Auto-Cargador de Baterías

Auto Cargador de Baterías.

Esperamos con sinceridad que este proyecto sea bien acogido y sea un referente para todos aquellos entusiastas, aficionados o técnicos que por alguna razón necesiten disponer de un cargador. Con unos pocos componentes estándar y un poco de tiempo, como su nombre indica, dispondrán de un cargador automático de baterías de plomo a 12V.

Ciertamente este tema es algo que hemos tratado en muchas ocasiones y no sólo nosotros, pero debido a la demanda que hemos detectado y lo repetitivo de personas interesadas en el tema, vamos a abordarlo una vez más y veamos si esta es la definitiva.

Esperamos que el lector ponga de su parte un mínimo de atención y relea los textos, tratando de entender lo que aquí se describe, creemos que con bastante sencillez. Si bien es cierto que, en algunas ocasiones al tratar el tema, se han dejado algunos ‘flecos’, para que el lector con su impronta empiece a andar por si solo, cosa que, sabemos ha ocurrido en bastantes ocasiones. Pero, sigamos.

Características.

En el caso de necesitar cargar una batería de plomo-ácido, aquellas de los sistemas de seguridad o de los automóviles de 12V de tensión nominal y una capacidad entre 40 y 180 Amperios, este es el caso que vamos a contemplar en este tratado sobre los cargadores de baterías que, además deben ser de desconexión automática cuando la carga de la batería haya llegado a su fin o en nuestro caso más concretamente se detendrá automáticamente cuando la corriente de carga caiga por debajo de una corriente prefijada por el usuario.

No nos referimos a otros tipos de baterías, sólo a las de plomo ácido.

Por lo general, una batería de plomo está constituida por un vaso contenedor no conductor, dos armaduras independientes, enfrentadas entre sí, las cuales forman los dos polos de la batería y un líquido que inunda ambos polos, pueden llevar un separador de fibra de vidrio. Este líquido que, es una solución de ácido sulfúrico y agua con una concentración concreta, la cual no se debe exceder, ni en más ni en menos de cierto margen, debe llevarse mucho, mucho cuidado en su manipulación ya que se trata de un ácido muy corrosivo y se debe evitar su contacto directo, en caso de necesidad de manipularlo utilícense guantes de látex o similar.

Fig. 1

Este liquido acidulado (electrolito) es el responsable de la permutación de los iones durante la carga y la descarga de la batería, convirtiendo las armaduras que en un principio eran iguales incluso a la vista y sin embargo una vez realizada la carga el aspecto es diferente, de un color marrón y textura similar a la esponja.

La carga de una batería siempre se debe realizar según las indicaciones del fabricante, aunque son muchos los que al parecer no le dan importancia, las consecuencias de cargas defectuosas siempre reducen la vida expectante de la batería, incluso pueden sulfatar sus polos dejándolas inservibles.

El circuito.

La relativa sencillez del circuito se puede comprender al revisar el esquema sinóptico que se presenta en la figura 3, en el que podemos distinguir cuatro etapas referenciadas como, rectificación, generador de corriente, limitador de corriente y detector de nivel de carga.

 Fig. 2

Como siempre el transformador es  el elemento que mayor importancia tiene en este caso, recomendaremos una vez más que se utilice, el transformador separador galvánico es un transformador con un primario independiente del secundario o secundarios, si se utiliza un transformador con mas secundarios.

El secundario, debe dar en vacío una tensión de 10 V (80VA), si lo que se pretende es cargar baterías de 12V, ya que una vez rectificada y filtrada nos dará una tensión con un margen de entre 13’8V y 14’4V, que entra dentro de los parámetros de la mayoría de los fabricantes de baterías y una corriente de 8 amperios.

Veamos cómo es esto. Al rectificar una tensión alterna de 50 Hz, a media onda, nos presenta una subida de tensión, para saber la tensión resultante hay que aplicar la siguiente formula:

V_o = V_i x /¯2 ;
V_o = 10  x 1,4142 = 14,14 V

(En el hipotético caso de que se desee cargar baterías de 24V, la tensión de salida del transformador, debe ser de 18V a 19V, que según lo descrito en la formula anterior, nos dará un margen entre 25’4V y 26’8V.)

Nosotros nos basaremos en el caso de 12V. Atención, estamos considerando potencias de entre 75 W y 115 W y debemos tomar las debidas precauciones de seguridad ante el calor a disipar y las corrientes en la carga durante un tiempo prolongado.

La rectificación.

La tensión de 10V del secundario se rectificará, por cuatro diodos con una corriente de paso de un rango entre 8A y 10A en onda completa, similares a los mostrados en la figura de la derecha,  BYV54V-100 o similares, los cuales por su especial diseño se pueden refrigerar con facilidad, pues  disiparan mucha energía, durante mucho tiempo, lo cual, como se sabe es un factor a tener en cuenta, aconsejamos que se tomen las medidas oportunas para disipar el calor que genera dicha energía. Que sea con un radiador de aluminio, incluso mediante un pequeño ventilador, dado el caso. Tal vez dispongamos de un puente rectificador con un amperaje adecuado 25A, de fácil refrigeración para sustituir a los cuatro diodos.

Así, después de rectificada la tensión, a su salida dispondremos de un filtro, construido alrededor de un condensador electrolítico C₁ (conocidos como condensadores químicos), normalmente en un alimentador y debido a su capacidad son los elementos de mayor tamaño después del transformador y los transistores de potencia.

Fig. 4

En el presente caso, no es necesario que su capacidad sea especialmente excesiva, aunque parece adecuado un buen filtraje. En este caso y decimos, exclusivamente en este caso, no se requiere un gran filtrado, todo lo contrario, se demuestra que ante la fuerte corriente de carga la propia batería se comporta como un condensador, lo que será suficiente.

A la salida del filtro debemos disponer de los comentados 14’2V o muy poco más, este margen se compensará en las distintas etapas, como más tarde veremos.

En el circuito sinóptico, podemos distinguir cuatro partes fundamentales bien definidas, una la rectificación ya descrita, otra parte consiste en el generador de corriente constante, otra parte corresponde al limitador de corriente de carga y por último, está el detector de nivel de tensión a bajo consumo, de vital importancia en este desarrollo, más adelante se describe su funcionamiento.

Funcionamiento.

La tensión de salida del filtro llega a los colectores del transistor de potencia T₃ y T_2, y mediante la resistencia R₆ se reduce convenientemente, de modo que la corriente que la atraviesa permita la conducción a la base de T₂ (un BD139 servirá o mejor un BD241), en condiciones normales la salida máxima por emisor será de 14’0 V, alcanzando la base del transistor de potencia T₃.

El transistor T₃, conducirá según el valor la corriente de paso por R₆ que como se verá caerá en la medida en que entre en conducción T4 que, como se describe luego, depende directamente de la corriente de carga.

Veamos la descripción del comportamiento de este regulador, en la imagen de la derecha. Con una corriente I_b de paso por R₆ y suponiendo que por R_a pasa una corriente I_a con un valor cercano a 0,  el transistor T se pone en conducción y entrega por su emisor una corriente I_e a la tensión de Vcc. Naturalmente, si la condición del valor de I_a pasa a ser igual al de I_b, el transistor T dejará de conducir, por tanto podemos decir que, en la misma medida en que aumente la corriente de paso de I_a, así disminuirá la corriente de I_e y por consiguiente la tensión suministrada.  Esto en definitiva demuestra que, con una pequeña corriente de base podemos manejar una gran corriente de emisor, que es el motivo que nos interesa conseguir.

Fig. 6

Sigamos, el transistor de potencia T₃, es un 2N3055, que tiene una ganancia de sólo 20, el cual puede sustituirse por un transistor de mejores prestaciones, si lo creemos necesario o un darlington de alta potencia mejor.

El transistor de potencia T₃ puede ser un 2N3055 o similar (uno por cada 3A de consumo). Si necesitamos más de 3A, debemos montar otro transistor igual en paralelo, es decir, montados en «darlington».  Estos estarán montados con los colectores juntos, unidos al positivo (+V), las bases de estos transistores juntas al emisor del transistor T₂ y cada emisor de T₃ mediante una resistencia de compensación de 0’1Ω con los extremos libre de cada una juntos, como una única salida, ver la figura 6.

El Limitador de Intensidad.

La corriente que atraviesa el transistor de potencia T₃, llega al divisor de tensión formado por R₈ y R_s, por lo que dispone de dos caminos a recorrer; la baja resistencia R_s, hasta la carga (batería) y por otra parte, la resistencia R₈, de base del transistor de paso T₄ (BD241B), en ciertas condiciones este transistor no conducirá. Esto es, mientras la corriente que atraviesa la resistencia R_s, no supere los limites prefijados por ella misma. Llamamos R_s al conjunto formado por R₁₁, R₁₂, R₁₃ (de valor muy bajo) en el esquema de la derecha.

Cómo se consigue la auto-regulación.

Veamos cómo se consigue la auto-regulación. En condiciones normales de funcionamiento, es decir, cuando la batería se está cargando, a extremos de la resistencia R_s, se produce una caída de tensión debido a la corriente de carga que la atraviesa, en la medida en la que ésta tensión supere los  0’7V (de umbral entre base-emisor), llevará a la conducción al transistor T₄, en la misma proporción drenará la corriente a través de R₆ a la base de T₂, lo cual reducirá su conducción y la corriente de paso de T₃. Esto a su vez, reduce la citada caída de tensión en R_s por debajo de los 0’7V, cuya consecuencia hace que aumente con la misma proporción  la tensión en la base de T₂ y a su vez, la conducción de T₃, repitiéndose de nuevo el ciclo, hasta establecerse en milisegundos, un equilibrio en el paso de corriente por T₃ y R_s, que no llegue a interrumpirse, este hecho, es la auto-regulación propiamente dicha.

Fig. 8

Por lo tanto la tensión de salida, dependerá en cada momento directamente de la carga. En el posible caso de producirse un cortocircuito en los bornes o cables de salida, la corriente de paso por T₃ tiende a superar los límites establecidos por las resistencias de R_s y antes de que se destruya el transistor, actuará el limitador de intensidad, como se a descrito, absorbiendo toda la tensión proporcionada por R₆ a través de T₄ que debe disipar dicha corriente a masa, evitando su destrucción y la de T₃.

Cuando se consigue el mencionado equilibrio en el regulador de intensidad, la carga de la batería se produce con total normalidad. De esta forma, a medida que la batería adquiere la plena carga, la tensión en sus bornes sube de nivel. Mientras haya carga la corriente no atravesará R₁₀, P₁ y P₂, ya que la batería está absorbiendo toda la corriente. Cuando el nivel en extremos de la batería se acerca a los 12 Voltios, la corriente empieza a fluir hacia T₁, hasta llegar a entrar en conducción el transistor T₁ (BD139 o similar), lo que produce una diferencia de potencial en el divisor de tensión formado por las resistencias R₄ y R₅, en cuya unión se llega al nivel de 0’7V o poco más, esto es suficiente para disparar al thiristor Th₁ (TC106 o similar), que entra en conducción, en la figura 5, se puede seguir lo comentado.

Fig. 9

En el momento que entra en conducción Th₁, lleva como consecuencia a que se desactive el relé R_L, lo que provoca que el contacto normalmente abierto (NO) que hasta ese momento estaba cerrado, por la acción de pulsar M, ahora estará en reposo y en consecuencia, quedará cortada la tensión de red que circulaba por dicho contacto, provocando de este modo la auto desconexión del cargador. El LED rojo de salida indica el estado en carga y la R14 se calcula para que entregue de 15 a 18mA.

Conclusión.

Recapitulemos, al conectar a la red el transformador, no funciona nada, hasta que se pulsa el botón de marcha M, en ese momento, si la batería no está conectada a los bornes de salida debido a que no hay consumo de carga, el thiristor Th₁, se activará y desconectará al relé y consecuentemente no se mantendrá conectado, esta es una de sus finalidades, también es posible que, hayamos conectado la batería en los bornes y además que esté cargada (es el caso en que se encuentra al terminar la carga) y por lo tanto en ese caso no habrá suficiente paso de corriente (por los cables a la batería) como para que el relé se mantenga activado, desconectándose de igual modo. Otro caso es que, por descuido del usuario se crucen los terminales de salida, en ese caso al pulsar igualmente M, como consecuencia del corto, la corriente de salida tiende a 0V e igualmente no se mantendrá activado el relé evitando así que, se deteriore el cargador.

Por último, en el caso de conectar a los bornes de salida, una batería que esté lo suficientemente descargada, al actuar sobre el pulsador M, se activará como siempre el relé con el paso de corriente hasta los bornes de la batería hará permanezca activado, debido a que entrará en carga y producirá como se ha descrito, cierta caída de tensión a extremos de R_s, lo que producirá el efecto descrito y empezará realmente la carga.

De manera que, en estas condiciones si la intensidad de carga tiende a superar la carga prevista, se producirá en cierta medida una caída de tensión a extremos del conjunto R_s y entrará a actuar el sistema de seguridad descrito mas arriba, regulando la salida a la carga y como consecuencia produciéndose la carga propiamente dicha.

Los cables de salida, a la batería debe ser de 4 a 6 mm² de sección para 6A y mayor para más amperios, pueden calentarse incluso producir algún problema o incendio en caso contrario.

Pasado un tiempo que, dependerá directamente del estado de descarga de la batería, ésta empezará a estar en plena carga y como consecuencia se reducirá el paso de corriente por R_s y entrará T₄ en conducción, provocando en la misma proporción la conducción de T₁, de forma que si establecemos un ajuste, mediante la adecuada regulación de P₁ y P₂, se puede lograr alargar por cierto tiempo el estado de carga de mantenimiento, pasado el cual habrá llegando el momento en que también se activará Th₁ y en consecuencia se desactivará el relé, lo que desconectará a su vez la tensión de red, permaneciendo en este estado.

Si la batería no se ha desconectado y suponiendo que la descarga de la misma sea >10%, permanecería desconectada, salvo que pulsemos de nuevo M.

Y aquí radica lo más importante de este montaje, su capacidad de seguridad, ya que si no intervenimos nosotros directamente no se vuelve a conectar. En el caso de que estando en pleno estado de carga de la batería, se cortara la tensión de red por cualquier circunstancia, el sistema no se activará de manera fortuita al volver la tensión de red, evitando así el deterioro inadvertido de la batería o incluso del propio equipo.

Esto es todo, espero que haya quedado suficientemente detallado el comportamiento del auto-cargador descrito y en especial su funcionamiento y la forma de lograr el automatismo de seguridad propiamente dicho, la placa de circuito de la aplicación, se recomienda trazarla con fibra de vidrio, para una mayor calidad y profesionalidad.

Los componentes.

Los componentes necesarios están descritos en la lección 3, ya que en ella se describe cómo funciona este tipo de fuentes de alimentación, de todos modos estos son:

Discusión.

Es recomendable antes de conectar a la red, volver a comprobar el conexionado de los componentes y asegurarse de su correcta localización.

El primer paso es repasar visualmente el montaje del circuito. En segundo lugar, asegúrese que todas las masas están en su lugar mejor aún si logra conectar todos los terminales de masa a un mismo punto, eso sería ideal.

¿El relé no se enclava? Seguro que el valor de la resistencia R2 no es adecuado, debido a que el relé RL es diferente al usado por mi, debe ser para 12V y su consumo no superior los 80mA, en otro caso debe calcular el valor de R2 de modo que se enclave cuando le llegue la tensión, haga una prueba antes de instalarlo en su sitio. Como prueba, conecte primero ambas resistencias y el relé para comprobar que se activa al aplicar la tensión de salida del puente rectificador, después del filtro, yo puse una de 10Ω. Cuando disponga de los valores correctos puede continuar el montaje del cargador.

Una vez todo conectado, debe poner en marcha el autocargador y ajustar su funcionamiento. El ajuste es sencillo y para lograrlo se debe seguir estos pasos:

• Conecte el cargador a la red y póngalo en marcha.
• Si no se activa el relé parece que está en el buen camino.
• Ahora debe pulsar el botón M y en ese momento se enclavará el relé, permaneciendo en ese estado por un instante ya que no detecta una carga en la salida y se desactivará.
• Debe conectar a la salida una carga variable (si dispone de una batería de 12V, con baja carga mejor), en estas condiciones accione de nuevo el pulsador M, ahora se activará el relé y permanecerá en ese estado, hasta que termine la carga, si cae el relé antes de terminar la carga, debe ajustar el potenciómetro P1 y P2, es posible que tenga que hacer varias pruebas para lograr el mejor ajuste.
• Compruebe la tensión a extremos de la carga, debe ser aproximadamente de 13’8V.

Cuando se mantenga conectado el relé modifique la carga o espere a que se cargue la batería, cuando la corriente de carga esté por debajo de los 80mA, debe dispararse el relé y cesar la carga, será necesario retocar el ajuste de P1 esta vez, para que se desactive el relé al llegar a los 50 o 70mA, con esto se puede dar por ajustado el autocargador.

Cualquier aclaración adicional o si desea las imágenes para imprimir el fotolito de la placa de circuito impreso, con el que montar el auto-cargador, diríjase al autor. Una donación de 6 € (Euros) o 6 $ USA, le permite obtener las 3 imágenes en PDF, para su construcción, póngase en contacto con el administrador.

Precauciones generales para manipular las baterías.

• Mantener alejado del fuego o calor. No desarmar. No limpiar con petroquímicos.
• No colocar en receptáculos sin ventilación. No poner los bornes en cortocircuito.
• No derramar el ácido, es muy corrosivo, en caso de contacto lavar con agua abundante.
• Recargar inmediatamente después de usar. No descargar en las de 12V por debajo de 11V.