con la RESISTENCIA para cargar el movimiento a lo largo del camino. Nuevamente, comenzando con la pendiente de la trayectoria mecánica en la Figura 3, cuanto menor o más gradual sea la pendiente entre el plano de reposo inicial y el plano de tierra, mayor será la velocidad y, por lo tanto, mayor será la corriente "mecánica". En términos eléctricos, considerando la Ley de Ohm, una corriente mayor resulta de una resistencia menor. Entonces la pendiente mecánica es directamente proporcional a la resistencia eléctrica. Realmente no desea pensar demasiado en esto, porque hay muchas condiciones en las que la analogía se rompe, pero con suerte le dará una perspectiva sobre cómo relacionar la carga eléctrica y su movimiento con algo más familiar.
Como probablemente ya haya adivinado de las figuras anteriores, los símbolos esquemáticos eléctricos para las fuentes de tierra y voltaje se muestran a continuación:
El último símbolo a la derecha también se usa para una batería. Las líneas horizontales largas y cortas se utilizan para indicar celdas individuales. Técnicamente, 6 pares de líneas horizontales grandes y pequeñas representarían una batería de 12 voltios. Pero prácticamente, solo se usan 2 pares de líneas horizontales para representar una batería, independientemente de su voltaje.
El símbolo a la izquierda en la Figura 6 se usa para representar la resistencia en un diagrama esquemático eléctrico. Una flecha que apunta en la dirección en que se mueve la carga positiva representa el flujo de corriente.
Cargadores de baterías y baterías
Para hacer uso de la Ley de Ohm cuando hablamos de baterías y cargadores de baterías, necesitamos agregar una pequeña complicación más. Cada uno de los símbolos en la ecuación (I = V / R) representa las cantidades TOTALES de corriente, voltaje y resistencia que existen en una sola ruta de circuito cerrado. Afortunadamente, cuando examinamos las conexiones entre una batería y un cargador de batería, casi siempre podemos sobrevivir con solo una ruta de circuito cerrado.
Entonces, ¿cuál es el misterio de decir TOTAL? Se podría decir que es obvio. Bueno, realmente no hablamos sobre los efectos de la polaridad de carga, positiva y negativa. Los cargos similares se repelen y los cargos opuestos se atraen. De modo que dos cargas positivas o dos negativas se alejan entre sí, mientras que una carga positiva y una carga negativa se acercarán entre sí. Como las cargas eléctricas tienen polaridad, el voltaje también debe tener polaridad, porque el voltaje es solo una colección de cargas eléctricas que se encuentran alrededor. Entonces, después de conectar una batería a un cargador de batería, se debe considerar la polaridad del voltaje de la batería y el voltaje del cargador de batería para calcular correctamente cuánto voltaje (TOTAL) existe en la ruta del circuito cerrado entre esos dos dispositivos.
Cuando conecta una batería a un cargador, conecta el cable positivo del cargador al terminal positivo de la batería. Lo mismo ocurre con la conexión negativa. Como resultado, si la batería y el cargador de batería están conectados correctamente, las polaridades de sus respectivos voltajes serán idénticas y cada dispositivo tenderá a empujar la carga eléctrica hacia el otro dispositivo. Entonces, lo que tenemos aquí es algo así como un "tira y afloja", aunque en este caso sería mejor llamarlo un "impulso de guerra".
Tensiones nominales
De vuelta a la Ley de Ohm por un minuto. Para calcular cuánto voltaje hay en el circuito cerrado entre el cargador y la batería, debe calcular la diferencia entre los dos voltajes. Esto se llama una "diferencia de potencial". Afortunadamente, si tiene el cargador de batería del tamaño correcto para su batería, realmente no tiene que calcular nada, porque las leyes de la naturaleza que investigó el Sr. Ohm (y muchos, muchos otros) lo harán automáticamente por usted. Pero si aún no había comprado un cargador y no estaba seguro de cuál comprar, entonces debe pensar un poco en esto. Siempre use un cargador que tenga el mismo voltaje que su batería. Siempre coloque un cargador de 12 voltios en una batería de 12 voltios. ¡Nunca coloque un cargador de 12 voltios en una batería de 6 voltios!
Ahora puede preguntarse "OK, si tomo la diferencia entre el voltaje de la batería y el voltaje del cargador de la batería, y ambos son dispositivos de 12 voltios, y 12 menos 12 es igual a cero, entonces no me queda voltaje para crear ninguna corriente eléctrica. ¿Lo que da?"
Como suele ser cierto, las cosas no siempre son lo que parecen ser. Es cierto que llamamos una batería de 12 voltios una batería de 12 voltios y que llamamos un cargador de 12 voltios un cargador de 12 voltios. Lo que no es cierto es que en cualquier momento dado, el voltaje producido por cualquiera de estos dispositivos será exactamente de 12 voltios. De hecho, una batería de 12 voltios cambiará entre casi 13 voltios y 11.5 voltios a medida que pase de estar completamente cargada a estar completamente descargada. En realidad, mientras está conectado a una carga, el voltaje de la batería de 12 voltios puede caer a solo 2 o 3 voltios, pero esto representa una sobrecarga severa. Hablaremos más sobre eso un poco más tarde. Del mismo modo, un cargador de batería de 12 voltios puede producir un voltaje tan alto como 16 o 17 voltios para recargar adecuadamente una batería de 12 voltios. Así que recordemos que tanto una batería como un cargador pueden producir un rango de voltajes de alrededor de 12 voltios, pero que es más fácil llamarlos dispositivos de "12 voltios". Nos referimos a 12 voltios como la clasificación de voltaje nominal del dispositivo.
Por lo tanto, probablemente podamos adivinar que en cualquier momento dado mientras se carga la batería, la diferencia entre el voltaje de la batería y el voltaje del cargador no es cero. De hecho, si el cargador funciona correctamente, el voltaje del cargador siempre será mayor que el voltaje de la batería, incluso cuando funciona en modo de mantenimiento o flotante. Eso significa que la corriente eléctrica (el movimiento de la carga eléctrica) siempre estará en la dirección del cargador a la batería. También podríamos llamar a eso la "dirección del flujo de corriente positivo".
La resistencia es la otra parte del rompecabezas que ahora debemos considerar. ¿Qué conduce la carga eléctrica? Los metales son buenos: cobre, aluminio, plata, oro, titanio y aleaciones como el latón y el acero; Todo tipo de metales conducen carga eléctrica. Ah, por cierto, el plomo también es un metal. Eso será útil cuando hablemos de las baterías de plomo-ácido. Llamamos a algo que conduce bien la carga eléctrica un "conductor".
¿Qué no conduce muy bien la carga eléctrica? En realidad, cualquier cosa que no sea un buen conductor calificaría. Llamamos a algo que no es un buen conductor un "aislante". Ahora, si yo hubiera dicho primero "aislante", entonces inmediatamente habrías pensado en cosas como el caucho, el plástico, el papel, etc.
Los alambres y cables eléctricos están formados por al menos dos partes. Primero, hay un conductor para guiar el flujo de carga eléctrica. En segundo lugar, hay un aislante, generalmente envuelto alrededor del conductor para que sea seguro de manejar y para permitir que muchos cables entren en contacto cercano sin alterar el flujo de carga eléctrica en ninguno de los cables individuales.
resistencia
Entonces, ¿qué es la resistencia? En realidad, cada sustancia tiene cierta resistencia al flujo de carga eléctrica. Los conductores tienen muy poca resistencia. Los aisladores tienen una tremenda cantidad de resistencia. En las prácticas rutas de circuito eléctrico cerrado, en cada máquina o aparato eléctrico, hay una amplia variedad de componentes que tienen diferentes cantidades de resistencia. Pero nuevamente, necesitamos hablar sobre la resistencia TOTAL para poder calcular cuánta carga eléctrica fluirá. Ahora voy a comenzar a decir "flujo de corriente eléctrica". El "flujo de carga eléctrica" es más correcto, pero casi todos los involucrados en el estudio o la aplicación práctica de la electricidad dicen "flujo de corriente eléctrica".
Una cosa práctica que influye en la resistencia es el contacto físico de la superficie entre dos componentes en una ruta de circuito cerrado. La soldadura genera el mayor porcentaje de contactos superficiales entre conductores en aparatos eléctricos. Efectivamente, este es un proceso de soldadura, y si se realiza correctamente, la ruta conductora resultante es casi perfecta. En ese caso, prácticamente no hay resistencia en una buena "unión de soldadura", siempre que el tamaño de la corriente eléctrica a través de ella no exceda la clasificación de los componentes que se unieron.
Son todos los otros métodos de conexión de componentes, además de soldar o soldar, los que generalmente resultan en cierta “resistencia de contacto”. Para baterías y cargadores de batería, el tamaño de los cables de interconexión suele ser bastante grande. La mayoría de las veces se utilizan terminales de anillo o pinzas de cocodrilo al final de los cables del cargador de batería para hacer contacto con los terminales o postes de la batería. Si los terminales de la batería están sucios u oxidados, existe una buena posibilidad de que haya una mayor resistencia en la ruta del circuito cerrado una vez que el cargador esté conectado a la batería. A medida que se agrega más resistencia al total en la ruta del circuito cerrado, entonces fluirá menos corriente eléctrica desde el cargador hacia la batería.
Los otros 2 componentes principales de la resistencia eléctrica en el circuito cerrado son las resistencias internas tanto de la batería como del cargador. Estas resistencias son el resultado de una amplia variedad de fuentes y son difíciles de definir con precisión, solo por el conocimiento de lo que hay dentro de cada dispositivo. Esto es particularmente cierto en el caso de la batería. Los valores exactos de estas resistencias generalmente se determinan al probar el dispositivo. Afortunadamente, todas las resistencias en el circuito cerrado de carga de la batería suelen ser lo suficientemente pequeñas como para que la única limitación sobre la cantidad de corriente eléctrica que fluirá es la clasificación de corriente de salida, o el límite de corriente, del cargador. Esencialmente, un cargador de batería ve una batería completamente descargada como una conexión de cortocircuito. Solo cuando el voltaje de la batería comienza a acercarse al voltaje de salida del cargador, la pequeña resistencia total, incluida la resistencia interna de la batería, la resistencia interna del cargador y la resistencia del cable, se vuelve significativa al calcular cuánta corriente fluirá desde el cargador en la batería.
Carga de una batería, circuitos eléctricos equivalentes
Ahora con todo conectado y el cargador encendido, todo lo que ocurra será un resultado directo de la Ley de Ohm. Si el voltaje de la batería es muy bajo, la diferencia de voltaje total entre la batería y el cargador es mayor y fluirá más corriente eléctrica hacia la batería. Si el voltaje de la batería es más alto, como cuando está casi completamente cargado, entonces esa diferencia es menor y fluirá menos corriente. Si hay un mal contacto eléctrico en el circuito, entonces fluirá menos corriente, o tal vez incluso no fluirá corriente. Si no fluye corriente, entonces decimos que tenemos un circuito ABIERTO. Entonces, si todo está conectado correctamente y todas las conexiones eléctricas son buenas, entonces el flujo de corriente fuera del cargador probablemente estará en su límite nominal, al menos por un tiempo. Más adelante discutiremos algunas diferencias en los tipos de cargadores y los métodos de control de corriente de carga.
Figura 7: Modelo de carga de la batería: detallado
El diagrama de circuito que se muestra en la Figura 7 tiene mucha información. Primero, los 2 cuadros verdes representan la batería y el cargador de batería. Cada caja tiene una fuente de voltaje y una resistencia en su interior. Esos dos elementos representan el modelo eléctrico más simple tanto para la batería como para el cargador de batería. Aunque el modelo es simple en términos matemáticos, será suficiente para ayudarnos a comprender la interacción entre la batería y el cargador de la batería.
Todos los voltajes externos a la batería y al cargador están etiquetados en azul. Los voltajes externos se pueden medir con un medidor. Todos los voltajes de la batería interna y del cargador de batería están etiquetados en negro. Los voltajes internos NO PUEDEN medirse con un medidor. Debemos deducir su valor de nuestro conocimiento de la batería y el comportamiento del cargador de batería y de los valores de los voltajes que podemos medir y del valor de ICHG. Lo bueno de un circuito conectado en serie es que la corriente eléctrica es la misma en todas partes, por lo que "ICHG" se puede medir fuera de las cajas y sabemos que es lo mismo dentro de las cajas.
La fuente de voltaje de la batería está etiquetada "VBAT_OC y la fuente de voltaje del cargador está etiquetada" VCHGR_OC ", donde el OC significa circuito abierto. Observe que cada uno de estos voltajes es variable. VBAT_OC varía con el estado de carga (SOC) de la batería. VCHGR_OC varía por las acciones de los dispositivos electrónicos de control interno de los cargadores de batería que están determinados en gran medida por los detalles del algoritmo de carga.
Dentro de cada caja hay una resistencia que modela las pérdidas internas de la batería ("RBAT") y el cargador de batería ("RCHGR"). Cada una de estas resistencias tiene un voltaje asociado, "VRBAT" y "VRCHGR". Fuera de las cajas hay otras dos resistencias etiquetadas "RWIRE1" y "RWIRE2". Estas dos resistencias modelan las resistencias de los cables de conexión y la resistencia de contacto entre los bornes de la batería y las terminaciones del cable del cargador (generalmente terminales de anillo o pinzas de cocodrilo).
Las flechas azules indican la corriente que fluye del cargador a la batería y de regreso al cargador. La línea pesada y todas las fuentes de voltaje y resistencias conectadas a ella forman una ruta de circuito cerrado. Es interesante observar la orientación de las polaridades positivas y negativas marcadas en cada voltaje mientras sigue las flechas azules alrededor del circuito cerrado. La punta de la flecha golpea primero el símbolo de polaridad positiva en cada elemento con la excepción de la fuente de voltaje dentro del cargador. En este diagrama, la fuente de voltaje de la batería se comporta como una carga porque la orientación de sus marcas de polaridad es exactamente la misma que para las resistencias en el bucle.
Los dos voltajes externos "VBATTERY" y "VCHGR" no solo se pueden medir con un medidor, sino que se pueden calcular a partir del conocimiento de la batería y las características del cargador de batería. El proceso de asignar valores a estos dos voltajes externos es importante porque nos ayuda a comprender por qué ambos voltajes pueden tener valores diferentes de lo que normalmente podríamos esperar, ya que la batería y el cargador de batería están sujetos a diferentes condiciones de funcionamiento.
Figura 8: Modelo de carga de la batería: simplificado con un ejemplo numérico
Para comenzar este proceso, considere los 2 circuitos que se muestran en la Figura 8. Aquí hemos aislado los componentes de la batería y representado el resto de los cables de conexión y los elementos del cargador de la batería mediante una sola fuente de voltaje etiquetada "Vchg_source". Lo que queremos hacer es centrarnos en los 2 elementos internos que se utilizan para modelar la batería. Como estos 2 elementos interactúan con la corriente de carga, el impacto en el voltaje externo VBATTERY será medible y predecible.
Lo que sucede es que la resistencia interna de la batería desarrolla un voltaje porque la ley de Ohm nos dice que lo hará cuando pase una corriente eléctrica. Cuando la corriente eléctrica entra en la batería mientras se está cargando, la polaridad del voltaje en la resistencia de la batería interna es la misma que en la fuente de voltaje variable interna. Esto significa que los dos voltajes se sumarán a medida que hagamos un inventario alrededor del circuito cerrado. El voltaje externo VBATTERY = VRBAT + VBAT_OC. En el circuito de la derecha en la Figura 8, asignamos algunos valores. El resultado es que tan pronto como se aplica la corriente de carga a la batería, su voltaje salta inmediatamente a un valor más alto debido a la resistencia interna de la batería. A medida que la batería comienza a recargarse, el valor de VBAT_OC aumentará, al igual que el valor de VBATTERY. Lo importante para recordar es que el voltaje que podemos medir directamente, VBATTERY, cambiará instantáneamente a pesar de que el SOC de la batería no ha cambiado.
Descarga de una batería, circuitos eléctricos equivalentes
Ahora veamos la situación inversa. ¿Qué sucede cuando la batería entrega corriente a una carga?
Figura 9 Modelo de descarga de la batería: simplificado con un ejemplo numérico
Los 2 diagramas de la Figura 9 muestran lo que sucede con el voltaje desarrollado por la resistencia interna de la batería cuando la batería suministra corriente a una carga. El diagrama de la izquierda muestra la configuración básica donde la carga de la batería se modela como una fuente de corriente constante, etiquetada "IDISCHG_LOAD. El diagrama de la derecha asigna valores numéricos y muestra un resultado interesante. Primero, el VBAT_OC = 12.9 V representa una batería completamente cargada de 12 voltios. En segundo lugar, la corriente de descarga de 100 amperios está comenzando a acercarse al tamaño de las corrientes de arranque del motor en estado estacionario para motores pequeños. a 400 A en la corriente pico requerida para hacer que el motor de arranque gire.) En tercer lugar, y lo más importante, observe cómo cambia la polaridad del voltaje a través de la resistencia interna de la batería. Ahora ese voltaje se resta del total medido a través de los terminales de la batería. La magnitud de ese voltaje cae instantáneamente en 1 voltio aunque el SOC de la batería no ha cambiado. Obviamente, con el tiempo, el valor equivalente de circuito abierto del voltaje de la batería caída en respuesta a su SOC reducido.
Tiempo requerido para cargar una batería
Tomemos un momento y hablemos de dos de las cantidades eléctricas fundamentales, amperios y culombios. Una batería almacena carga (Coulombs) y una corriente eléctrica (Amperios) está compuesta de carga que se está moviendo. Hagamos una pregunta muy importante: ¿cuánto tiempo llevará cargar una batería? Esta pregunta es tan importante que se repite en la sección titulada Preguntas frecuentes. Si observa las especificaciones y clasificaciones de la batería, no encontrará Coulombs en ninguna parte. Lo que probablemente encontrarás es Amp-Hours. Veamos ese término. Amperios por Horas = (Coulombs por segundo) por 3600 segundos (en 1 hora). Entonces, 1 amperio-hora = 3600 culombios. Eso sigue siendo un poco confuso. Lo principal a recordar es que Amp-Hours y Coulombs son unidades que describen una cantidad de carga eléctrica.
Probemos otra cosa. Supongamos que tengo una batería de 50 amperios por hora. Ese es un tamaño bastante típico para una batería de arranque de motor automotriz. Ahora digamos que tengo un cargador de 10 amperios. Si es un buen cargador (como los productos Battery Tenderâ), entregará cerca de 10 amperios durante el tiempo que sea necesario para que el voltaje de la batería alcance su nivel de recarga. Entonces, ¿cuánto tiempo llevará cargar la batería? Podemos hacer una suposición bastante buena simplemente dividiendo dos números:
(Capacidad de la batería) / (Corriente del cargador) = Tiempo
(Amperios-hora) / (amperios) = horas
para este ejemplo:
(50 amperios-hora) dividido por (10 amperios) = 5 horas.
Por lo tanto, estimaríamos que tomará un buen cargador de 10 amperios unas 5 horas para recargar una batería de 50 amperios por hora. En realidad, esta estimación aproximada generalmente nos dice cuánto tiempo lleva recargar la batería hasta aproximadamente el 80% de su capacidad. Resulta que probablemente tomará la misma cantidad de tiempo u otras 5 horas para recargar el último 20% de la capacidad de la batería. Tenga en cuenta también que muchos de los cargadores de 10 amperios en el mercado hoy en día son lo que llamamos cargadores cónicos. Por lo general, se venden por $ 25.00 a $ 40.00 al por menor. Con esos tipos de cargadores, los tiempos de carga que acabamos de calcular probablemente necesiten duplicarse.
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