如何从 9 伏电池中获得高电流

电器工程 电源 电池 当前的
2022-01-25 14:59:57

我正计划制作一个螺线管。它应该如此强大,可以举起大约 600N 的力。我已经考虑过了,我有一个疑问。如何使用 9 V 电池获得高达 20-30 A 的直流电流?请提出一种我可以以提供足够电流的方式设置它们的方法。

另一个问题,我想提高电压以获得更大的电流。那行得通吗?

4个回答

一块 9V 电池的存储能量大约为:

$$ \require{cancel} \frac{560\cancel{m}A\cancel{h} \cdot 9V}{1} \frac{3600s}{\cancel{h}} \frac{1}{1000\cancel {m}} \约 18144VAs \约 18 kJ $$

焦耳瓦特秒或牛顿米。在最理想的条件下,到处都有非常高效的机器,9V 电池中存储的能量足以在以下距离内施加您指定的 600N 力:

$$ \frac{18\cancel{k}\cancel{J}}{1} \frac{\cancel{N}m}{\cancel{J}} \frac{1}{600\cancel{N}} \frac{1000}{\cancel{k}} = 3000 万美元

您提议的螺线管,在 \$9V\$ 时可能需要 \$25A\$,其耗电量为:

$$ 25A \cdot 9V = 225W $$

应用您指定的 \$600N\$ 力,并给出该功率,我们可以求解您的螺线管的速度,如果它 100% 有效,可以提供:

$$ \frac{225\cancel{W}}{1} \frac{\cancel{J}}{\cancel{W}s} \frac{\cancel{N}m}{\cancel{J}} \压裂{1}{600\取消{N}} = 0.375m/s $$

所以你看,即使我们能够以 100% 的效率提取 9V 电池的所有存储能量,也没有一吨的能量。知道你理想的螺线管以 \$0.375m/s\$ 的速度移动,并且电池有足够的能量让它移动 \$30m\$,运行时间是:

$$ \frac{30\cancel{m}}{1} \frac{s}{0.375\cancel{m}} = 80s $$

或者我们可以根据电池能量和螺线管功率来计算:

$$ \frac{18000\cancel{W}s}{1} \frac{1}{225\cancel{W}} = 80s $$

但也许这就足够了。问题是如何有效地做到这一点。电阻中的电功率由下式给出:

$$ P = I^2 R$$

新鲜时,9V 电池的内阻可能为 \$1.5\Omega\$。随着电池耗尽,它会上升。你的螺线管可能至少是另一个\$1\Omega\$。因此,在 \$25A\$ 时,仅您的电阻损失就是:

$$ (25A)^2 (1.5\Omega + 1\Omega) = 1562.5W$$

将此与上面考虑的理想螺线管使用的功率(\$225W\$)进行比较,您会发现这是一个效率低得荒谬的系统。仅仅处理这些损失带来的热量将是一个挑战。当然,你实际上不能从 9V 电池中得到这个,因为在 \$25A\$ 的内部电阻上损失的电压是:

$$ 25A \cdot 1.5\Omega = 37.5V $$

...超过电池提供的 9V 电压。

除了电池或螺线管之外,传输 \$225W\$ 的电力本身就是一个问题。因为功率是电压和电流的乘积(\$P=IE\$),要移动很多功率,你可以有大电流或高电压。但是,即使电线也有电阻,并且由于该电阻损失的功率与电流的平方成正比,因此在高压下移动大量电力比在大电流下移动更实用。这就是电力公司以非常高的电压远距离传输电力的原因。

所以,如果你想在 \$9V\$ 移动 \$225W\$,你必须将阻力保持在非常低的水平,以避免阻力损失非常高。这意味着粗线(包括螺线管中的线,它占电路中的大部分线)和内部电阻低的电池。正如supercat的回答所描述的那样,在螺线管的设计中,您还可以用电流换电压,或用电压换电流。

由于您没有指定,我假设您的意思是家用商用 9V 电池。标准 9V 电池的容量约为 400-600 mAh。用最基本的术语来说,这些电池在“没电”之前可以提供大约 500 毫安的电流一小时。理论上,您可以汲取所需的电流,但即使是并联的几个 9V 电池(总容量),每组电池的使用时间约为 1-2 分钟。使用标准的消费电池,这是非常不切实际的,而且效率很低。我可以想象你可能不想每分钟都更换电池。

如果尺寸和重量不是重要因素,我会考虑大型、高容量、快速放电的铅酸电池。它们采用 12V 电压,接近您的需求,并且可以在不同的时间内提供数百安培的电流(取决于您花费多少/获得的电池)。

螺线管的设计是使用更多匝数与使用更多电流之间的权衡。我真的怀疑任何小到可以用 9 伏电池实际操作它的小螺线管是否会在您建议的电流高的情况下实现最佳行为。使用更多的转弯效率很可能会更好。

话虽如此,可以从 9 伏电池中获得的最大螺线管电流可以通过将电容器与电池并联,然后使用几个高效开关将螺线管交替连接到电池和短路来获得它出来(必须避免两个开关都关闭,并且应该尽量减少两个开关都打开的时间;使用反激二极管在“两个打开”时间内安全地耗散能量)。为了在不考虑电池寿命的情况下绝对最大化螺线管电流,设置电池时间与“短路时间”的比率,使电池电压降至约 4.5 伏。这将从电池中汲取最大功率,即使它会导致电池浪费大约一半的能量来加热自身。将比率设置得低一点,

使用 9V 电池实现使用单个 9V 电池。

如果这不是您正在工作的真正限制,我建议您串联几个以获得更高的电压。如果您只能使用一节 9V 电池,我建议您购买一个大容量电容器并通过限流电路对其进行充电,然后将其切换为为您的螺线管供电。这不会产生持续的输出,但取决于电路和螺线管,它应该给你 600 N