Potencia y energíaFundamentos

Eficiencia, pérdidas y presupuesto de energía

Construya un presupuesto de energía del sistema alimentado por batería: potencia de entrada y salida, eficiencia, disipación térmica, energía disponible y tiempo de ejecución realista.

Nivel

Intermedio

Tiempo de lectura

16 min

Estándar primario o fuente

IEC 80000-6, principios de conservación de energía y hojas de datos de celdas y convertidores

Última verificación

13 de septiembre de 2026

Herramienta asociada

Calculadora de duración de batería

Escrito y revisado técnicamente porEquipo de ingeniería de ElectroDesignForge

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Punto clave: un producto que funciona con batería nunca recibe toda la energía almacenada en su celda. En cada etapa, parte de la energía se convierte en calor o se consume mientras está inactiva. Un presupuesto de energía conecta la carga útil con la potencia de entrada, la disipación y, en última instancia, el tiempo de ejecución.

Referencia rápida

Para un presupuesto de CC simple, utilice potencias promedio:

P = V × I
η = Pout / Pin
Pin = Pout / η
Ploss = Pin − Pout = Pin × (1 − η)
E = P × t
t = E / P

Utilice la eficiencia como un valor entre 0 y 1 en las ecuaciones: 90% = 0,90.

1. Potencia de entrada, potencia de salida y conservación de energía

Un convertidor, regulador, cable o circuito de protección no genera energía. Divide la potencia extraída entre la carga útil y las pérdidas:

Pin = Pout + Ploss

Si un regulador suministra 5 V a 1 A, la carga recibe 5 W. Con un 90% de eficiencia en ese punto de funcionamiento, la batería debe suministrar más de 5 W:

Pout = 5 V × 1 A = 5 W
Pin = 5 W / 0.90 = 5.56 W
Ploss = 5.56 W − 5 W = 0.56 W

Los 0,56 W no desaparecen: aquí se convierte principalmente en calor en el regulador y sus componentes asociados. Por tanto, la batería suministra 5,56 W, no 5 W.

Mira los dominios de voltaje.

La corriente no se conserva en un convertidor cuando los voltajes de entrada y salida difieren. En su lugar, compare el poder. Un reductor de 12 V a 3,3 V que proporciona 1 A en la salida entrega 3,3 W; con una eficiencia del 90%, su corriente de entrada idealizada es aproximadamente 0,306 A, no 1 A:

Pin = 3.3 W / 0.90 = 3.67 W
Iin = 3.67 W / 12 V = 0.306 A

Para varios rieles, calcule primero la potencia de cada riel y luego avance paso a paso hasta la batería.

2. Calcule la eficiencia sin ambigüedades

La eficiencia compara la producción útil con la entrada total:

η = Pout / Pin
η (%) = 100 × Pout / Pin

Sólo tiene sentido en un punto de funcionamiento definido: tensión de entrada, tensión de salida, corriente, modo de control, temperatura y componentes. Una hoja de datos puede indicar un 95 % en el pico de una curva, mientras que el producto pasa la mayor parte del tiempo a 15 µA, donde domina la corriente de reposo.

No confunda eficiencia con baja disipación absoluta. Al 95%, una etapa de 100 W todavía pierde 5,26 W, lo que suele ser un problema térmico importante.

3. De dónde vienen las pérdidas

Los mecanismos varían según la arquitectura, pero un presupuesto debería reflejarlos incluso cuando un primer cálculo no separa cada uno de ellos.

Un regulador lineal es particularmente fácil de inspeccionar. De 12 V a 5 V a 200 mA:

Pout = 5 V × 0.2 A = 1 W
Ploss = (12 V − 5 V) × 0.2 A = 1.4 W
η = 1 W / 2.4 W = 41.7%

Puede ser adecuado con una corriente muy baja, pero generalmente se requiere un convertidor reductor cuando la pérdida afecta el tiempo de funcionamiento o la temperatura.

4. Disipación y temperatura: el segundo presupuesto

La pérdida de energía crea un aumento de temperatura. Como primera aproximación:

ΔT ≈ Ploss × θJA
Tj ≈ Ta + ΔT

Aquí θJA es la resistencia térmica de la unión al ambiente en condiciones reales de PCB, T_a es la temperatura ambiente y T_j es la temperatura de unión estimada. La aproximación es útil para la escala, pero θJA depende en gran medida del paquete, el cobre, las vías térmicas, el flujo de aire y los componentes cercanos.

Ejemplo: un convertidor pierde 0,8 W en una placa con una resistencia térmica efectiva estimada de 45 °C/W. El aumento aproximado es de 36 °C. Por lo tanto, a una temperatura ambiente de 40 °C, la temperatura de la unión puede acercarse a 76 °C antes de que se consideren los márgenes, los picos o el calentamiento de los vecinos.

Verifique siempre la temperatura máxima de la unión, la reducción de potencia del inductor y del condensador y el comportamiento de sobrecarga. La mejor optimización del tiempo de ejecución también puede suponer una mejora de la fiabilidad.

5. De la energía de la batería al tiempo de ejecución

Ah no es directamente un presupuesto de energía cuando cambia el voltaje. Utilice vatios-hora:

Enominal battery (Wh) ≈ Vnominal × capacity (Ah)
Eusable = Enominal battery × capacity factor × total efficiency × available margin
t ≈ Eusable / average load power

La “eficiencia total” debe incluir cada etapa superada. Con dos etapas al 92% y luego al 90%:

ηtotal = 0.92 × 0.90 = 0.828 = 82.8%

Las eficiencias se multiplican; no suman. Otros factores pueden representar la capacidad realmente recuperable en frío, el envejecimiento, la autodescarga y la reserva mantenida antes del corte.

Ejemplo resuelto: sensor alimentado por batería

Una batería de 3,7 V y 2 Ah almacena aproximadamente 7,4 Wh. El producto tiene una potencia media de 0,40 W en su carril útil. Suponga un 85 % de capacidad utilizable a la temperatura objetivo, un convertidor de 90 % y una reserva de 10 % antes del corte.

Eusable = 7.4 Wh × 0.85 × 0.90 × 0.90 = 5.09 Wh
t = 5.09 Wh / 0.40 W = 12.7 h

Dividir 2 Ah por la corriente de carga puede producir un resultado muy diferente porque no representa conversión, variación de voltaje ni reservas.

6. Cree un presupuesto de energía utilizable

Comience con una tabla que distinga los rieles y los estados operativos. No oculte corrientes de reposo u cargas ocasionales en un número promedio.

La potencia de entrada de una fila se convierte en el requisito de salida útil de la etapa anterior. Para cargas cíclicas, calcule la energía por ciclo (Ecycle = P × duration) y divida por la duración completa del ciclo. Esto es más seguro que promediar visualmente corrientes muy separadas.

7. Método de verificación del prototipo

1. Enumere cada riel, convertidor, carga permanente y estado operativo temporal.
2. Mida el voltaje y la corriente en el punto correcto; convertir a potencia antes de comparar diferentes dominios de voltaje.
3. Lea la eficiencia y la corriente de reposo en condiciones reales, incluido el modo de suspensión o ráfaga del regulador.
4. Agregue potencias de salida, vuelva a conectar la batería y compárela con la corriente de la batería realmente medida.
5. Verifique los picos: la potencia promedio predice la energía, pero la corriente máxima y la impedancia de la fuente a menudo deciden la caída de tensión.
6. Mida las temperaturas a temperatura ambiente elevada y verifique las curvas de reducción de potencia de los componentes críticos.
7. Validar el tiempo de ejecución en un ciclo representativo, a baja temperatura y con una celda envejecida o margen equivalente.

Errores comunes

Herramienta asociada

Abra la Calculadora de duración de la batería para dividir un ciclo en múltiples modos, identificar cargas dominantes y estimar el tiempo de ejecución con la capacidad realmente disponible.

Fuentes

• IEC 80000-6 — Cantidades y unidades: electromagnetismo.
• BIPM — El Sistema Internacional de Unidades (Folleto SI).
• Ficha técnica del convertidor seleccionado: curvas de eficiencia, corriente de reposo, límites térmicos y condiciones de prueba.
• Ficha técnica de la celda: curvas de descarga, capacidad versus temperatura y corriente, impedancia interna y voltaje de corte.