www.geocities.ws/danielperez www.qsl.net/lw1ecp Ing. Daniel Pérez LW1ECP
fb: Daniel Ricardo Perez Alonso contacto: danyperez1{arrroba}yahoo.com.ar
Veremos cómo prolongar la vida de las baterías de plomo que incorporan algunos aparatos
domésticos, cargadas desde la red. La nota es
deliberadamente extensa, ya que describe cada paso desde la idea al circuito
final, incluyendo los pasos equivocados, porque se la quiso orientar con fines
didácticos de cómo puede ser un diseño.
Para nociones y términos acerca de las baterías, por favor referirse al artículo Baterías de Plomo en este sitio.
Veamos algunas implementaciones prácticas de protección contra exceso de
carga.
Una vez compré una luz de emergencia (nueva) de 60 LED a un vecino, no era un comercio
del ramo. Me sugirió que la cargara por 24hs antes de usarla, y por 24hs después
de cada uso, desenchufándola después. No le hice caso, qué poco profesional el hombre. Es que acaso no es el
tipo de artefactos que se dejan permanentemente enchufados a la red eléctrica,
para que se enciendan automáticamente al sensar un apagón? Lo cierto es que tras
unos meses dejó de alumbrar, recibiendo o no tensión de red eléctrica. Lo
desarmo. Veo 4 baterías de plomo-ácido de 4V en paralelo, sin inscripciones,
por el tamaño se supone que son de 0,9 o 1,1Ah. Las baterías de 4V se
popularizaron con el uso de los LED blancos, que requieren algo más de 3V. Y se
usan 4 en vez de una sola de cuádruple capacidad, para ocupar un espacio
alargado, acompañando la forma del panel de LEDs. La sorpresa: todas las 4
tenían destruidos los pelitos de los cables al borne positivo (pero no el borne
en sí, que es un palito que sobresale de la carzaza). Los negativos, intactos.
Los limpio, los estaño bien,
sueldo nuevamente los cables y el aparato volvió a funcionar. Todos en casa nos
pusimos de acuerdo en enchufarla sólo tras un corte o uso prolongado. A pesar de
ello, a los meses volvió a fallar. Misma falla. Esta es una foto de la 2a vez:
esta vez presté atención a las gotas de ácido, remarcadas en celeste (es ácido
porque no se evapora nunca). Es muy extraño, pero sobre el gabinete no se ve ningún rastro de por
dónde fluyeron, a lo sumo hay algún hilito sobre el adhesivo doble faz que fija
las baterías, en las dos más cercanas a la plaqueta. Las aberturas de venteo con
tapones de goma están
del lado donde las baterías se pegan al gabinete, pero tampoco hay aureolas de que el ácido
haya salido por los tapones:
Todas tenían entre 4,31 y 4,34V en vacío, medidas tras ~1 mes de haber dejado de
funcionar, una buena tensión como para no sufrir en ese lapso.
Qué pasó? Obviamente, parte del ácido
habrá escapado de las baterías atacando la conexión. Pero cómo va a
salir electrolito si las baterías son del tipo selladas, con
electrolito absorbido (SLA - AGM), que pueden funcionar en cualquier
posición? Lo único que se me ocurre es que haya escapado porque hubo
exceso presión carga, lo que genera gases que aumentan la presión
interna. Lo raro es que los bornes (+) son los más alejados del plano
donde quedaron las gotas. Debe ser que el ácido no deja aureolas por
donde se escurrió.
Mirando el esquemático
levantado se aprecia que no hay nada que fije la tensión de flote. No se respeta
la recomendación de cargar a tensión constante. En realidad están siendo cargadas
continuamente con una corriente constante, abusando del mecanismo interno de
recombinación de gases, y es seguro que tras alcanzar la carga plena se excede
incluso la tensión
de ciclado.
Por qué decimos que es por corriente constante? Si en vez de C11 hubiese una
conexión directa al puente, el electrolítico tendería a cargarse al valor pico
de los 220V eficaces, o sea 310V. Y un cortocircuito en esa salida de CC haría
circular una corriente que tendería a infinito. Pero veamos cómo influye C11:
- C11 tiene una reactancia de
1447 ohm @ 50Hz. Limita la corriente que pueda circular, como si se pusiese un
R, pero sin disipar.
- Que la
salida de CC esté fijada en unos 5V es prácticamente lo mismo que un
cortocircuito, es 'nada' en comparación con los 310V que daría en vacío.
- Como recibe prácticamente la totalidad de los 220V circula una corriente de
220V/1447 ohm = 152mA de valor eficaz.
- Un rectificador de onda completa (el puente) suministra una intensidad de CC que es igual al valor medio de módulo de
la corriente alterna que le llega, o
sea 152 * raíz(8) / PI = 137mA de CC.
- De esa corriente, hay que descontar 4,4mA
que roba R12 para el LED que indica tensión de red, y 13,9mA que se
pierden en R13 y R14, con lo que a las baterías les termina llegando
unos 119mA.
- Sin
importar que las baterías estén descargadas o cargadas, SIEMPRE reciben
prácticamente esos 119mA. El vendedor tenía razón.
Nota:
4 baterías de 0,9Ah suman 3,6Ah. La cuenta 3,6A*h / 0,119A da 30 horas. A esto
se lo llamaría régimen de carga "C/30". Los Ah nominales de una batería se
refieren a lo que puede *entregar*. Pero cuando se la carga hay que devolverle
aprox. un 30% más, o sea que a esa corriente habría que dejarlas unas 39h.
Qué solución simple podemos idear? Podría ser un zener en paralelo con
las baterías que comience a conducir cuando se llega a la tensión de
flote. Pero los zener tienen una tolerancia de 5%: aunque existiesen
con una tensión *nominal* como la que necesitamos, +/-5% sería un error
de +/-0,23V. Se necesita más finura, por lo que se impone usar un
"zéner programable" tal como el famoso TL431, con la tensión de zener
determinada con 2 resistores. La idea es que el integrado varíe su
consumo de modo que la tensión de su pata de control iguale a una
referencia interna de 2,5V. Esto ya lo había usado con éxito para
reemplazar 3 celdas de NiCd por una Li-Ion en un teléfono inalámbrico.
Las Li-Ion tienden a prenderse fuego si se excede de unos 4,3V, y el
cargador del inalámbrico era capaz de superar este valor antes de
cortar, así que un TL431 programado en 4,1V en paralelo con la Li-Ion
fue la solución ideal. De paso menciono que la Li-Ion se había sacado
de un celular por gastada. Pero en un inalámbrico, como está sólo
ocasionalmente fuera del cargador, anduvo perfectamente por años.
Desde ya,
R1 o R2 debe ser ajustable para compensar tolerancias.
Volviendo a la luz de emergencia, si el fabricante de las baterías de plomo
recomienda una tensión de flote de 2,28V por celda, programemos el TL431 en 4,56V
y ya.
Cuando la batería llega a esa tensión, el rectificador seguirá entregando la
corriente constante, pero cada vez menos corriente irá a parar a la batería a
medida que va completando la carga, y más al zener. El
fabricante del TL431 especifica una corriente máxima de 150mA, a la cual no se
llega (salvo que tengamos altísima tensión de red). Pero 119mA * 4,6V = 550mW, lo que sí excede
la disipación del TL431 versión TO92, y más aún si es SMD.
Para reducir la disipación del TL431 tenemos estas opciones:
- Reducir la tensión ánodo-cátodo. Como le basta 2,5V para funcionar podemos
poner 3 diodos 1N4002 en serie con el cátodo, lo que resta unos 2,1V, quedando 4,6-2,1=2,5 y disipando
2,5*0,119=300mW. Esto no afecta la tensión a la que regula porque a la
pata de control le sigue llegando la fracción de la tensión de salida que
hay que sensar, no importa la del cátodo (con tal que no baje de 2,5).
- Hacer que la mayor parte de la corriente sea manejada por un transistor, al
que se le puede agregar disipador. El resistor B-E es para que el transistor no
se encienda con el consumo interno del TL431 cuando no llega a regular. Esto de
'darlingtonear' el TL disminuye muchísimo su disipación y
también lo aleja de la corriente máxima. La mayor ganancia aportada por el
transistor puede originar oscilaciones de más o menos alta frecuencia, las que
se evitan con la solución infalible del capacitor en paralelo.
- El
transistor puede ser un TO220 sin disipador, la superficie de su cuerpo podrá
disipar perfectamente los 550mW. Pero para abaratar podemos usar un TO-92 y
hacer que un R en serie con el colector se 'coma' la mayor parte de la
disipación. Con que el transistor tenga Vce=1V con la máxima corriente, alcanza.
Pero si somos perfeccionistas querremos incorporar la compensación por
temperatura (ver la nota mencionada sobre baterías). Una forma es agregar un termistor o diodos de forma conveniente.
Suponiendo que este modelo de batería pida -3mV/celsius por celda, deberemos
variar el zener en -6mV/celsius. Eso es lo que varían 3 junturas. Pensemos cómo
implementarlo. Con R1 = 2500 ohm, la corriente por el
divisor resistivo es de 1mA (despreciando la corriente de entrada del TL).
Reemplazando el resistor de realimentación del TL431 por 3 1N4148, recorridos
por 1mA, producirán una caída de 0,62V c/u @ 25 celsius según las curvas típicas, totalizando
2,5 + 0,62*3 = 4,36V. Bien. Un resistor variable (R2, ver esquema A) en serie con los diodos para el
ajuste fino y estamos hechos.
Ahora
bien... no es justo que Texas Instruments se haya tomado tanto trabajo de lograr
perfecta estabilidad térmica de la tensión de referencia, para que después lo
arruinemos haciendo que la tensión regulada varíe a propósito! Qué tal si
reemplazamos el TL por un transistor, y que su juntura BE haga el sensado de
temperatura?
En el
esquema B) se demuestra que no es correcto llegar a 4560mV
simplemente multiplicando 6,5 veces los 700mV de Vbe porque su coeficiente de
-2/celsius también se multiplicaría por 6,5, dando -13/celsius, muy excesivo. En
el lazo de sensado, se
necesita agregar una caída independiente de la temperatura,
para no tener que multiplicar tanto.
Al esquema
C) se llegó por tanteo. En el apéndice al final de la nota se
determinó que un LED blanco 5mm común en plaza presenta una caída de 2860mV con
1mA, con un coeficiente de -3/celsius, bastante más estable en términos
relativos que una juntura común de silicio. El coeficiente sobre la batería (-8) es
algo más negativo que lo proyectado, pero es mejor pasarse un poco ya que:
- La
temperatura en la plaqueta varía algo menos que en el cuerpo de la batería.
Los elementos que determinan el coeficiente, idealmente deberían
estar en contacto térmico con la batería o una de ellas.
- El
coeficiende de la temperatura a la que empieza el gaseo es mayor (más negativo)
que el de la tensión de flote. Dicho de otro modo, a altas temperaturas empieza
a gasear con muy poco más que la tensión recomendada de flote, por lo que
conviene darle de menos.
Veamos
cómo es la característica tensión / corriente de este 'zener':
El LED
blanco se simuló con un diodo de silicio más una tensión fija. Con una tensión
de batería por debajo de 2,8V prácticamente no conduce el LED, y ambos
transistores están apagados. Si seguimos aumentando la tensión, comienza a
circular una corriente únicamente por el LED y las R en serie. Cuando la caída
sobre R1 llega a hacer conducir al NPN, comienza el funcionamiento deseado.
Nótese que el agregado de R3 permite tener una curva más horizontal, más cercana
a un zener perfecto. Esto se debe a que R3 obliga a Q1 a tener más corriente
antes de llegar a encender a Q2, entonces cuando éste se enciende, Q1 ya estaba
trabajando con mayor transconductancia.
Pero ahora vemos un problema.
Supongamos que la batería se cargó al 100% de la tensión deseada de
4,56V. El zener está consumiendo la totalidad de la corriente para
evitar que siga cargando. Entonces desenchufamos de la red el aparato
pero con la llave en modo apagado. El zener descargará parcialmente la
batería, bajando su tensión hasta llegar al punto en que dejen de
conducir los transistores. No es vital, un poco que baje la tensión y
ya no molestará, pero es mejor si se puede evitar. Si el zener fuese
ideal, apenas baje aunque sea 1mV dejaría de robar corriente, pero
vemos que no es tan así. Cómo lo solucionamos?
Volvamos
al esquema de la luz de emergencia, fijémonos en D15 por el que pasa la corriente
de carga. En su ánodo tenemos la tensión de batería más la caída en el diodo,
unos 800mV para 119mA. Si ponemos el zéner del lado del ánodo, y lo
reprogramamos para esa caída extra, evitaríamos totalmente que descarge la
batería al desenchufar, ya que D15 quedaría en inversa, esquema A)
Pero
estamos generando más problemas.
- La
caída del diodo varía entre 600 y 800mV para corrientes de carga entre algunos
de mA y el centenar de mA. Esto empeora la horizontalidad de la limitación que
've' la batería, aunque el zener en sí fuese perfecto, o sea estaría empezando a
robar corriente cuando aún no está totalmente cargada, prolongando el tiempo de
recarga. En otras palabras, se está empeorando la regulación del zener.
- Además,
el ánodo de D15 está alimentado por un rectificador filtrado con sólo 100uF. Si
no fuese por la acción estabilizadora del zéner o las baterías, por
simulación vemos que el ripple es de 2,5V pico a pico, invalidando totalmente
los cálculos que hicimos suponiendo que la salida del rectificador es una corriente de CC pura.
- Debido
a ese ripple, D16 no estará siempre en directa durante la carga, lo cual permite
que los transistores enciendan a los LED.
Pensemos
otra solución. Ok, volvamos a poner el zener del lado de la batería, pero
que se inhiba, no por una disminución de la tensión aplicada, sino por una orden
digital cuando se desenchufa. Algo que haga que cuando la
tensión rectificada (V sobre C12) caiga a cero, se bloquee Q1. Veamos el esquema B). Se
permutaron las posiciones del LED y R2. De este modo, cuando no hay tensión a la
salida del rectificador, el diodo agregado D2 conduce asegurando que Vbe de Q1 no
llegue a 0,7V. En este modo hacemos trabajar al LED como un desplazador del
nivel lógico, como en las antiguas compuertas DTL: si D2 fuese directamente a la base de Q1, su cátodo necesitaría un
nivel negativo para cortarlo.
Pero,
estamos seguros que la tensión en C12 es cero al cortarse la red, y con el artefacto apagado? D2 inyectará algo más de 1mA
hacia C12. El camino a masa es a través de D16 y 310 ohm. Haciendo la cuenta de
sumar las caídas en ambos diodos y en los 310 ohm tenemos unos 2V en ánodo del
LED. Perfecto, estará bien al corte, junto con ambos transistores.
Bien. Está terminado el asunto? Queda un detalle.
Cuando una luz de emergencia está apagada, pero desconectada de la red, p. ej.
cuando está a la venta, es necesario no agregar ningún consumo adicional a la
autodescarga de la batería. Pero con nuestra reforma sigue habiendo una pequeña
corriente: por R2 circula aprox. (4,5V - 2*0,7V) / (1200 + 310) = 2mA. Si la
capacidad es de 3600mAh se descargará en 3600/2 = 1800h = 2,5 meses, suponiendo
que la descarga interna de las baterías sea despreciable. Hay dos formas de
atacar esto:
-
Reducirlo, reduciendo la corriente que circula por R1, R2 y D1.
-
Eliminarlo, desconectando de algún modo R2. O bien, desconectar de masa R1 junto
con Q1. Para desconectar R2 no se me ocurre nada sencillo. Para levantar de masa puede ser un NPN en
serie con R1 y el emisor, cuya base irá con un resistor a C12: se saturará
cuando el aparato esté enchufado, se cortará totalmente cuando no, y no se
necesitará D2. También podría ser un MOS, sin necesidad de resistor en serie,
pero será más caro.
Pero
quién va a tener el aparato desenchufado 2,5 meses? No era que esta
reforma es para que pueda estar siempre enchufado? Es que si esta idea
se aplica a una fabricación, hay que prever los meses que pueden pasar
entre que la carga que se dio en fábrica, hasta que se vende y se
empieza a usar. Además, las baterías empezarán a sufrir mucho antes de
los 2,5 meses si se van descargando. Como esto lo diseñé para mi uso
personal, lo corté aquí.
Una vista del prototipo:
Sólo
el NPN y el LED necesitan estar en contacto térmico con la batería,
pero se agregó el PNP por razones mecánicas, los 3 componentes se
soldaron de modo que sobresalgan lo mismo y sean 3 patas que apoyan
sobre la batería. Los resistores de colector del PNP se colocaron lejos
del NPN para calentarlo lo menos posible. Asimismo se agregaron
agujeros abajo para mejorar la convección.
En
breve se agregará un análisis del circuito original para conmutar los
LEDs ante corte de red, y los daños en componentes ante batería abierta
por sulfatación de los cables.
Apéndices
Levantar la curva V/I del LED blanco utilizado:
Determinar el coeficiente de temperatura del LED blanco:
Se
conectó el LED blanco en serie un 1N4007 y un 1N4148 para fines
didácticos, con cables que permiten medir la caída de c/u. Se los
alimentó con 1mA. Se los introdujo en un tubo con grasa siliconada en
la punta. Para hacer llegar la grasa a la punta se la introdujo como se
ve en las imágenes, con la ayuda de una hoja plástica y una mecha. Se
tapó el extremo abierto con un algodón empapado en aceite para frenar
el ingreso de agua.
Se midieron las tensiones a temperatura ambiente
(era de aproximadamente 25 grados), luego en una mezcla de agua y
cubitos de hielo revolviéndolos, y en agua hirviendo. En las fotos se
ve un tubo plástico, se debió cambiar por un tubo de ensayo por
deformarse en el agua hirviendo.
Estos son los resultados. Para facilitar la comparación se restó 2000mV a la tensión del LED.
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