Potenza ed energiaFondamenti

Rendimento, perdite e budget di potenza

Definisci il budget di potenza di un sistema a batteria: potenza in ingresso e in uscita, rendimento, dissipazione termica, energia disponibile e autonomia realistica.

Livello

Intermedio

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16 min

Norma o fonte principale

IEC 80000-6, principi di conservazione dell'energia e schede tecniche di convertitori e celle

Ultima verifica

13 settembre 2026

Strumento associato

Calcolatore dell'autonomia della batteria

Redazione e revisione tecnica:Team di ingegneria ElectroDesignForge

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Punto chiave: un prodotto alimentato a batteria non riceve mai tutta l'energia immagazzinata nella cella. A ogni stadio, parte della potenza diventa calore o viene consumata a riposo. Un bilancio di potenza collega il carico utile alla potenza d'ingresso, alla dissipazione e infine all'autonomia.

Riferimento rapido

Per un semplice bilancio in CC, usare le potenze medie:

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

Nelle equazioni, esprimere il rendimento con un valore tra 0 e 1: 90% = 0.90.

1. Potenza d'ingresso, d'uscita e conservazione dell'energia

Un convertitore, regolatore, cavo o circuito di protezione non crea energia. Ripartisce la potenza assorbita fra carico utile e perdite:

Pin = Pout + Ploss

Se un regolatore eroga 5 V a 1 A, il carico riceve 5 W. Con rendimento del 90% in quel punto di funzionamento, la batteria deve fornire più di 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

Gli 0.56 W non scompaiono: diventano soprattutto calore nel regolatore e nei componenti associati. La batteria fornisce quindi 5.56 W, non 5 W.

Attenzione ai diversi domini di tensione

La corrente non si conserva attraverso un convertitore se le tensioni d'ingresso e d'uscita differiscono. Confrontare invece le potenze. Un buck da 12 V a 3.3 V che eroga 1 A in uscita fornisce 3.3 W; con rendimento del 90%, la sua corrente d'ingresso idealizzata è circa 0.306 A, non 1 A:

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

Per più linee di alimentazione, calcolare prima la potenza di ciascuna, poi risalire stadio per stadio fino alla batteria.

2. Calcolare il rendimento senza ambiguità

Il rendimento confronta l'uscita utile con l'ingresso totale:

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

Ha significato solo in un punto operativo definito: tensioni d'ingresso e d'uscita, corrente, modalità di controllo, temperatura e componenti. Un datasheet può indicare 95% al picco della curva, mentre il prodotto trascorre gran parte del tempo a 15 µA, quando domina la corrente di riposo.

Non confondere un rendimento elevato con una dissipazione assoluta bassa. Al 95%, uno stadio da 100 W perde comunque 5.26 W, spesso un problema termico importante.

3. Origine delle perdite

I meccanismi variano secondo l'architettura, ma il bilancio deve includerli anche quando il primo calcolo non li separa.

Un regolatore lineare è particolarmente semplice da valutare. Da 12 V a 5 V con 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%

Può essere adatto a corrente molto bassa, ma in genere serve un convertitore buck se la perdita pesa sull'autonomia o sulla temperatura.

4. Dissipazione e temperatura: il secondo bilancio

La potenza persa provoca un aumento di temperatura. Come prima approssimazione:

ΔT ≈ Ploss × θJA
Tj ≈ Ta + ΔT

Qui θJA è la resistenza termica giunzione-ambiente nelle condizioni reali del PCB, T_a la temperatura ambiente e T_j quella di giunzione stimata. L'approssimazione indica l'ordine di grandezza, ma θJA dipende fortemente da package, rame, via termici, ventilazione e componenti vicini.

Esempio: un convertitore perde 0.8 W su una scheda con resistenza termica effettiva stimata di 45 °C/W. L'aumento approssimativo è 36 °C. Con ambiente a 40 °C, la giunzione può quindi avvicinarsi a 76 °C prima di considerare margini, picchi o riscaldamento dei componenti vicini.

Verificare sempre temperatura massima di giunzione, declassamento di induttori e condensatori e comportamento in sovraccarico. Ottimizzare l'autonomia può anche migliorare l'affidabilità.

5. Dall'energia della batteria all'autonomia

Gli Ah non rappresentano direttamente un bilancio di energia quando la tensione varia. Usare i wattora:

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

Il «rendimento totale» deve comprendere ogni stadio attraversato. Con due stadi al 92% e al 90%:

ηtotal = 0.92 × 0.90 = 0.828 = 82.8%

I rendimenti si moltiplicano, non si sommano. Altri fattori possono rappresentare la capacità recuperabile al freddo, l'invecchiamento, l'autoscarica e la riserva prima della soglia di arresto.

Esempio svolto: sensore alimentato a batteria

Una batteria da 3.7 V e 2 Ah immagazzina circa 7.4 Wh. Il prodotto assorbe in media 0.40 W sulla sua linea utile. Supponiamo capacità utilizzabile all'85% alla temperatura prevista, convertitore al 90% e riserva del 10% prima dell'arresto.

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

Dividere 2 Ah per la corrente di carico può dare un risultato molto diverso, perché non considera conversione, variazioni di tensione e riserve.

6. Preparare un bilancio di potenza utilizzabile

Partire da una tabella che distingua le linee di alimentazione e gli stati operativi. Non nascondere la corrente di riposo o i carichi occasionali in un unico valore medio.

La potenza d'ingresso di una riga diventa il requisito di uscita utile dello stadio precedente. Per carichi ciclici, calcolare l'energia per ciclo (Ecycle = P × duration) e dividerla per la durata dell'intero ciclo. È più sicuro che stimare a vista la media di correnti molto diverse.

7. Metodo di verifica del prototipo

1. Elencare ogni linea di alimentazione, convertitore, carico permanente e stato operativo temporaneo.
2. Misurare tensione e corrente nel punto corretto; convertirle in potenza prima di confrontare domini di tensione diversi.
3. Leggere rendimento e corrente di riposo alle condizioni reali, comprese le modalità sleep o burst del regolatore.
4. Sommare le potenze d'uscita, risalire fino alla batteria e confrontare con la corrente della batteria effettivamente misurata.
5. Verificare i picchi: la potenza media prevede l'energia, ma corrente di picco e impedenza della sorgente spesso determinano il brownout.
6. Misurare le temperature con ambiente caldo e verificare le curve di declassamento dei componenti critici.
7. Validare l'autonomia su un ciclo rappresentativo, a bassa temperatura e con una cella invecchiata o un margine equivalente.

Errori comuni

Strumento associato

Apri il calcolatore di autonomia della batteria per suddividere un ciclo in più modalità, individuare i carichi dominanti e stimare l'autonomia con la capacità realmente disponibile.

Fonti

• IEC 80000-6 — Grandezze e unità: elettromagnetismo.
• BIPM — Sistema internazionale di unità (Brochure SI).
• Datasheet del convertitore scelto: curve di rendimento, corrente di riposo, limiti termici e condizioni di prova.
• Datasheet della cella: curve di scarica, capacità secondo temperatura e corrente, impedenza interna e tensione di arresto.