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Cargando y cuidando las baterías
Autor: CP6CL.Publicado en: DIGICLUB. Introducción | Algunos conceptos necesarios | Parámetros de una batería | Arquitectura interna de la batería | Corriente y régimen de carga | Un poco de electrónica básica | Fuente de Corriente | Conclusiones | Recomendaciones | Referencias Es bastante habitual, que los radioaficionados alimentemos los equipos de la estación fija de radio con baterías de coche, sobre todo para poder seguir usándolos si, en caso de emergencia, falla el suministro eléctrico. De como gestionemos esas baterías, dependerá su duración. De eso trata este artículo. Introducción [índice] La mayoría de nosotros tenemos en nuestros shacks, baterías de automóviles para las situaciones de emergencias o simplemente para alimentar nuestros equipos de 13,8 V, al no poder contar con una fuente de altos niveles de corriente. El gran problema se da cuando hay que restablecerle a las baterías la energía (carga) para poderla reutilizar. Muchas han sido las soluciones ensayadas a nivel doméstico, incluso a nivel comercial. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos "cargadores de baterías" son perfectos "asesinos" de estos dispositivos. Veamos por qué.
Revisemos un poquito la Ley de Ohm para corriente continua. Ésta establece una relación entre los tres parámetros básicos de un circuito: Corriente (I), Voltaje (V) y Resistencia (R). La expresión es muy conocida hasta por estudiantes de colegio: I = V/R (1)
La corriente no pudiera tomar otro valor si los valores de V y R son los mostrados (12 V y 6 Ohm). Lo segundo que tenemos que recordar es lo que se define como una Fuente de Voltaje. Una Fuente de Voltaje es un dispositivo que mantiene el voltaje en sus terminales independientemente de la carga (resistencia) que se le conecte.
Justamente lo que se muestra en el circuito de la Figura No. 1 como elemento que suministra la energía es una Fuente de Voltaje, y se representa
por el símbolo
Esta Fuente de Voltaje de 12 V (según el circuito) mantendrá dicho valor de voltaje independientemente del valor que tenga la resistencia R. De manera que el valor de la corriente I, dependerá únicamente del valor de R, para un valor dado de V. Si R es muy pequeña, I será muy grande y al revés.
Lo tercero que debemos recordar es el concepto de Fuente de Corriente. Una Fuente de Corriente, por el contrario, mantiene constante su corriente
independientemente de la resistencia que tenga el circuito. Su representación circuital es
Si la Fuente de Corriente es de un valor de 2 A, por ejemplo, el voltaje en la resistencia, cumpliendo la Ley de Ohm al despejar V de la fórmula (1), sería 12 V. Lo que ocurre ahora es que este voltaje es consecuencia de la corriente y el valor de la resistencia, mientras que antes era impuesto por la Fuente de Voltaje. Por ejemplo, si se varía el valor de la resistencia de 6 a 3 Ohm, como la corriente se mantiene constante porque la Fuente de Corriente la mantiene (esa es su definición), el voltaje en R sería ahora 6 V.
Una batería tiene varios parámetros eléctricos, pero los dos principales son voltaje nominal y carga. El primero se expresa en Volt (V) y el segundo en Amper Horas (Ah). Es muy común ver baterías de autos con los valores de 12,65 V y 65 Ah. El primer valor es un estándar internacional, mientras que el segundo varía en función del tipo y tamaño de la batería. Ya se estarán imaginando que la batería de autos se comporta como una Fuente de Voltaje, manteniendo el valor de voltaje constante (mientras esté cargada) entre sus terminales. Y en realidad es así. Pero el segundo valor tiene una interpretación un tanto más profunda. Este valor expresa la cantidad de carga eléctrica que se puede almacenar en la batería, y viene de la expresión: q = I t (2) donde:
q es la carga eléctrica Volvamos al ejemplo de la batería de 65 Ah. Si se le conecta una carga (resistencia) de 6 Ohm, el valor de la corriente sería 2 A (por Ley de Ohm) pero el valor de la carga determina el tiempo que ella podrá suministrar la corriente sin que se caiga el voltaje. De (2), si se despeja t, queda t=q/I (3) y si se sustituyen los valores t=65Ah/2A=32,5 h. O sea, la batería se mantendrá suministrando 12,65 V durante 32,5 horas. Si se disminuye la resistencia, de manera que la corriente aumente, entonces el tiempo será menor. Si se hace lo contrario, el tiempo será mayor. Pero siempre el producto I . t (corriente por tiempo) tendrá que ser constante y en ese ejemplo 65.
Las baterías de automóviles más comunes están hechas de una placa de plomo, otra de óxido de plomo, sumergidas en un electrolito (ácido) compuesto por ácido sulfúrico y agua destilada. Por lo general son seis celdas y cada una de 2,1 V conectadas en serie para sumar los clásicos 12,65 V.
Obsérvense las placas interconectadas en serie para lograr lo anteriormente expuesto. Muchos fabricantes establecen que la corriente de carga de la batería deberá ser el 10% del valor de la carga total. Es decir, una batería de 65 Ah de carga, debería ser cargada con 6,5 A de corriente. Yo aconsejo no superar el 5 ó 6%. Obsérvese en la Figura No. 3 los sedimentos (color negro) que se han depositado en las partes inferiores de las placas. Esto ocurre cuando la corriente de carga es muy alta y deteriora las placas de plomo, sobre todo la de óxido de plomo, que es porosa y como resultado empieza a perder pedazos que se decantan en el fondo. Además del daño de tener ya las placas deterioradas, estos sedimentos van cortocircuitando las placas y cuando la sedimentación es mucha, las celdas van inutilizándose.
Una batería descargada se comporta como una carga de una resistencia muy baja, y por el contrario, en la medida que se va cargando, este valor va subiendo hasta hacerse máximo cuando está cargada totalmente. Si se intenta cargar la batería con una Fuente de Voltaje (recuerde que este dispositivo mantiene constante su valor de voltaje independientemente de la carga), lo primero que ocurre es que la corriente de carga sube hasta valores muy peligrosos (Ley de Ohm), ocasionando los daños ya explicados en las placas y recalentando el electrolito. Incluso, he visto baterías explotar por exceso de acumulación de gases (el hidrógeno de la reacción) en su interior por una corriente de carga elevada. En la medida que la batería se va cargando, como su resistencia va aumentado, esta corriente de carga va a ir disminuyendo, haciéndose muy pequeña cuando la batería adquiera su carga total.
Los niveles de corriente en esta zona pueden llegar a superar los 10 A, valores extremadamente altos que producen los daños ya mencionados. Además ya habíamos visto que el producto I t era la carga de la batería (ecuación (2)), por lo tanto, el área debajo de toda la curva de carga representa dicho valor. Si esto es así, ¿cómo se puede controlar el tiempo de carga de una batería para poder tener el control de la carga total que se le debe suministrar?. Con Fuente de Voltaje eso no será nunca posible.
Nótese que ahora hay un control total de la carga de la batería, ya que como la corriente es constante, sólo nos queda controlar el tiempo. En este caso son 26 horas. (2,5 A . 26 h = 65 Ah) Por otro lado, no se producen los daños en las placas ni el exceso de gases por calentamiento del electrolito porque la corriente está controlada.
Una Fuente de Voltaje típica y básica está integrada por un transformador (para disminuir el voltaje de la línea de corriente alterna domiciliaria), un puente de diodos para convertir la corriente alterna en pulsante y un bloque de capacitores para atenuar las ondulaciones del proceso de filtrado. Se pueden adicionar elementos reguladores para estabilizar el voltaje de salida. En la Figura No. 6 se muestra una fuente de este tipo.
El voltaje de salida depende del tipo de regulador que se emplee, y de hecho en el mercado se venden toda una gama de ellos para familias enteras de voltajes. Los dos más famosos son el 7805, que entrega 5 V y se emplea mucho en la alimentación de circuitos con lógica digital TTL [2] y el 7812 que entrega 12 V y se emplea mucho para la alimentación de equipos de este valor de energía. Todos estos reguladores, puesto que son Fuentes de Voltaje, mantienen el valor de dicho voltaje constante, independientemente de la carga. Es muy común encontrar en el mercado Fuentes de Voltaje. La mayoría de los cargadores lo son, causando los daños ya descritos a las baterías.
Una Fuente de Corriente se puede diseñar con las mismas componentes de una de Voltaje con algunos ligeros cambios. En la Figura No. 7 se muestra una Fuente de Corriente. Puesto que el voltaje a la salida del regulador es constante (porque es una Fuente de Voltaje), la corriente por la resistencia R, será también constante por Ley de Ohm. Esto hace que lo que se conecte a la salida de esta fuente, también tendrá corriente constante. Si se usa en regulador 7805 y si se está diseñando un cargador para suministrar los 2,5 A de carga de una batería, entonces R será de 2 Ohm (5 V / 2,5 A). Ojo, la potencia disipada en dicha resistencia será el producto del voltaje por la corriente, 5 V . 2,5 A = 12,5 Watt. Por un criterio de seguridad se le suma una tolerancia. Una resistencia de unos 17 Watt quedaría bien. Este tipo de resistencias se construyen de alambre.
El diseño integral también debe tener en cuenta la distribución de voltajes. Puesto que la batería tendrá 12,65 V entre sus terminales, la caída de voltaje en la resistencia es de 5 V y entre los terminales Vin y Out del regulador el fabricante exige mínimo un voltaje de 3 V para garantizar su funcionamiento, eso quiere decir que a la salida del puente de diodos tendrá que haber un voltaje de 20,65 V mínimo (12,65 + 5 + 3 = 20,65 V) (Ver Figura No. 8). Tampoco debe ser mucho más alto porque eso representaría mayor caída en el regulador, ocasionando su recalentamiento.
Ahora bien, falta aún un aspecto más. Los reguladores que normalmente se venden en el mercado son de tres tipos, en función a los niveles de corriente que pueden suministrar. Los hay de 100 mA, 1 A y 5 A. Si encuentra uno de 5 A, ya no tiene nada más que hacer, sólo ponga el regulador en un disipador de calor porque se va a calentar un tanto. Pero si no lo encuentra, entonces tendrá que adicionar una etapa de potencia. Se trata de transistores que componen una derivación para la corriente. En la Figura No. 9 se muestra la Fuente de Corriente con la etapa de potencia. Aquí se está empleando un regulador de 1 A pero los transistores suministran el resto de la corriente para cargas la batería.
Los elementos marcados con T1 y T2 son transistores y entre los dos, tienen la misión de suministrar el resto de la corriente que no puede alcanzar el regulador por sí sólo. Les recomiendo el 2N3054 para T1 y el 2N3055 para T2. La resistencia Ra también es de bajo valor y su finalidad es garantizar la conducción de T1. La configuración en la que están conectados T1 y T2 se llama Darlington, pero no es objetivo de este trabajo entrar en los detalles de su funcionamiento. Ambos transistores deberán colocarse en disipadores de calor. Se pueden encontrar diseños de Fuentes de Corrientes de varias arquitecturas, incluso de mayor precisión en el establecimiento de su corriente de salida. Insisto en la de la Figura No. 9 por ser fácil de construir y barata. Sus componentes son de muy fácil acceso en los mercados locales de cada región.
Si quiere alargar la vida de sus baterías, emplee Fuentes de Corriente para cargarlas. Créanme, he tenido la misma batería por 10 años de trabajo con ciclos de carga casi a diario.
Periódicamente chequee con un multímetro el valor de la corriente que está entregando su Fuente de Corriente, algún componente se puede desvalorizar y cambiar este valor, afectando la salud de la batería. Cuando vaya a cargar sus baterías, tenga un estricto control del tiempo de carga. No exceda el valor en Ah que dice la batería impreso en su caja. Si tiene la posibilidad puede adicionar un timer para que haga la desconexión de forma automática. Afloje los tapones superiores de cada vaso, pues aunque la corriente de carga sea controlada, siempre se desprende hidrógeno en la reacción química y pudieran acumularse en presiones peligrosas. Chequee el nivel del electrolito. Debe mantenerse entre los dos niveles marcados en la carcasa de la batería. Nunca, pero nunca, fume ni permita que se haga, cerca de una batería bajo régimen de carga. El hidrógeno es inflamable.
[1] http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/acumuladorplomo.html [2] https://unicrom.com/familia-de-circuitos-integrados-ttl/
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Esto quiere decir básicamente que por un circuito que tiene una resistencia de un valor determinado y tiene un voltaje aplicado, el valor de la corriente
que circula no es cualquier valor, sino el que resulta de la ecuación (1). Ver el ejemplo numérico de la Figura No. 1.
,
siendo el segmento más largo el terminal positivo.
,
y la saeta indica el sentido de la corriente.
Si en el circuito de la Figura No.1 colocamos una Fuente de Corriente en lugar de una Fuente de Voltaje, los cálculos van a variar. (Véase Figura No. 2).
La reacción química entre el plomo, el óxido de plomo y al ácido sulfúrico dan potenciales que garantizan el voltaje de la batería. En la Figura No. 3 se
muestra la arquitectura interna de una batería de este tipo. Tomado de [1].
Ahora bien, véase la Figura No. 4. Esta es la curva de carga de una batería con una Fuente de Voltaje. Vea la zona sombreada, es la zona de real maltrato
de la batería, donde los niveles de corriente son muy altos.
La solución está en cargar la batería con una Fuente de Corriente (que recuérdese que mantiene la corriente independientemente de la carga). Por ejemplo,
si se diseña una fuente de este tipo para suministrar una corriente de 2,5 A, que sería aproximadamente el 4% del valor de 65 Ah, y cargar la batería
durante 26 horas, el gráfico sería como se muestra en la Figura No. 5.
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