Potência e energiaFundamentos

Eficiência, perdas e orçamento de potência

Calcule o orçamento de potência de um sistema alimentado por bateria: potências de entrada e saída, eficiência, dissipação térmica, energia disponível e autonomia realista.

Nível

Intermediário

Tempo de leitura

16 min

Norma ou fonte principal

IEC 80000-6, princípios de conservação da energia e fichas de dados do conversor e das células

Última verificação

13 de setembro de 2026

Ferramenta associada

Calculadora de vida da bateria

Redigido e revisado tecnicamente porElectroDesignForge Engineering Team

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Ponto-chave: um produto alimentado por bateria não aproveita toda a energia armazenada na célula. Em cada estágio, parte da potência se transforma em calor ou é consumida durante a inatividade. Um orçamento de energia relaciona a potência útil, a potência de entrada, as perdas e, por fim, a autonomia.

Referência rápida

Para um orçamento simples em corrente contínua, use potências médias:

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

Use a eficiência como um valor entre 0 e 1 nas equações: 90% = 0,90.

1. Potência de entrada, potência de saída e conservação de energia

Um conversor, regulador, cabo ou circuito de proteção não cria energia. Divide a potência extraída entre a carga útil e as perdas:

Pin = Pout + Ploss

Se um regulador fornecer 5 V a 1 A, a carga recebe 5 W. Com 90% de eficiência nesse ponto de operação, a bateria deve fornecer mais 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

Os 0,56 W não desaparecem: nesse exemplo, são dissipados principalmente como calor no regulador e nos componentes associados. Portanto, a bateria fornece 5.56 W, e não 5 W.

Compare as potências em diferentes tensões

A corrente de entrada de um conversor pode ser diferente da corrente de saída quando as tensões são diferentes. Compare as potências. Um conversor buck de 12 V para 3,3 V que fornece 1 A na saída entrega 3,3 W; com eficiência de 90%, sua corrente de entrada estimada é cerca de 0,306 A, e não 1 A:

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

Para várias linhas de alimentação, calcule primeiro a potência de cada uma e depois percorra os estágios no sentido contrário, até a bateria.

2. Calcular sem ambiguidades a eficiência

A eficiência compara a saída útil com a entrada total:

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

Esse valor só faz sentido para um ponto de operação definido: tensões de entrada e saída, corrente, modo de controle, temperatura e componentes. Uma folha de dados pode indicar um pico de 95% enquanto o produto passa a maior parte do tempo em 15 µA, faixa em que a corrente quiescente domina.

Não confunda eficiência com dissipação absoluta baixa. A 95%, um estágio de 100 W ainda perde 5,26 W, muitas vezes uma grande preocupação térmica.

3. De onde provêm as perdas

Os mecanismos variam com a arquitetura, mas um orçamento deve capturá-los mesmo quando um primeiro cálculo não separa cada um.

Um regulador linear é particularmente fácil de inspecionar. 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%

Ele pode ser adequado com corrente muito baixa, mas um conversor buck costuma ser necessário quando as perdas comprometem a autonomia ou a temperatura.

4. Dissipação e temperatura: o segundo orçamento

A potência dissipada provoca aumento de temperatura. Como primeira aproximação:

ΔT ≈ Ploss × θJA
Tj ≈ Ta + ΔT

Aqui, θ_JA é a resistência térmica entre a junção e o ambiente nas condições reais da placa, T_a é a temperatura ambiente e T_j é a temperatura estimada da junção. A aproximação ajuda a estimar a ordem de grandeza, mas θ_JA depende muito do encapsulamento, do cobre, das vias térmicas, do fluxo de ar e dos componentes próximos.

Exemplo: um conversor dissipa 0,8 W em uma placa cuja resistência térmica efetiva estimada é de 45 °C/W. A elevação aproximada é de 36 °C. Com ambiente a 40 °C, a temperatura de junção pode se aproximar de 76 °C, antes de considerar margens, picos ou aquecimento de componentes próximos.

Verifique sempre a temperatura máxima de junção, o comportamento do indutor e do capacitor e a proteção contra sobrecarga. Melhorar a autonomia também pode aumentar a confiabilidade.

5. Da energia da bateria à autonomia

Ampère-hora (Ah) não representa diretamente um orçamento de energia quando a tensão varia. Use watt-hora (Wh):

E_nominal (Wh) ≈ V_nominal × capacidade (Ah)
E_utilizável = E_nominal × fator de capacidade × eficiência total × margem disponível
t ≈ E_utilizável / potência média da carga

“Eficiência total” deve incluir todos os estágios percorridos. Com dois estágios de 92% e 90%:

ηtotal = 0.92 × 0.90 = 0.828 = 82.8%

As eficiências se multiplicam; não se somam. Outros fatores representam a capacidade recuperável no frio, o envelhecimento, a autodescarga e a reserva mantida antes do corte.

Exemplo: sensor alimentado por bateria

Uma bateria de 3,7 V e 2 Ah armazena aproximadamente 7,4 Wh. O produto consome, em média, 0,40 W em suas linhas de alimentação. Considere 85% de capacidade utilizável na temperatura prevista, um conversor com 90% de eficiência e uma reserva de 10% antes do 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 pela corrente da carga pode produzir um resultado muito diferente porque ignora a conversão, a variação da tensão e as reservas.

6. Construir um orçamento de energia utilizável

Comece com uma tabela que distinga as linhas de alimentação e os estados de operação. Não oculte correntes quiescentes nem cargas ocasionais em um único valor médio.

A potência de entrada de uma linha torna-se a potência de saída exigida do estágio anterior. Para cargas cíclicas, calcule a energia por ciclo (Ecycle = P × duration) e divida pela duração total do ciclo. Esse cálculo é mais confiável do que estimar visualmente a média de correntes muito diferentes.

7. Método de verificação do protótipo

1. Liste cada linha de alimentação, conversor, carga permanente e estado temporário de operação.
2. Medir tensão e corrente no ponto correto; converter para potência antes de comparar diferentes domínios de tensão.
3. Consulte a eficiência e a corrente quiescente nas condições reais, inclusive nos modos de repouso ou operação intermitente do regulador.
4. Adicione potências de saída, trabalhe de volta para a bateria e compare com a corrente de bateria realmente medida.
5. Verifique os picos: a potência média prevê o consumo de energia, mas a corrente de pico e a impedância da fonte podem provocar uma queda de tensão.
6. Meça temperaturas com temperatura ambiente elevada e verifique as curvas de redução de capacidade dos componentes críticos.
7. Valide a autonomia em um ciclo representativo, em baixa temperatura e com uma célula envelhecida ou uma margem equivalente.

Armadilhas comuns

Ferramenta associada

Abra a calculadora de autonomia da bateria para dividir um ciclo em vários modos, identificar as cargas dominantes e estimar a autonomia com a capacidade realmente disponível.

Fontes

• IEC 80000-6 — Grandezas e unidades: eletromagnetismo.
• BIPM — O Sistema Internacional de Unidades (Manual SI).
• Folha de dados do conversor selecionada: curvas de eficiência, corrente quiescente, limites térmicos e condições de teste.
• Folha de dados da célula: curvas de descarga, capacidade versus temperatura e corrente, impedância interna e tensão de corte.