Medidor de CO₂ con batería (bien hecho)

En este tutorial te voy a enseñar a añadir batería a cualquier tu proyecto basado en microcontrolador, de forma correcta, sin peligro.

Los usos son interminables y, aunque voy a utilizar como ejemplo el Medidor de CO2 Casero, puedes utilizarlo en cualquier otro proyecto, esté basado en Arduino, ESP8266, ESP32, o cualquier otro microcontrolador.

No son pocas las ocasiones en que nos gustaría utilizar nuestro medidor de CO2 con baterías (al menos a mí me pasa a menudo).

Incluso para calibrarlo en exterior periódicamente, me viene bien que sean autónomos.

Hasta ahora he utilizado un powerbank, de los utilizados normalmente para los móviles, para este fin, pero he pensado que ya era hora de una solución un poco más definitiva e integrada en el medidor.

El proyecto que aquí os presento permite dotar de batería recargable al medidor de CO2 o a cualquier otro proyecto similar, fácilmente y por muy poco dinero.

Además, el fin de este proyecto no es solo montarlo, sino comentar algunas cosas por el camino, muy importantes para el aficionado al cacharreo que quiere dotar a sus montajes de batería. Y es que, ¿has notado lo de “bien hecho” en el título?

¿Y qué es eso de que está bien hecho?

Poner una batería a un chisme que funciona a 5V (o, para el caso, 3.3V) parece una de las cosas más sencillas del mundo, ¿verdad?

Tengo un secreto: Este artículo no trata solo de decirte como “montar” la batería, sino enseñarte por qué es importante hacerlo de determinada manera, por eso es tan extenso (y, créeme, podría ser mucho más extenso si entráramos mucho más al detalle).

Te pido un favor: Aunque creas que esto es muy sencillo y que hay demasiada palabrería en este artículo para algo tan fácil, por favor, lee el artículo completo (no vayas solo “al montaje”), puede que ya lo sepas todo, pero, a lo mejor, te sorprendes.

Yo creo que a estas alturas todo el mundo sabe que las baterías de Iones de Litio (Li-Ion) y las de polímero de litio (Lithium Polymer o “Lipo”) son delicadas y pueden llegar a ser incluso peligrosas. Seguro que muchos recordáis lo de los patinetes que salían ardiendo solos por la calle, no hace demasiado tiempo.

Convivimos con estas baterías y no suele pasar nada, pero eso es porque la inmensa mayoría de aparatos comerciales que las utilizan conocen sus riesgos y las gestionan adecuadamente.

El peligro no proviene de la batería en sí (bueno, un poco sí) si no, sobre todo, del uso que se haga de ella.

El problema suele estar en que la mayoría de la “gente no especialista” no sabe (y es lógico, no tiene por qué saberlo) qué es eso de “el uso que se haga de ella” y menos aun cuando confían en que si cogen una batería y cogen un cargador y los enchufan con cuidado, nada malo puede pasar.

¡ERROR!

Hay un tipo de uso que es especialmente delicado y estoy harto de ver proyectos con un diseño que pone tu batería, tu aparato y tu casa en peligro.

Este tipo de uso es, sobre todo, cuando quieres que usar el aparato y cargar la batería a la vez.

Piénsalo, no hay tantos aparatos que hagan eso. Podemos pensar en los teléfonos y, que estén realmente extendidos, poco más…

Nosotros queremos que la batería de nuestro medidor esté siempre cargada, queremos que nuestro aparato funcione mientras que la batería se está cargando. No queremos tener que apagar el medidor unas horas mientras se carga la batería.

Los mandamientos de las baterías Li-ion y Li-po

Estos son los diez mandamientos más importantes + 1 cuando se trabaja con baterías Li-ion y Li-po (y luego siguen otros):

  1. No sobrecargues la batería
  2. No sobrecargues la batería
  3. No sobrecargues la batería
  4. No sobrecargues la batería
  5. No sobrecargues la batería
  6. No sobrecargues la batería
  7. No sobrecargues la batería
  8. No sobrecargues la batería
  9. No sobrecargues la batería
  10. No sobrecargues la batería
  11. No cortocircuites la batería (este si es tan importante como los 10 anteriores)
  12. No sobredescargues la batería por debajo de un punto
  13. No permitas que se caliente la batería
  14. No pongas baterías en paralelo si no tienen la misma carga

No son los únicos, pero son los que puede hacer que tu casa salga ardiendo con más facilidad.

El pecado de la mayoría de proyectos

La mayoría de proyectos que se ven por internet cometen un error grave y voy a contarte cuál es de una forma sencilla para que puedas entenderlo rápidamente.

Si recuerdas, los diez primeros mandamientos decían: “No sobrecargues la batería”. Esto quiere decir que, en el proceso de carga de la batería, hay un punto determinado en el que tienes que dejar de cargarla y no pasar de ahí. Seguir cargando la batería, pasado ese punto, es peligroso.

Como puedes imaginar, del párrafo anterior se desprende que el proceso de carga de una batería es muy delicado y los cargadores para baterías de Li-ion y Li-po (al contrario de lo que sucede con baterías de plomo, de níquel-cadmio o de níquel-metal, que aguantan más barrabasadas) son aparatos muy precisos.

No voy a explicar con todo detalle como es el proceso de carga de una batería Li-ion y Li-po (quizá en otro artículo) pero si voy a darte las líneas principales de lo que hace un cargador:

Proceso de carga de batería con TP4056
  1. Primero el cargador hace comprobaciones de seguridad para asegurarse de que la batería no está conectada al revés. Que está dentro de un rango de voltajes determinados, etc.
  2. A continuación, el cargador realiza un “pre acondicionamiento”, en el que comprueba, de una forma muy controlada y suministrando corrientes bajas, que la batería “absorbe” la corriente que se espera que absorba, que sube su voltaje al darle corriente y cosas así.
  3. Empieza la carga a corriente constante, que dura casi todo el proceso de carga. Eso quiere decir que el cargador irá cambiando el voltaje que suministra a la batería como sea necesario, de forma que está siempre absorba la misma intensidad.
  4. Cuando el cargador detecta que la batería está cerca de los 4.2 voltios, que marcan su voltaje máximo, empieza a reducir la intensidad de corriente que suministra a la batería.
  5. Cuando la corriente es menor a un valor determinado, el cargador detiene la carga. Ha terminado.

Bien, pues el problema está en que en la mayoría de proyectos, el último punto no se alcanza nunca y la batería se carga, y se carga, y se carga… hasta… hasta que la batería aguanta.

¿Te has fijado cuantos aparatos que funcionan a batería dan problemas con la misma? Pues ahí tienes un buen motivo.

¿Y por qué no para de cargar? Pues también te lo voy a explicar a continuación.

El sistema de alimentación habitual y (muy) mal hecho

Lo que hacen en muchos (muchísimos) proyectos es lo siguiente:

Partimos de un proyecto, que se alimenta de forma normal a 5 voltios.

Lo siguiente sería añadir una batería con su cargador (una pequeña placa basada en el circuito integrado TP4056, que funciona estupendamente y es capaz de cargar la batería con una precisión del 1,5%), y se podría llegar a dejar conectado siempre para mantener la batería cargada permanentemente:

Claro, en el ejemplo anterior tendríamos una batería cargada pero esa batería nos daría un voltaje de entre unos 3 y 4.2 voltios, dependiendo de lo cargada que esté, y no podríamos utilizarlo directamente para alimentar nuestro circuito (que necesita 3.3 o 5 voltios para funcionar).

Lo que hace nuestro avispado diseñador es conectar, en paralelo con la batería, un circuito llamado “step up down” (entre otros curiosos nombres), al que le podemos aplicar a la entrada cualquier voltaje (dentro de unos límites que dependen del circuito exacto que utilicemos, digamos entre 2.5 y 30 voltios) y que a la salida siempre nos dará unos estupendos 3.3 o 5 voltios estabilizados:

Pero, ¡oh!, nuestro diseñador aficionado se da cuenta a cabo de poco tiempo (cuando se le muera la batería u ocurra un desastre, lo que antes pase, pero que no tardará mucho), de que aquí faltan cosas para que su circuito funcione correctamente y pueda dormir tranquilo por la noche.

  1. Una protección contra sobredescarga, porque si deja su aparato conectado demasiado tiempo y la batería se descarga por debajo de un punto, la batería morirá (algunas baterías llevan esta protección integrada).
  2. Una protección contra cortocircuitos, porque, seamos serios, en cualquier momento (y más en un circuito de aficionados, que es lo que somos) un cable puede tocar con otro, y… humo mágico… (en el mejor de los casos).
  3. Otras protecciones que posiblemente no provoquen que el montaje o la casa salga ardiendo, pero que es conveniente tenerlas.

De manera que vuelve al tablero de diseño y cambia el cargador simple que había utilizado por un cargador más completo, que incluya las protecciones necesarias (atento a las conexiones al cargador, son muy parecidos, pero no iguales: el anterior tenía solo dos terminales de salida y este tiene cuatro terminales independientes, dos para la batería y otros dos de salida):

Llegados a este punto, nuestro diseñador aficionado ya tiene lo que quería. Un sistema de alimentación que funciona con batería, que puede cargar la batería y alimentar el dispositivo a la vez y que tiene las protecciones necesarias…

Lo prueba y ¡funciona! y tan contento lo publica…

Pero ese diseño (tan sumamente extendido, búscalo en Google si quieres y lo verás a cientos) oculta un oscuro secreto, un pecado mortal que nos puede poner en peligro:

¡EL CARGADOR NUNCA TERMINA DE CARGAR LA BATERÍA, INCUMPLIENDO ASÍ LOS PRIMEROS 10 MANDAMIENTOS!

¿Y por qué ocurre esto?

La clave la tenemos en el primer punto del datasheet del circuito integrado TP4056:

“El TP4056 termina automáticamente el ciclo de carga cuando la corriente de carga cae a 1/10 del valor programado después de alcanzar la tensión final de flotación.”

Esto quiere decir que el TP4056 va a parar de cargar la batería solo cuando el voltaje final haya llegado a 4.2V y la corriente de carga caiga a una décima parte de la corriente de carga programada.

Por defecto, en la mayoría de placas con el TP4056 (y otras similares) la corriente de carga programada es de 1 Amperio (se puede modificar cambiando una resistencia), lo que supone que hasta que no haya un consumo inferior a 100mA el proceso de carga no se interrumpirá y, como tenemos un circuito adicional conectado, “colgando del cargador“, el cargador se verá “confundido” por ese consumo adicional y no parará nunca de cargar la batería.

¿Y cómo lo hacemos bien?

Supongo que ahora tengo tu atención.

¿Es un tema que te interesa? Si en algún momento vas a querer dotar de batería a cualquier tipo de proyecto, debería…

Pues estate atento a la actualización del artículo con la solución. Te contaré como mejorar el diagrama anterior para evitar los problemas comentados y te enseñaré paso a paso y con todo detalle (tutorial en video incluido) mi solución para añadir batería al proyecto, que te adelanto que no tiene nada que ver con lo que hemos visto anteriormente.

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Hoy es 20 de febrero y estoy montando el video con el tutorial. Te prometo que en pocos días estará listo. ¡Aguanta!

2 comentarios en «Medidor de CO₂ con batería (bien hecho)»

  1. Pues estamos deseando que acabes el artículo, ya te comenté en el grupo de Telegram que me gustaría poner una cámara de aeromodelismo emitiendo en 5.8 Ghz y alimentarla con una placa solar. Nos vendría muy bien para usarla como baliza y hacer pruebas de antenas.
    Me admira tu capacidad de comunicar cosas complejas de manera sencilla que las podamos entender toda clase de personas.
    Enhorabuena !
    Saludos.

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