Rediseño de luces de emergencia
 

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.


 
<eof>