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Pérdida de transmisión de la corriente continua frente a la pérdida de conversión

Voy a transmitir unos 7 vatios de corriente continua a través de un cable Ethernet de par trenzado de 4 metros de longitud. Estoy pensando en utilizar convertidores Buck y Boost para elevar a 30 V y reducir a 5 V el voltaje antes y después de la transmisión para reducir las pérdidas del trayecto.

Mi pregunta es si la conversión DC-DC puede causar más pérdida de energía que la pérdida del camino?

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Otro requisito es ~4A @ 5V y el cable tiene una longitud de 10m. Entonces hay que transmitir ~20W.

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Jamie3213 Puntos 48

Sí, y en tu caso Boost/Buck ciertamente será menos eficiente a menos que estés usando un voltaje extremadamente bajo/alta corriente para tu aplicación.

Los convertidores CC-CC no suelen tener más de un 90-95% de eficiencia, por lo que colocar uno en cada extremo de tu cable de 4 metros supondrá aproximadamente un 10% de pérdidas.

Además, el cable Ethernet tiene una resistencia, por lo que habrá una pérdida adicional en el cable. El hecho de que hayas aumentado y doblado el voltaje no elimina estas pérdidas, sin embargo la conversión a un voltaje más alto reducirá las pérdidas I^2R.

7 W a 5 V son unos 700 mA. El cable típico de Ethernet tiene unos 200 m Ohm/m (bucle), por lo que la caída de tensión será de unos 0,15 V/m. Si puedes tolerar una caída de 150 mV/m en tus 5 V (alrededor del 3%), entonces no te conviertas. Si necesitas 5 V regulados, entonces empieza con 6 V y pon un regulador de baja caída en el extremo de la aplicación.

EDITAR:

Si quieres consumir 5 V @ 4 A en el extremo remoto, entonces sí que tiene sentido el boost/buck. Las pérdidas resistivas a 5 V estarían cerca de los 3,2 V .....so no es posible.
Si se aumenta a 30 V (unos 700 mA de corriente para 20 W), la pérdida de tensión será de unos 0,56 V.
A continuación, se reduce a 5 V en el extremo remoto. Es probable que la eficiencia de cada convertidor sea del 90% (seamos conservadores), por lo que la eficiencia total es del 80%. Necesita consumir 20 W pero necesita suministrar 25 W de potencia de entrada para tener en cuenta las pérdidas.

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abby hairboat Puntos 130

El método más fácil para comprobarlo es simplemente medir la resistencia del cable que piensas utilizar. La pérdida de potencia en el cable se calcula fácilmente a partir de la resistencia medida y la corriente que se utilizará.

Suponiendo que su consumo de energía es de 7 vatios a 5V, podemos calcular cuánta corriente implica:

$$I = \frac P V = \frac 7 5 = 1.4A$$

A continuación, podemos calcular la pérdida de potencia en función de la resistencia:

$$P_\mathrm{loss} = I^2R = 1.4^2R$$

A continuación, puedes convertir esto en un porcentaje de eficiencia dividiendo tu potencia de pérdida por tu potencia total:

$$\mathrm{Efficiency} = \frac {P_\mathrm{loss}} {P_\mathrm{total}} \times 100$$

En este caso la potencia total es la suma de la potencia de la carga (7W) y la potencia de las pérdidas.

Ahora, para la opción del regulador, hay que tener en cuenta que se trata de las eficiencias de ambos reguladores, por lo que debemos considerar el producto de ambos:

$$\mathrm{Total\space efficiency} = \mathrm{Boost\space efficiency} \times \mathrm{Buck\space efficiency}$$

Una estimación razonable de la eficiencia del regulador DC-DC es del 80-90%.

Comparando las dos eficiencias se puede ver exactamente qué solución tiene la mejor eficiencia. Para las distancias cortas, apostaría por el uso del cable.

Pero la eficiencia no es la única consideración. Aunque la solución de sólo cable es probablemente más barata y más eficiente, habrá una caída de tensión a través de ese cable proporcional a la corriente:

$$\Delta V = I \times {R_\mathrm{wire}}$$

Hemos calculado que la corriente es de 1,4 A, así que utilizando la resistencia del cable que has medido puedes calcular la caída de tensión que habrá. Entonces puedes aumentar la tensión de entrada en esa cantidad para anular la caída. Por ejemplo, si la resistencia del cable mide 0,2Ω, la caída es de 1,4*0,2=0,28V. Asumiendo que quieres 5V en el extremo de carga del cable, querrás 5,28V en la entrada.

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