Transcript Baterias

Baterias
PTC2527 – Anteprojeto de Formatura
Guido Stolfi – 05 / 2014
Guido Stolfi
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O que é uma Bateria?
• Célula Eletroquímica
– Converte energia química em elétrica através de reação
de óxido-redução
• Estrutura:
– Anodo: eletrodo negativo, libera elétrons ao circuito
externo enquanto é oxidado
– Catodo: eletrodo positivo, absorve elétrons do circuito
externo enquanto é reduzido quimicamente
– Eletrólito: condutor iônico, transfere carga elétrica entre
anodo e catodo na forma de íons
– Separador: permeável aos íons, evita contato elétrico entre
anodo e catodo
Guido Stolfi
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O que é uma Bateria?
• Bateria:
– Estritamente, é um conjunto de células associadas
em série e/ou paralelo, para aumentar a voltagem e /
ou capacidade de energia
– Uso coloquial genérico para células secundárias
• Pilha:
– Denominação genérica, originária da “Pilha de Volta”
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Origens
• Pilha de Volta
– Descoberta de Alessandro Volta (Itália,
1800)
– “Pilha” de células Zn-H
– Anodo: Zinco
– Catodo: Cobre ou Prata
– Eletrólito: Solução de Ácido Sulfúrico ou
água salgada
– Separador: Tecido ou papel
– Reação anódica: Zn → Zn2+ + 2 e−
– Reação catódica: 2 H++ 2 e− → H2
– Voltagem: ~ 0,7 V por célula
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Célula Partiana (Bagdá, 250 A.C.)
Guido Stolfi
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Pilhas e Baterias
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Classificação das Células Eletroquímicas
• Célula Primária
• Célula Secundária
• Célula de Reserva
• Célula de Combustível
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Célula Primária
•
•
•
•
•
•
•
Reação química irreversível
Não são projetadas para (ou não podem) ser recarregadas
Alta capacidade específica (Wh / kg ou Wh / cm3)
Longa vida em uso e armazenamento
Baixo custo, ampla disponibilidade
Livres de manutenção
Uso geral (“Pilhas Inclusas”)
• Ex.: Leclanché (Zn/MnO2), Alcalina (Zn/MnO2 /KOH), Lítio (Li/SO2,
Li/MnO2,), Óxido de Prata (Zn/Ag2O), Mercúrio (Zn/HgO)
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Célula Primária
DE
+
DE
CÁTIONS
CATODO
DE
FLUXO
ELETRÓLITO
ÂNIONS
ANODO
– Reação anódica (oxidação):
Li → Li+ + e−
– Reação catódica (redução):
MnO2 + e− → MnO2 −
– Reação total de descarga:
Li + MnO2 → Li+ + MnO2− (LiMnO2)
FLUXO
-
ELÉTRONS
FLUXO
CARGA
• Operação durante a descarga
(exemplo):
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Célula Secundária
•
•
•
•
•
•
•
Reação química reversível
Projetada para ser recarregada invertendo o sentido da corrente
Custo maior, porém mais econômicas ao longo do uso
Boa capacidade específica (Wh / kg ou Wh / cm3)
Alta capacidade de corrente de descarga
Menor retenção de carga
Uso geral e como armazenamento de energia
• Ex.: Chumbo-ácido (Pb/PbO2), Níquel-Cádmio (Cd/NiOOH), Lítio-íon
(LiC/LiCoO2), Ferro-níquel (Fe/NiOOH), Sódio-enxofre (Na/S)
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Célula Secundária
DE
+
DE
FLUXO
CÁTIONS
CATODO
DE
FLUXO
ELETRÓLITO
ÂNIONS
ANODO
– Reação anódica (oxidação):
Cd + 2 OH− → Cd(OH)2 + 2 e−
– Reação catódica (redução):
NiOOH + H2O + e − →OH− + Ni(OH)2
– Reação total de descarga:
Cd + 2 NiOOH + 2 H2O →
→ Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2
-
ELÉTRONS
FLUXO
CARGA
• Operação durante a descarga
(exemplo):
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Célula Secundária
DE
+
ELÉTRONS
DE
DE
FLUXO
CÁTIONS
FLUXO
-
ELETRÓLITO
ÂNIONS
ANODO
CATODO
– Sentido da corrente inverte
– Catodo e Anodo trocam de denominação
– Reação anódica (oxidação):
Ni(OH)2 + OH− → NiOOH + H2O + e −
– Reação catódica (redução):
Cd(OH)2 + 2 e− → Cd + 2 OH−
– Reação total de carga:
Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2 →
→ Cd + 2 NiOOH + 2 H2O
FLUXO
GERADOR
• Operação durante a carga (exemplo):
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Célula de Reserva
•
•
•
•
•
•
•
•
Célula Primária de Ativação
Um dos elementos / reagentes está separado dos demais
Ativação por fusão, ruptura de barreira, gás, água do mar etc.
Vida extremamente longa em reserva ( 10 ~ 50 anos)
Rápida ativação ( milissegundos)
Alta capacidade específica
Curta vida útil após ativação
Uso militar, equipamentos de emergência
• Ex.: Magnésio-água (Mg/AgCl + H2O ), Zinco-manganês+água
salgada, Zinco-amônia (Zn/PbO2 + NH4SCN), Lítio-clorato (Li +
SOCl2),
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Célula de Reserva
Civil:
Ativação por
Imersão em água
salgada
Militar:
Ativação por
Impacto/ centrifuga
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Célula de Combustível
•
•
•
•
•
Célula Primária
Um ou mais dos elementos são inseridos continuamente
Eletrodos inertes, em geral catalisadores
Em estado experimental em muitos casos
Uso aeroespacial, outras aplicações emergentes
• Ex.: Hidrogênio-oxigênio (H2 / O2), Metanol-ar (CH3OH / O2)
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DE
FLUXO
+
PERMEÁVEL
H
MEMBRANA
H2O
CATODO
+
ELÉTRONS
ANODO
2
O
2
H
– Membrana permeável: Freon +
ácido trifluorometanosulfônico
– Eletrodos: PTFE / platina /
carbono
– Reação anódica:
– H2 → 2 H+ + 2 e−
– Reação catódica:
– ½ O2 + 2 H+ + 2 e− → H2O
CARGA
Célula de Combustível
– Reação total de descarga:
H2 + ½ O2 → H2O
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Características Gerais das Células
Eletroquímicas
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Voltagem da Célula
Potencial eletromotivo padrão para reações químicas
Oxidante
Eo (V)
Redutor
Oxidante
Eo (V)
Redutor
F2
+2.87
F-
H3O+
0.00
H2 (g)
S2
+2.10
SO42-
CH3CO2H
-0.12
CH3CHO
MnO4-
+1.69
MnO2
Pb2+
-0.13
Pb
MnO4-
+1.51
Mn2+
Sn2+
-0.14
Sn
Au3+
+1.50
Au
Ni2+
-0.23
Ni
PbO2
+1.45
Pb2+
Cd2+
-0.40
Cd
Cl2 (aq)
+1.39
Cl-
Fe2+
-0.44
Fe
Cr2O72-
+1.33
Cr3+
Zn2+
-0.76
Zn
O2 (g)
+1.23
H2O
Al3+
-1.66
Al
Br2
+1.07
Br-
Mg2+
-2.37
Mg
NO3-
+0.96
NO(g)
Na+
-2.71
Na
Ag+
+0.80
Ag
Ba2+
-2.90
Ba
Fe3+
+0.77
Fe2+
K+
-2.92
K
I2 (aq)
+0.62
I-
Li+
-3.02
Li
Cu2+
+0.34
Cu
CH3CHO
+0.19
CH3CH2OH
SO42-
+0.17
SO2
S4O62-
+0.09
S2O32Guido Stolfi
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c
R
p
c
CARGA
Vout
o
E
I
e
R
R
Circuito Equivalente da Célula
• E0 = Voltagem teórica, depende dos materiais do anodo e
catodo, do eletrólito e da temperatura
• Re = Resistência de condução do eletrólito (iônica) e dos
eletrodos (ôhmica)
• Rp = Polarização de ativação (energia necessária para
vencer a polarização dos eletrodos)
• Rc = Polarização por concentração (devida à variação de
concentração dos íons na vizinhança dos eletrodos)
Guido Stolfi
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c
R
p
c
CARGA
Vout
o
E
I
e
R
R
Circuito Equivalente da Célula
Guido Stolfi
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Descarga da Célula
• À medida que os reagentes são consumidos:
• Tensão em aberto diminui pouco
• Tensão em carga diminui mais
• Resistência interna aumenta
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Efeito da Temperatura
• À medida que a temperatura aumenta:
• Capacidade total aumenta
• Resistência interna diminui
• Corrente de fuga (auto-descarga) aumenta
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Capacidade de uma Bateria
– Vida útil: enquanto a tensão em operação estiver
acima da tensão final
– Tensão final: ponto a partir do qual a energia
disponível cai rapidamente, ou
– Ponto a partir do qual a bateria perde capacidade
de recarga (células secundárias)
– Capacidade total: pode ser medida em A.h, W.h
ou Joules (1 W.h = 3600 J)
– Capacidade efetiva pode ser muito menor que a
capacidade teórica (calculada a partir da energia
química dos reagentes)
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Capacidade Específica de uma Bateria
– Energia disponível em relação à massa da bateria
(em comparação com outras formas de energia)
Material
Energia (J / kg)
Pilha alcalina, Lítio-íon
5 x 105
Bateria Chumbo-ácido
1,8 x 105
Célula de Combustível H2
5 x 106 ~ 3 x 105
Gasolina, GLP
4,6 x 107
Urânio (Fissão nuclear)
8 x 1013
• Capacidade efetiva depende da forma de descarga
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Descarga com Resistência Constante
L
R
Vcc
1,5
1,5
1
B
R
Ex.: Lanterna, rádio de
pilha, etc.
Desempenho varia ao
longo do tempo
Descarga mais rápida
no início e lenta no
final
Guido Stolfi
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Descarga com Corrente Constante
c
A
Vcc
1,5
0,8
1
B
I
Ex.: Circuito com
regulador de tensão
linear
Desempenho
constante ao longo do
tempo
Descarga mais rápida
Guido Stolfi
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Descarga com Potência Constante
o
W
Vcc
1,5
1
1
B
P
Ex.: Circuito com
regulador de tensão
chaveado
Desempenho
constante ao longo do
tempo
Descarga acelerada no
final
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Modos de Descarga
– Para mesma potência disponível no final da
vida da célula, o modo de descarga com
potência constante possui a maior eficiência
(maior vida útil da carga da bateria).
– Capacidade da bateria depende do modo de
descarga.
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Curvas de Descarga de Células
Tipos:
P = Primária
S = Secundária
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Efeito da Temperatura
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Auto Descarga (Vida Útil de Prateleira)
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Áreas de Aplicação das Baterias
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Capacidades Práticas e Teóricas
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Células Primárias
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Células Primárias
Tipo
Características
Aplicações
Zn-C / NH4Cl
(Zn-MnO2, Leclanché)
Baixo custo, variedade
de tamanhos
Brinquedos, lanternas,
produtos de consumo
de vida útil curta
Zn-MnO2+KOH
(Alcalina)
Excelente capacidade,
custo moderado,
elevada vida útil
Uso geral em
equipamentos portáteis,
sem fio, altas e baixas
temperaturas
Lítio
Alta capacidade, longa
vida útil e de prateleira
Backup de memórias
RAM, relógios
Zn-Ag2O (Prata)
Maior capacidade por
peso, descarga com
tensão constante
Relógios, próteses
auditivas
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Curvas de Descarga
Pilhas tamanho AA
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Pilha Leclanché
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Pilha Alcalina
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Pilha de Zinco - Prata
Descarga com
resistência constante
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Células de Lítio
Eletrólito sólido: Li-LiI(Al2O3)/PbI2/Pb (1,9V) etc.
Catodo sólido: Li-MnO2 (3,0V) , Li-FeS2 (1,5V), Li-CuO (1,5V) etc.
Catodo Solúvel: Li-SO2 (3,0V), Li-SOCl2 (3,6V), Li-SO2Cl2 (3,9V) etc.
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Curvas de Descarga
Célula Li-SOCl2 (3,6V), tamanho “D”,
Guido Stolfi
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Curvas de Descarga – Células tipo “Moeda”
Células Li-MnO2
(3,0V),
tamanho CR2032
Guido Stolfi
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Capacidade x Corrente x Temperatura
Células Li-MnO2
(3,0V),
tamanho CR2032
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Células Secundárias
Guido Stolfi
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Células Secundárias
Tipo
Chumbo-ácido
Níquel-Cádmio
Níquel – Hidreto
Metálico
Características
Aplicações
Baixo custo, bom
desempenho em baixas
temperaturas, alta
capacidade de descarga
Veículos, “No-Breaks”,
energia solar/eólica,
barcos
Baixo custo, bom
desempenho em baixas
temperaturas, longa vida útil
Ferramentas portáteis,
equipamentos de
comunicação,
substituição de pilhas
alcalinas
Selada, capacidade maior,
menores problemas
ecológicos
Idem, veículos elétricos,
aparelhos de consumo
Guido Stolfi
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Células Secundárias
Tipo
Características
Aplicações
Níquel - Ferro
Durável, longa vida, alta
robustez, baixa capacidade
específica
Aplicações
estacionárias, material
ferroviário
Níquel - Hidrogênio
Longa vida com descargas
profundas
Aeroespaciais, satélites
Níquel – Zinco
Alta capacidade específica,
longa vida
Veículos elétricos
Alta capacidade específica,
longa vida, carga rápida
Equipamentos e
ferramentas portáteis,
veículos elétricos,
aeroespaciais
Lítio - Íon
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Curvas de Descarga
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Efeito da Temperatura
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Vida Útil com Descarga Profunda
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Curvas de Carga
Carga a corrente
constante
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Métodos de Carga Recomendados
Tipo
Método
recomendado
Corrente de
carga (xC)
Tolerância
a sobrecarga
Faixa de
temperatura
Eficiência
(Wh, %)
Li - Ion
CC, TC
0,2
Não
-20 ~ +50
95
Pb - PbO
CC, TC
0,07
Boa
-40 ~ +50
75
Ni - Cd
CC, TC
0,2
M. boa
-50 ~ +40
60
“ selada
CC
0,1 ~ 0,3
M. boa
0 ~ 40
60
Ni – Zn
CC, TC
0,1 ~ 0,4
Boa
-20 ~ +40
70
Ag - Zn
CC
0,05 ~ 0,1
Fraca
0 ~ +50
75
Zn – MnO2 TC
0,01 ~ 0,2
Boa
+10 ~ +30
60
CC = Corrente Constante
TC = Tensão Constante
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Célula Chumbo - Ácido
Guido Stolfi
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Curvas de Descarga (Baterias seladas)
Guido Stolfi
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Método de Recarga
•
•
•
•
•
•
Corrente constante 0,1 x C (carga total em 12 h) (*)
Corrente constante em duas etapas (8 h)
Tensão constante (2,35V) com limitação de corrente (5h)
Carga pulsada (medição de tensão sem carga)
Compensação da auto descarga, a 0,01 x C
Flutuação, tensão constante, ~0,15V acima da tensão em aberto (**)
(*)
(**)
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Célula de Níquel - Cádmio
Descarga para célula
tamanho AA (650 mAh)
RC, CC, PC
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Célula de Níquel - Cádmio
Carga de célula Ni-Cd selada
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Métodos de Carga
a) Tensão
quase
constante
(carga com
resistor)
a) Controle por
tempo
b) Controle por
temperatura
c) Controle por
queda de
tensão (-10
mV)
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Baterias Automotivas Ni - MH
Módulos de 320V, 30 kWh
(~ 10 litros de gasolina)
Guido Stolfi
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Células Secundárias de Lítio
Características particulares:
a) Alta densidade de energia e baixo peso (150
Wh/kg, 400 Wh/litro)
b) Células de alta voltagem (até 4 V)
c) Vida de prateleira longa (5 a 10 anos)
d) Capacidade de corrente moderada
e) Baixo desempenho em temperaturas reduzidas
f) Baixa vida em número de ciclos
g) Perigo de explosão
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Célula de Lítio – Polímero Laminada
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Curvas de Carga – Li-Ion
Carga a corrente constante (1 x C) até 4,2 V (20 oC), depois tensão constante por 2 horas
Guido Stolfi
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Outras Aplicações
Sistema de armazenamento de energia de 48 MWh (170 GJ)
usando baterias de sódio / enxofre (alta temperatura)
(NGK, Ohito, Japão)
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Uso de Baterias em Circuitos Eletrônicos
Guido Stolfi
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Série
Série-paralelo
Vcc
3
Vcc
3
Vcc
3
Vcc
3
Vcc
3
NTC
8
B
4
B
8
B
4
B
4
B
Vcc
3
Vcc
3
Vcc
3
Vcc
3
Vcc
3
7
B
3
B
7
B
3
B
3
B
2
F
1
F
Vcc
3
Vcc
3
Vcc
3
Vcc
3
Vcc
3
6
B
2
B
6
B
2
B
2
B
Vcc
3
Vcc
3
Vcc
3
Vcc
3
Vcc
3
5
B
1
B
5
B
1
B
1
B
+12V
+12V
+12V
C
T
P
Baterias (Associações de Células)
Série-paralelo com Diodos
de proteção, fusíveis etc.
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Reguladores para uso com baterias
• Situações a serem consideradas:
1- Voltagem final da bateria é maior que a tensão de trabalho da
carga
2- Voltagem máxima (inicial e/ou em carga) é menor que a tensão de
trabalho da carga
3- Voltagem máxima é maior e tensão final é menor que a tensão de
trabalho
4- Carga suporta voltagem máxima e mínima da bateria.
Guido Stolfi
65 / 87
1,224V
=
VFB
mA
100
<
Iout
1
6
4
u
0
k
4
4
2
R
NR/FB
k
D
N
G
1
B
0
5
1
TPS736901
2
Vcc
9
5,4V
=
0,9
x
6
=
MIN
Vin
N
E
L
R
1
R
3
9,6V
=
1,6
x
6
=
Max
Vin
Vcc
5,0
=
Vout
T
U
O
V
5
VIN
1
1
U
0,1V
>
dropout
V
1 – VBAT > VLOAD
Ex.: Regulador linear LDO (Low Drop-Out)
(corrente constante)
Guido Stolfi
66 / 87
1 – VBAT > VLOAD
N
1
L
R
1
R
2
R
u
0
1
N
O
OFF
2
NR/FB
4
Vcc
9
B
L
VIN
u
0
1
5
O
1
1
U
Ex.: Regulador Chaveado (“Buck” ou “Step-Down”)
(potência constante)
Guido Stolfi
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2 – VBAT < VLOAD
1
Vcc
5,0
=
VIN
u
0
L
R
u
0
2
W
1
R
2
R
MC34063
NR/FB
4
Vcc
2,8V
=
MIN
Vin
3
S
1
B
1
V
3,6
=
Max
Vin
1
5
Vout
1
U
L
D
Ex.: Regulador Chaveado (“Step-Up”)
(potência constante)
Guido Stolfi
68 / 87
u
0
1
C11
MSD7342-103
u
0
1
n
3
3
D10
5
4
2
W
S
D
N
G
R19
4
10,0k
1
ADP1612
8
C
3
C10
9
C
p
0
3
3
1
T
1
D
VIN
N
E
u
0
1
6
3
k
0
1
R18
FRQ
B
F
7
2
6
C
Vcc
3,3
=
Vout
S
S
COMP
8
1
2,4V
=
MIN
Vin
6
U
Vcc
3
16,9k
1
B
5,5V
=
Max
Vin
R16
u
0
1
D
D
V
k
0
1
R14
3 – VBAT MIN < VLOAD < VBAT MAX
Ex.: Regulador SEPIC (“Single Ended Primary
Inductance Converter”)
Guido Stolfi
69 / 87
3 – VBAT MIN < VLOAD < VBAT MAX
W
S
1
1
u
0
Vcc
5,0
=
Vout
u
0
1
R
1
VCC
NR/FB
L
2
R
Vcc
6
3,6V
=
0,9
x
4
=
MIN
Vin
VREF
1
B
1
D
6,4V
=
1,6
x
4
=
Max
Vin
VIN
U
Ex.: Regulador Chaveado Inversor
(bateria não aterrada)
Guido Stolfi
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4 – VBAT MIN > VLOAD MIN e VBAT MAX < VLOAD MAX
– Desempenho do equipamento pode sofrer variação ao
longo da vida da bateria
– Variação de desempenho indica estado de carga
– Equipamento deve prever situação além do fim da vida
útil
– Casos típicos: relógio, calculadora, circuitos analógicos
simples
– Considerar tecnologias específicas de baterias com
tensão de descarga constante
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Reguladores para uso com baterias
Considerações:
– Corrente quiescente do regulador
– Queda de tensão em diodos
– Proteção por sub-tensão (“Under-Voltage Lockout”) em
baterias secundárias
– Função ON / OFF integrada ao regulador
– Custo x Eficiência
Guido Stolfi
72 / 87
1
C
4
D
N
G
SDA
1
Vcc
3
B
M41T0
k
1
N
3
T
U
O
X
O
F
u
5
1
R
1
SCL
6
1
D
32kHz
2
XIN
1
X
1
U
7
VCC
8
2
D
VCC
Baterias de Back-up
Ex.: Bateria de Li-MnO2, 170 mAh
Corrente consumida pelo relógio: 5 uA
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Medição de Estado de Carga
Problema: determinar a carga residual em uma
bateria
– Voltagem x temperatura
– Contabilidade de Carga entrando / saindo
– Medição de impedância
– Identificação do tipo de bateria
– Identificação de número de células
– Detectar células em curto
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Exemplo de Dispositivo para Medição
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Identificação de Estado de Operação
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Circuito para Controle de Carga
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Circuito para Controle de Carga
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Referências
• David Linden, “Handbook of Batteries” – McGraw-Hill
• Texas Instruments, “Battery Management Solutions”
• Battery University – batteryuniversity.com
• Unipower – Data Sheets
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