martes, 27 de noviembre de 2012

Cargador solar de pilas DIY: acerca de las pilas NiMh y los cargadores

Hola querido lector,
hasta la fecha he ido presentado en el blog algunos cachibaches electrónicos, algunas ideas, y también el resultado de algunas sesiones fotográficas, pero todos tienen algo en común: para funcionar hace falta una fuente de energía, y normalmente suelen ser pilas.
Pilas normales y corrientes, por norma general, del tipo AA (las de toda la vida), aunque por economizar prefiero usar recargables, si bien en algunos casos sale más rentable comprar un pack de pilas alcalinas, como pudiste ver en este post http://blog.dosbotones.com/2011/09/pilas-y-flashes-flashes-y-pilas.html
De una u otra manera, sea con un aparato diseñado por uno mismo, sea usando flashes de fotografía, las pilas recargables son unas estupendas compañeras de trabajo, pero según el uso, tienden a consumirse más tarde o más temprano, y la dependencia con un cargador de pilas es inevitable.
Como la vida está cada vez más cara, y en el sureste de Gran Canaria, donde vivo, suele haber un cielo muy soleado durante casi todo el año, me he decidido a poner en práctica una idea que llevaba mucho tiempo rondándome: hacer un cargador de pilas solar desde cero.
Sin duda hay modelos comerciales que garantizan el funcionamiento, aunque suelen ser muy lentos, y obviamente, vienen tal cual, no puedes hacer ninguna modificación para mejorar la eficiencia.
Lo que voy a contar parte de mi experiencia, los conocimientos adquiridos durante el desarrollo del cargador solar, los errores cometidos, y los problemas a los que me he ido enfrentando.
Por ahora te adelanto que mi pretensión es partir de un aparato sencillo, para ir mejorándolo poco a poco.
Al igual que otros artilugios, parto con la idea clara de profundizar en un área determinada, y pasarlo bien, tomar este diseño como un reto y no como un objetivo ambicioso.
Pero lo primero es lo primero, y antes de empezar a hacer nada, hay que conocer cómo funcionan las pilas y las placas solares.

Pilas NiMh (recargables)


En el mercado hay varios tipos de baterías y pilas: li-po, NiMh, NiCd, alcalinas, zinc-carbono, etc... cada cual con sus ventajas e inconvenientes, como es lógico.
Para este caso me voy a centrar en las pilas recargables de tipo NiMh[1]: las pilas recargables que podemos comprar en cualquier supermercado, gran superficie, jugueterías …
¿Por qué este tipo de pilas? Porque son fáciles de adquirir, el precio está relativamente ajustado (depende del fabricante, capacidad, retención de carga, etc), es muy fácil adquirir un cargador (se puede conseguir en cualquier establecimiento de los mencionados e incluso se venden packs de cargador y pila), no requieren cuidados especiales para almacenarlas, ni hay problemas si se descargan del todo, más allá de quedar inservibles.
Claro, también hay desventajas: tienen un voltaje menor que sus equivalentes tradicionales (1.2V frente a los 1.5V de las tradicionales),  se descargan aunque no se estén usando, y son más caras que las pilas tradicionales.
Una pila recargable suele tener una capacidad entre 1500 y 2900 mAh, y una pila tradicional ronda los 1100 mAh [2], si bien, este punto es rebatible, porque las pilas alcalinas tienen una capacidad que ronda los 2700-2900 mAh, da una tensión de 1.5V y funcionan de maravilla, ¿verdad?
Hasta cierto punto, sí: cierto es que una pila alcalina da “más vida” a los aparatos, y que el conejo rosa podría montar el Universo de Minecraft y desmontarlo antes de quedarse sin pilas, pero una vez se agotan las pilas, quedan inservibles, y no sólo hay que realizar un desembolso importante (las pilas alcalinas son bastante caras), sino también se generan una cantidad nada despreciable de residuos altamente contaminantes.
¿No sería mejor usar pilas recargables y alargar el tiempo de vida de las mismas?
Recuerda que el precio no es excusa: hay varios modelos de diferentes fabricantes y los precios oscilan bastante, y piensa también en el ahorro a largo plazo, si usas pilas habitualmente (los aficionados/expertos en fotografía conocen perfectamente esa problemática).
Hecha esta pequeña presentación, voy a comentar otro punto clave para elegir las pilas de tipo NiMh: como dije antes, es muy fácil encontrar un cargador con suficiente abanico de precios y modelos, pero lo mejor es que no hace falta ningún tipo de electrónica especializada para cargar estas pilas.
Para cargar una pila NiMh basta con darle carga de manera constante y esperar a que alcance su capacidad máxima, tan simple como eso.
Más adelante verás que no es tan “simple”, y de ahí que existan cargadores profesionales con mil y un ajustes, o cargadores avanzados con determinadas características importantes.

Cargadores de pilas NiMh


Tal como decía, cargar una pila NiMh no tiene mucha ciencia: con aplicarle carga y esperar a que alcance la capacidad total es suficiente, ¿verdad?
En efecto, esa es la visión simple y global del proceso, pero hay más detalles, y aquí es cuando empiezo a entrar en el terreno que he recorrido a pie.
Quiero dejar claro, antes de nada, que la información aquí expuesta es resultado de investigaciones, pruebas, muchos errores, cabezazos y persistencia, y la ofrezco libremente, sin compromiso ni responsabilidad. Si quieres hacer uso de lo aquí comentado, es bajo tu propia responsabilidad. Recuerda que la electricidad y la electrónica pueden ser muy divertidos y amenos, pero también entrañan algunos riesgos si no se tiene cuidado.
Hecho este pequeño paréntesis, quiero comenzar hablando acerca de algunos tipos de cargadores, y su razón de ser.

Lentos y rápidos


El primer tipo es el cargador más simple: pones pilas, lo enchufas a una toma de corriente, y esperas unas horas (el fabricante suele aportar ese dato) hasta que las pilas estén cargadas.
Este modelo es el más económico, y casa con lo dicho anteriormente: basta con aplicar corriente.
Pero también dije que no era tan simple: las pilas recargables de tipo NiMh presentan varios inconvenientes en el proceso de carga, y uno de ellos es la eficiencia.
La eficiencia durante la carga es de aproximadamente el 66%, y una vez alcanzada la capacidad máxima, la energía recibida se disipa en forma de calor.
Es muy habitual usar un cargador normal y corriente, y transcurridas unas horas, al recoger las pilas, estas están calientes, o incluso llegan a quemar.
Dicho recalentamiento supone un problema importante: la pila acorta su tiempo de vida, y en casos muy pero que muy extremos, llega a romperse físicamente.
Obviamente, para que este recalentamiento ocurra, debe transcurrir mucho tiempo con las pilas en carga, y ese tiempo depende, como dije, de la estimación del fabricante, una estimación directamente proporcional a la energía suministrada por el cargador.
Y hago otro paréntesis: no todos los cargadores convencionales son iguales, algunos son del tipo conocido como “carga rápida”.
Habitualmente, un cargador normal de pilas NiMh suministra una carga de 0.1C, es decir, un 10% de la capacidad de la pila.
C es la capacidad de la pila, y se mide en miliAmperios/Hora: mAh
Un ejemplo: una pila de 2100 mAh puede suministrar 2100 mA (miliAmperios) durante una hora, hasta descargarse (realmente es menos porque el voltaje cae con la disminución de capacidad y no es lineal).
Esto se traduce en que un cargador tradicional puede requerir entre 8 y 14 horas para cargar totalmente un pack de pilas dependiendo de la capacidad de estas, y de la energía suministrada por el cargador.
Por ejemplo, si el cargador suministra 1000 mAh (miliAmperios/Hora), y realiza la carga a 0.1C, estaría suministrando una corriente constante de 100 mAh.
Este dato hay que tomarlo con cuidado, porque no todas las pilas tienen la misma capacidad, unas tienen más, otras menos, y en el caso de las pilas AAA es muy inferior a las pilas AA (normalmente rondan los 800 mAh), de ahí que los tiempos de carga oscilen según la capacidad de la pila.
La desventaja es evidente (las pilas tardan mucho en cargar), pero la ventaja es interesante (al suministrar poca carga las pilas tardan más en recalentarse).
Existe otro tipo de cargador, conocido como “cargador rápido”, que acelera este proceso a costa de suministrar mucha más carga: suministra 3 o 4 veces la capacidad de las pilas, o incluso más, acortando el tiempo de carga a 2-4 horas, pero a costa de correr el riesgo de sobrecargar las pilas muy deprisa, provocando un sobrecalentamiento importante si no tiene ningún mecanismo para evitar este problema. [3]
No te asustes, querido lector: la tecnología avanza, y no sólo los cargadores son cada vez más eficientes y seguros, también las pilas están cada vez mejor diseñadas e implementan mecanismos de seguridad para evitar, en la medida de lo posible, efectos adversos. [4]
Visto este panorama, ¿hay alguna manera fiable de cargar las pilas?
En este mundo no existe nada perfecto, al menos tecnológicamente, pero sí hay un tipo de cargador muy interesante, denominado “cargador inteligente”, que viene a dar solución a este problema.

Inteligentes


Un cargador inteligente aporta mecanismos para detectar en qué momento se ha cargado del todo la pila, entre otras posibilidades (algunos permiten indicar la carga a suministrar, establecer ciclos de carga/descarga, refrescar pilas, etc...)
Obviamente, estos cargadores son más caros que los tradicionales, pero permiten una mayor seguridad, y no hace falta adquirir el modelo más completo y complejo, basta con uno que controle la carga de las pilas, permita refrescarlas y poco más (también depende de las necesidades de cada cual).
Ahora bien, ¿cómo se detecta que una pila está cargada?
La primera pista es la temperatura: ya dije que una vez alcanzada toda la carga, la pila empieza a recalentarse.
Ese dato es interesante, y de hecho, a nivel de electrónica es muy fácil montarse un circuito usando un termistor: una vez alcanzada una determinada temperatura, se corta la alimentación de la pila.
Otro método más refinado pero muchísimo más preciso es el denominado Delta Peak.
¿Qué significa? Cuando una pila va adquiriendo carga, la tensión de la misma se va incrementando, hasta llegar un punto donde hay una inversión de esa tensión: se reduce la tensión, pero es un valor muy muy pequeño, del orden de unos 5-10 mV. Ese cambio es el conocido como Delta Peak, pero requiere una corriente de carga constante (no confundir con Voltaje, hablo de Intensidad).
Este mecanismo es ideal porque permite cazar el momento idóneo para finalizar, pero requiere una precisión elevada en el instrumento de medición.
Por ejemplo, en el caso de Arduino, el ADC tiene una resolución de 10 bits, lo cual implica, usando una tensión de referencia de 5V, una precisión de 4.88 mV [5]
Esta resolución va muy apurada para controlar el delta peak, aunque siempre queda la opción de usar un ADC externo con mucha más resolución, a costa de incrementar el coste y consumo del circuito.
A esto hay que añadir la electrónica necesaria para cortar la corriente en cualquier momento para una pila, sensores de temperatura, reguladores de tensión para suministrar una corriente constante, etc... aquí es cuando, tras investigar un poco, uno alcanza a comprender por qué estos cargadores llegan a valer tanto, eso sin contar con las certificaciones y pruebas de calidad para garantizar el buen funcionamiento del producto.

¿Cargador solar?


¿Es un cargador lento, rápido, inteligente?
Pues … depende: en el siguiente post hablaré sobre placas solares, datos reales y el primer prototipo del cargador solar en formato tupperware, aunque adelanto que el trabajo de campo arroja una eficiencia del 60% en la corriente de carga, está a medio camino entre un cargador lento y uno rápido (depende de las placas solares), y hay algunos detalles a tener en cuenta, como la relación entre la tensión de las pilas y la de la placa solar.
Se trata de un prototipo totalmente funcional, apto para cargar 4 pilas AA sin llegar a recalentarlas (suelen estar tibias al tacto aunque puede depender de la temperatura ambiente), y lo mejor de todo, sin usar la red eléctrica.
Parece una nimiedad, pero ver un aparato funcionando con energía solar, y digo solar porque es la energía renovable más fácil de usar, llega a ser mágico: sin enchufes, sin pilas, sin nada, simplemente con unas placas expuestas a los rayos solares.

Y hasta aquí de momento para no alargar demasiado este post.
Hay una cantidad ingente de documentación disponible, y recomiendo mirar los datasheets de los fabricantes de pilas, porque aportan información muy interesante.

¡Hasta la próxima!

Enlaces
[1] http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_de_n%C3%ADquel_e_hidruro_met%C3%A1lico
[2] http://es.wikipedia.org/wiki/Pila_AA
[3] http://www.aeromodelnet.com.ar/rendimiento.html
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel%E2%80%93metal_hydride_battery
[5] http://arduino.cc/forum/index.php/topic,11924.0.html