Talvez você já tenha aberto um power bank e percebido algo curioso: muitas baterias de lítio utilizadas internamente possuem tensão nominal próxima de 3,7 V.
Mas existe uma questão interessante.
Se tradicionalmente uma saída USB fornece 5 V, como uma bateria de aproximadamente 3,7 V consegue alimentar essa saída?
A resposta está em um circuito eletrônico chamado conversor elevador de tensão, também conhecido como:
boost converter.
Esse circuito consegue receber uma tensão menor na entrada e fornecer uma tensão maior na saída.
Mas é importante entender desde o início:
não existe criação de energia nesse processo.
E compreender isso é uma ótima maneira de estudar tensão, corrente, potência, eficiência, indutores e fontes chaveadas.
A bateria de lítio não permanece em 3,7 V
Antes de entender o circuito, precisamos esclarecer o significado dos famosos:
3,7 V.
Esse valor é uma tensão nominal típica de determinadas células de íons de lítio.
Isso não significa que a bateria apresente exatamente 3,7 V durante todo o seu funcionamento.
Dependendo da química e do estado de carga, uma célula pode apresentar uma tensão maior quando totalmente carregada e uma tensão menor conforme descarrega.
Portanto, quando dizemos:
“bateria de 3,7 V”
estamos utilizando sua tensão nominal como referência.
O circuito eletrônico do power bank precisa lidar com essa variação.
Como conseguimos obter 5 V de uma tensão menor?
É possível fazer isso utilizando um:
conversor DC-DC elevador.
Em inglês, encontramos frequentemente o nome:
DC-DC Boost Converter.
O termo já descreve sua função:
DC → corrente contínua
DC → corrente contínua na saída
Boost → elevação da tensão
Assim, de maneira simplificada:
bateria de lítio
↓
conversor boost
↓
saída regulada em 5 V.
É justamente esse princípio que demonstro na placa apresentada neste artigo.
Mas como um circuito consegue aumentar a tensão?
A resposta está no armazenamento e na transferência de energia.
Um conversor boost típico utiliza componentes como:
indutor;
diodo ou chaveamento síncrono;
capacitores;
transistor de chaveamento;
circuito controlador.
O transistor é ligado e desligado rapidamente pelo circuito eletrônico.
Durante uma parte desse processo, o indutor armazena energia em seu campo magnético.
Depois, essa energia é transferida para a saída de maneira que sua tensão possa ficar acima da tensão de entrada.
O indutor é fundamental
Um indutor possui uma propriedade extremamente importante:
ele se opõe a mudanças rápidas na corrente que circula por ele.
Quando fazemos corrente circular por uma bobina, armazenamos energia em seu:
campo magnético.
A energia armazenada em um indutor ideal pode ser representada por:
E = ½ × L × I²
onde:
E = energia armazenada
L = indutância
I = corrente
Portanto, o conversor não está simplesmente utilizando algum componente misterioso que “multiplica a tensão”.
Existe um processo de:
armazenamento → chaveamento → transferência de energia.
O chaveamento acontece muito rapidamente
Imagine uma chave sendo ligada e desligada milhares ou até milhões de vezes por segundo.
É aproximadamente esse tipo de operação que encontramos em conversores chaveados modernos.
Quando a chave eletrônica está em determinada condição, fazemos a corrente aumentar no indutor.
Podemos pensar:
fonte → indutor → armazenamento de energia.
Quando a chave muda de estado, o indutor tende a manter a corrente.
A tensão em seus terminais se modifica de maneira que sua energia possa ser transferida para a saída.
A topologia do circuito permite somar esse efeito à tensão da fonte, produzindo uma saída maior que a entrada.
E o capacitor da saída?
O processo de chaveamento produz pulsos.
Mas queremos uma tensão de saída relativamente estável.
Por isso encontramos também:
capacitores.
O capacitor da saída ajuda a armazenar energia e reduzir as variações da tensão entregue à carga.
Podemos pensar nele como um pequeno reservatório elétrico:
recebe energia → armazena → fornece à carga entre os ciclos de chaveamento.
Naturalmente, essa é uma simplificação, mas ajuda bastante a compreender o funcionamento.
De onde vem a energia adicional?
Ela não existe.
A tensão aumentou, mas isso não significa que a potência tenha sido criada.
Esse é justamente o conceito que eu queria demonstrar no artigo e no vídeo original.
A potência elétrica em corrente contínua pode ser calculada por:
P = V × I
onde:
P = potência em watts
V = tensão em volts
I = corrente em amperes
Portanto, quando modificamos a tensão, precisamos observar também o que acontece com a corrente.
Um exemplo simples
Imagine inicialmente um conversor ideal, sem nenhuma perda.
Suponha que precisamos fornecer na saída:
5 V e 1 A.
A potência de saída será:
P = 5 × 1
P = 5 W
Agora imagine uma bateria fornecendo exatamente:
3,7 V.
Para obter os mesmos 5 W na entrada:
5 = 3,7 × I
Portanto:
I ≈ 1,35 A.
Veja o que aconteceu.
Na saída:
5 V × 1 A = 5 W
Na entrada:
3,7 V × 1,35 A ≈ 5 W.
Aumentamos a tensão, mas precisamos retirar mais corrente da bateria.
Na prática existem perdas
O exemplo anterior considera um conversor perfeito.
Ele não existe.
O circuito possui perdas provocadas por:
resistência dos componentes;
chaveamento;
indutor;
diodos ou MOSFETs;
capacitores;
trilhas da placa;
aquecimento.
Portanto:
potência de saída < potência de entrada.
Podemos representar a eficiência por:
η = Psaída / Pentrada
Se um conversor possui eficiência de 90%, por exemplo, significa que aproximadamente 90% da potência de entrada está chegando à saída nas condições consideradas.
O restante é principalmente convertido em:
calor e outras perdas.
Vamos calcular considerando a eficiência
Imagine novamente que queremos:
5 V × 1 A = 5 W
na saída.
Agora considere uma eficiência de:
90%.
Precisaremos aproximadamente:
Pentrada = 5 / 0,90
Pentrada ≈ 5,56 W
Se a bateria estiver em 3,7 V:
Ientrada = 5,56 / 3,7
Ientrada ≈ 1,50 A.
Portanto:
saída → 5 V / 1 A
pode exigir aproximadamente:
entrada → 3,7 V / 1,5 A
nesse exemplo.
Isso mostra por que a corrente exigida da bateria é tão importante em um power bank.
O que acontece quando a bateria descarrega?
Agora aparece outra consequência interessante.
Suponha que o power bank continue tentando manter:
5 V na saída.
À medida que a tensão da bateria diminui, para fornecer aproximadamente a mesma potência, a corrente de entrada tende a aumentar, desconsiderando mudanças de eficiência e limites do circuito.
Isso significa que o conversor precisa trabalhar em condições diferentes ao longo da descarga.
Por isso o projeto de um power bank envolve muito mais do que simplesmente:
“pegar 3,7 V e transformar em 5 V”.
Existe também um circuito de controle
O conversor monitora a tensão de saída.
Se ela começar a cair, o controlador pode alterar o funcionamento do chaveamento.
Se subir demais, faz outra correção.
Esse processo é chamado de:
realimentação ou feedback.
De maneira simplificada:
mede a saída
↓
compara com a referência
↓
ajusta o chaveamento
↓
corrige a saída
↓
mede novamente.
Esse ciclo acontece continuamente.
É assim que conseguimos manter uma tensão relativamente estável mesmo com alterações na:
tensão da bateria
ou na:
corrente exigida pela carga.
O que é PWM?
Uma das técnicas relacionadas ao controle de conversores chaveados é a:
PWM — Pulse Width Modulation
ou:
Modulação por Largura de Pulso.
O circuito pode controlar por quanto tempo a chave eletrônica permanece ligada em relação ao período total de chaveamento.
Essa proporção é conhecida como:
duty cycle.
Alterando o duty cycle, conseguimos controlar a quantidade de energia transferida.
É importante destacar que um conversor real pode utilizar estratégias de controle mais sofisticadas, mas o conceito de chaveamento ajuda bastante a entender o princípio.
Então um power bank é basicamente bateria + boost converter?
Nos modelos mais simples, essa descrição ajuda a entender o princípio, mas um power bank completo possui outras funções importantes.
Além das células e da conversão de tensão, normalmente precisamos de sistemas relacionados a:
carregamento da bateria;
proteção contra descarga excessiva;
proteção contra sobrecarga;
sobrecorrente;
curto-circuito;
controle da saída;
gerenciamento das células.
Em modelos modernos também pode existir comunicação com o dispositivo conectado para negociar diferentes tensões e potências.
Portanto, a pequena placa é muito mais do que um simples “elevador de tensão”.
Power banks modernos nem sempre trabalham apenas com 5 V
O exemplo clássico da USB é:
5 V.
Porém, atualmente existem padrões de carregamento rápido nos quais carregador e aparelho podem negociar outros níveis de tensão.
Dependendo do sistema, podem ser utilizados valores superiores a 5 V.
Portanto, a explicação:
3,7 V → 5 V
continua excelente para compreender o princípio básico do power bank, mas não descreve necessariamente todos os modos de funcionamento de dispositivos modernos.
E a bateria de 10.000 mAh?
Aqui existe uma confusão extremamente comum.
Imagine um power bank anunciado como:
10.000 mAh.
Isso não significa necessariamente que teremos 10.000 mAh disponíveis na saída USB a 5 V.
Por quê?
Porque a capacidade das células costuma ser especificada considerando sua tensão nominal.
Vamos fazer uma aproximação.
Uma bateria de:
10 Ah a 3,7 V
armazena aproximadamente:
E = V × Ah
E = 3,7 × 10
E ≈ 37 Wh.
Agora imagine transformar essa energia para 5 V.
Mesmo em um conversor ideal:
37 Wh / 5 V = 7,4 Ah.
Ou seja:
aproximadamente 7.400 mAh a 5 V, teoricamente.
E ainda precisamos descontar as perdas.
Considerando 90% de eficiência
Se tivermos aproximadamente:
37 Wh
armazenados e conseguirmos aproveitar 90%:
37 × 0,90 = 33,3 Wh.
Na saída de 5 V:
33,3 / 5 = 6,66 Ah.
Ou aproximadamente:
6.660 mAh.
Esse exemplo ajuda a explicar por que não devemos comparar diretamente:
mAh da bateria interna
com:
mAh entregues na saída em outra tensão.
Para comparar energia, uma unidade muito mais esclarecedora é:
Wh — watt-hora.
mAh sozinho pode enganar
Compare:
10.000 mAh a 3,7 V
com:
10.000 mAh a 5 V.
Os dois valores possuem os mesmos:
10.000 mAh.
Mas não representam a mesma quantidade de energia.
No primeiro:
3,7 V × 10 Ah = 37 Wh.
No segundo:
5 V × 10 Ah = 50 Wh.
Portanto, sempre que comparamos baterias em tensões diferentes, olhar apenas para:
mAh
pode gerar conclusões erradas.
A placa também pode reduzir tensão?
Um boost converter especificamente é utilizado para elevar tensão.
Para reduzir tensão existe outra topologia muito conhecida:
buck converter.
Assim:
Boost → eleva
Buck → reduz.
Existem ainda conversores capazes de trabalhar elevando ou reduzindo a tensão conforme as condições:
buck-boost.
Essas topologias aparecem em uma enorme quantidade de equipamentos eletrônicos.
Onde encontramos conversores DC-DC?
Não apenas em power banks.
Conversores chaveados aparecem em:
celulares;
notebooks;
automóveis;
equipamentos de áudio;
placas eletrônicas;
microcontroladores;
sistemas alimentados por bateria;
fontes de alimentação.
Imagine um equipamento alimentado por uma única bateria, mas contendo circuitos que precisam de diferentes tensões.
Conversores DC-DC permitem criar essas tensões internamente com boa eficiência.
Por que não utilizar simplesmente um resistor?
Porque um resistor não consegue fazer aquilo que um conversor boost faz.
Além disso, utilizar resistores para controlar alimentação de cargas cuja corrente varia é inadequado para obter uma tensão regulada.
Um conversor chaveado consegue controlar a transferência de energia de maneira muito mais eficiente.
É por isso que encontramos:
indutores + transistores + capacitores + circuitos controladores
em tantas fontes modernas.
Posso montar meu próprio power bank?
Existem módulos eletrônicos vendidos especificamente para projetos alimentados por células de lítio.
Mas aqui existe um cuidado importante.
Baterias de íons de lítio armazenam bastante energia e precisam ser utilizadas dentro de limites adequados.
Problemas como:
curto-circuito;
sobrecarga;
sobredescarga;
corrente excessiva;
danos físicos
podem criar situações perigosas.
Portanto, não devemos simplesmente ligar uma célula de lítio a qualquer placa elevadora e considerar que temos um power bank seguro.
É importante utilizar:
células apropriadas + circuito de carga adequado + proteções adequadas + conversor dimensionado corretamente.
Veja a placa funcionando no vídeo
No vídeo original deste artigo mostro justamente uma placa capaz de elevar a tensão de uma bateria de aproximadamente 3,7 V para uma saída de 5 V, explicando o princípio utilizado em um power bank.
Depois de compreender potência e eficiência, vale assistir novamente pensando nesta sequência:
bateria
↓
3,7 V nominal
↓
conversor DC-DC
↓
chaveamento
↓
armazenamento de energia no indutor
↓
transferência de energia
↓
filtragem
↓
5 V na saída.
Não existe mágica: existe conversão de energia
Essa é a principal ideia deste artigo.
Quando observamos:
3,7 V entrando
e:
5 V saindo,
pode parecer que o circuito está criando alguma coisa.
Não está.
O conversor troca as relações entre:
tensão e corrente
e inevitavelmente apresenta perdas.
Por isso:
Pentrada > Psaída
em um circuito real.
Quanto maior a potência exigida na saída, maior será a energia que precisará ser retirada da bateria.
Um pequeno módulo ensina muita eletrônica
Essa pequena placa utilizada em um power bank reúne vários conceitos importantes:
tensão;
corrente;
potência;
energia;
indutância;
capacitores;
transistores;
chaveamento;
PWM;
realimentação;
eficiência.
É justamente por isso que gosto desse tipo de circuito.
Podemos começar fazendo uma pergunta extremamente simples:
“como 3,7 V viram 5 V?”
e terminar compreendendo alguns dos princípios fundamentais das:
fontes chaveadas modernas.
Quer aprender mais sobre eletrônica?
Entender o funcionamento de um power bank é muito mais interessante quando deixamos de enxergá-lo como uma “caixinha que carrega o celular” e começamos a identificar os circuitos e componentes que existem lá dentro.
Esse mesmo raciocínio aparece em diversos equipamentos eletrônicos e também em circuitos utilizados em áudio.
A proposta é passar do:
“sei que essa placa transforma 3,7 V em 5 V”
para:
“entendo de onde vem a energia, por que a corrente muda e como o circuito consegue controlar a tensão”.