Circuito de Carga para Baterías de Plomo-Ácido: Regulador de Carga Solar
Diseño completo de un regulador de carga solar para baterías de plomo-ácido de 12 V, con circuito de tres etapas basado en LM393 y MOSFET, incluyendo protección contra descarga profunda.
Circuito de Carga para Baterías de Plomo-Ácido: Regulador de Carga Solar
Un regulador de carga solar es el componente crítico entre el panel fotovoltaico y la batería de plomo-ácido: sin él, la batería se sobrecarga durante las horas de sol intenso y se daña irreversiblemente por sulfatación acelerada y pérdida de electrolito. Las baterías de plomo-ácido (de arranque, de ciclo profundo o AGM) requieren un perfil de carga específico de tres etapas: bulk (corriente constante a 14,4 V), absorción (voltaje constante a 14,4 V con corriente decreciente) y flotación (voltaje reducido a 13,6 V). Un regulador de carga casero basado en el circuito integrado comparador LM393 y un MOSFET de potencia puede gestionar paneles de hasta 100 W y baterías de 12 V con eficiencia superior al 95 %. Este artículo detalla el diseño completo con valores de componentes reales y verificados.
Perfil de carga de baterías de plomo-ácido
Las baterías de plomo-ácido son la tecnología de almacenamiento más accesible en supervivencia: baterías de coche, de moto, de SAI (UPS) y de sistemas solares están por todas partes. Su química (PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ⇌ 2PbSO₄ + 2H₂O) requiere un voltaje de carga preciso para funcionar correctamente.
| Etapa | Voltaje (bat. 12 V) | Corriente | Duración | Estado de carga |
|---|---|---|---|---|
| Bulk (carga masiva) | < 14,4 V (subiendo) | Máxima disponible (C/10 a C/5) | 60-80 % del tiempo | 0 % → 80 % |
| Absorción | 14,4 V constante | Decreciente (de C/5 a C/20) | 20-30 % del tiempo | 80 % → ~98 % |
| Flotación | 13,6 V constante | Muy baja (< C/100) | Indefinida | ~98 % → 100 % |
| Ecualización (opcional) | 15,0-15,5 V | C/20 | 2-4 horas cada 30 días | Desulfatación |
Para una batería típica de 100 Ah, C/10 es 10 A y C/20 es 5 A. El voltaje de 14,4 V es para baterías a 25 °C; debe compensarse por temperatura a razón de -18 mV/°C (es decir, a 35 °C se reduce a 14,22 V y a 0 °C se sube a 14,85 V). Cargar por encima de 14,8 V a 25 °C provoca gasificación excesiva (hidrólisis del agua) y pérdida de electrolito.
Circuito regulador con LM393 y MOSFET
El corazón del regulador es un comparador de voltaje LM393 que monitoriza el voltaje de la batería y controla un MOSFET de potencia IRF4905 (P-channel, 55 V, 74 A, Rds(on) = 20 mΩ) que conecta o desconecta el panel solar. El LM393 tiene dos comparadores independientes en un encapsulado DIP-8 alimentado a 5 V mediante un LM7805.
- Divisor de voltaje sensor: Un divisor resistivo de 100 kΩ + 33 kΩ conectado a la batería reduce el voltaje a un rango medible: con batería a 14,4 V, el punto medio lee 14,4 × 33/(100+33) = 3,57 V. Con batería a 13,6 V (flotación), lee 3,37 V. Un potenciómetro multivuelta de 10 kΩ en serie con R2 permite ajuste fino del umbral.
- Referencia de voltaje: Un diodo zener de 3,3 V (BZX55C3V3) alimentado a través de una resistencia de 1 kΩ desde los 5 V del regulador proporciona una referencia estable de 3,3 V al pin no inversor del primer comparador. Cuando el voltaje del divisor (pin inversor) supera 3,57 V (batería a 14,4 V), la salida del comparador conmuta a bajo y desactiva el MOSFET, cortando la carga.
- Histéresis: Una resistencia de 1 MΩ entre la salida y el pin no inversor del comparador añade histéresis de ~0,15 V. Esto evita oscilaciones: el MOSFET se apaga a 14,4 V pero no se enciende hasta que la batería baje a ~14,0 V. Sin histéresis, el comparador oscilaría rápidamente en el punto de corte.
- Driver del MOSFET P-channel: El IRF4905 (canal P) conduce cuando Vgs es negativo (gate más negativo que source). Su source se conecta al positivo del panel solar y su drain al positivo de la batería. Un transistor NPN 2N2222A controlado por el LM393 tira del gate a masa (Vgs = -12 V) para activar conducción plena, o lo libera a Vcc mediante una resistencia de 10 kΩ pull-up para apagar el MOSFET.
Protección contra descarga profunda (LVD)
La descarga profunda (por debajo de 10,5 V en baterías de 12 V) causa sulfatación irreversible de las placas. El segundo comparador del LM393 se configura como protección de bajo voltaje (Low Voltage Disconnect) que desconecta la carga cuando la batería cae por debajo de 11,5 V.
| Voltaje de batería 12 V | Estado de carga aproximado | Acción del regulador |
|---|---|---|
| > 14,4 V | Carga completa | Desconecta panel solar, mantiene carga conectada |
| 12,8-14,4 V | 75-100 % | Panel solar conectado (cargando), carga conectada |
| 12,0-12,8 V | 25-75 % | Panel solar conectado (cargando), carga conectada |
| 11,5-12,0 V | 10-25 % | Panel solar conectado, LED de advertencia encendido |
| < 11,5 V | < 10 % | Desconecta carga para proteger batería |
| < 10,5 V | 0 % (descarga profunda) | Todo desconectado, batería posiblemente dañada |
El circuito LVD utiliza un segundo MOSFET IRF4905 en la línea de carga. Un divisor de voltaje de 100 kΩ + 22 kΩ alimenta el segundo comparador con referencia de 2,07 V (zener de 2,0 V o divisor desde la referencia de 3,3 V). Cuando el voltaje de la batería cae por debajo de 11,5 V, la salida del comparador activa un relé que desconecta la carga. Un LED rojo en la salida del comparador indica estado de batería baja.
Lista de materiales y montaje
Todos los componentes son fácilmente obtenibles en tiendas de electrónica o pueden recuperarse de equipos electrónicos desechados (fuentes de alimentación de PC, cargadores, UPS averiados).
| Componente | Valor/Modelo | Cantidad | Función |
|---|---|---|---|
| LM393 | Comparador dual DIP-8 | 1 | Comparación de voltaje (bulk/float + LVD) |
| LM7805 | Regulador 5 V TO-220 | 1 | Alimentación del circuito de control |
| IRF4905 | MOSFET P-ch 55 V 74 A | 2 | Interruptor panel→batería y batería→carga |
| 2N2222A | NPN TO-92 | 2 | Driver de gate para los MOSFET |
| BZX55C3V3 | Zener 3,3 V 500 mW | 1 | Referencia de voltaje |
| 1N5819 | Schottky 1 A 40 V | 1 | Diodo anti-retorno del panel |
| Resistencias 1 % | 100 kΩ, 33 kΩ, 22 kΩ, 10 kΩ, 1 kΩ | Varias | Divisores, pull-ups, limitadores |
| Potenciómetro multivuelta | 10 kΩ | 1 | Ajuste fino del punto de corte |
| Condensadores | 100 µF/25 V + 100 nF cerámico | 2+2 | Filtrado de alimentación |
| LED verde + rojo | 5 mm estándar | 1+1 | Indicador de carga / batería baja |
| Portafusible + fusible | 10 A vidrio 5×20 mm | 1 | Protección de sobrecorriente |
| Borneras atornillables | 2 pines, paso 5 mm | 3 | Conexión panel, batería, carga |
El montaje se realiza en placa perforada de baquelita (PCB de prototipo con agujeros a paso de 2,54 mm). Soldar primero los componentes de bajo perfil (resistencias, diodos) y después los más altos (condensadores electrolíticos, MOSFET con disipadores). Los MOSFET IRF4905 necesitan disipadores de aluminio si la corriente supera 5 A: a 10 A, la disipación es P = I² × 0,02 = 2 W, manejable con un disipador pequeño (10 °C/W).