Controlador de carga

1. DESARROLLO DE CONTROLADOR
PARA CARGA Y DESCARGA DE
BATERÍAS SELLADAS 12V
Controlador 10 Amp, 25 v. Para uso en sistemas fotovoltaicos
En este artículo se presenta,
evidencia sobre el diseño,
dimensionamiento y
construcción, de un
controlador de carga y
descarga, para uso en
sistemas fotovoltaicos
autónomos, el diseño del
sistema se hace en base a la
carga de baterías selladas de
ácido plomo, que cuentan
con una tensión de 12v a
una capacidad de 6 - 14 Ah.
Introducción
Los sistemas fotovoltaicos autónomos, son la
solución para aquellos casos, en los que no se
cuenta con acceso a la red de distribución
pública. Ellos requieren de una batería, con
fin de asegurar el suministro de electricidad
durante la noche o periodo de escasez de luz
solar. Estos sistemas están compuestos por
un panel solar (generador solar), un
controlador de carga (regulador), una batería
de almacenamiento (acumulador) y un
inversor de corriente (convertidor). Figura 1.
Controladores
Su misión es evitar sobre cargas o descargas
excesivas en el acumulador, estas le pueden
producir daños irreversibles.
Para realizar esto, instante a instante, el
controlador debe medir el estado de carga de
la batería y compararlo con los niveles
permisibles tanto inferiores como superiores.

2. Figura 1. Sistema fotovoltaico autónomo.
El controlador es parte fundamental de un
sistema autónomo ya que permite el tránsito
de corriente del panel hacia la batería.
Comercialmente se pueden encontrar 2 tipos
de reguladores o controladores de carga y
descarga, el controlador de carga PWM y el
controlador de carga MPPT.
Controlador de carga PWM
Este Controlador de carga, actúa como un
interruptor entre los módulos fotovoltaicos y
la batería, los módulos fotovoltaicos están
forzados a trabajar a la tensión de la batería
lo que resulta en pérdidas de rendimiento
respecto al punto de máxima potencia (MPP)
de los módulos. En cuanto la batería llega a
la fase de absorción, el controlador de carga
empieza a cortar parte de la posible
producción de los módulos, modificando la
anchura de los pulsos, para no sobre cargar
la batería.
Las ventajas de este tipo de controladores
son: la sencillez, bajo peso y bajo precio. La
desventaja principal es la perdida de
rendimiento con respecto a controladores de
carga MPPT, es decir un controlador de carga
PWM va aprovechar menos energía de los
módulos fotovoltaicos que un controlador de
carga MPPT.
Controladores de carga MPPT
Este tipo de controlador, lleva incorporado
un seguidor de máxima potencia, MPPT
(Maximun Power Point Tracking) y un
convertidor de corriente continua de alta
tensión a corriente continua de baja tensión.
El MPPT se encarga de exigirle al módulo
fotovoltaico la tensión que es más
conveniente para el acumulador, en sus
diferentes etapas de carga.
Controlador de Switch o Switcheo
Como se mencionó antes, comercialmente
podemos encontrar controladores del tipo
PWM y MPPT, pero cuando tenemos un
sistema fotovoltaico pequeño, por ejemplo
un sistema de iluminación que este
alimentado por uno o dos paneles de 50W,
con un banco de baterías que este
dimensionado a 12v y este no supere la
capacidad de los 30 Ah, se cuenta con otra
opción de controlador, el cual es llamado de
switch o switcheo, este controlador solo es
viable a utilizar en sistemas fotovoltaicos

3. pequeños, dado que su regulación de tención
y corriente para la carga de la batería es fija,
esto quiere decir, que entre mayor es el
sistema (entre más panes fotovoltaicos se
tengan) son mayores las perdidas en el
aprovechamiento de energía en la carga de
las baterías, dichos controladores son
sencillos en estructura y su funcionamiento
se basa en la regulación de la tensión y
corriente suministrada por los paneles, esta
regulación depende a los límites que marca
la ficha técnica de la batería que se quiera
emplear, en este documento se muestran las
evidencias del diseño y construcción de un
controlador de switcheo.
Ventajas de un controlador de
switcheo empleado en sistemas
fotovoltaicos pequeños.
Los controladores de switcheo, cuentan con
un diseño electrónico muy sencillo, esto hace
que una persona con pocos conocimientos
en electrónica o electricidad pueda
replicarlos sin gran dificultad.
Su costo es relativamente bajo, ya que
muchos de los componentes pueden ser
reciclados de algunos equipos electrónicos
que ya no son funcionales, además que la
lista de materiales en su totalidad es de fácil
acceso ya que dichos materiales son
comunes y comerciales.
Como se mencionó antes, su eficiencia queda
estrechamente ligada al buen
dimensionamiento del sistema fotovoltaico
ya que entre más crece el sistema, mayor es
la perdida de energía, debido a la regulación
fija.
Parámetros a considerar de la batería
para el diseño del regulador.
 Capacidad nominal de la batería:
Es la cantidad de corriente que puede
proveer a una carga. Depende
básicamente, de tres parámetros:
régimen de descarga (velocidad a la
que se descarga) temperatura y
tensión final. Lo más frecuente es
que la capacidad nominal se mida en
Ah (Amperes por hora).
 Tensión de carga de la batería:
La mayoría de las baterías
estacionarias de electrolito líquido se
mantienen a una tensión de 2,2 V
(por celda). Luego de una descarga, la
tensión de carga debe aumentar
hasta un valor comprendido entre
2,33 y 2,4V.
 Tensión a la que se puede descargar
la batería:
Para descargas en tiempos superiores
a 3h y hasta 20h, el valor más
frecuente es de 1,75V (por celda).
Una batería de 12v que cuenta con 6
celdas, implica una tensión mínima
de descarga de 10,5V. Pero se debe
consultar la hoja de datos de la
batería porque puede variar este
valor.
 Tensión de flote o mantenimiento:
Es la tensión a la que se mantiene una
batería después de haber sido
completamente cargada, para

4. mantener esa capacidad mediante la
compensación de la auto-descarga de
la batería, dicho valor de tensión es
normal mente 2.2v (por celda) pero
esta puede variar, para mayor
seguridad hay que consultar la ficha
técnica de la batería.
 Régimen de corriente a la que se
carga la batería:
Lo común es hacerlo al 10% de la
capacidad nominal. Se recomienda
no hacerlo a menos del 5% y a no más
del 20%.
Diseño controlador de switcheo
El diseño del controlador, se dividió en cuatro
etapas para tener una mejor visualización de
las funciones que tiene que realizar el
controlador.
Etapa 1: Regulación de tensión y corriente
proporcionada por lo paneles
Etapa 2: Detección de nivel de tensión
máximo, permisible por la batería.
Etapa 3: Detección de nivel de tensión
mínimo permisible por la batería.
Etapa 4: Control del switcheo para la carga y
descarga de la batería.
ETAPA 1
Mediante la información recaudada sobre el
acumulador que se utilizara en el sistema
autónomo, se puede definir qué
características eléctricas tendrá el
controlador de carga en su entrada
especificada para el panel, en este
dimensionamiento del sistema fotovoltaico
se usara una batería sellada de 12v, con una
capacidad nominal de 6Ah y las siguientes
características de carga:
Instrucciones de carga a 20° c
Aplicación Voltaje
Vcc
Corriente
Float/ En
reposo
13.5 a 13.8 Sin limites
In use/ En uso 14.4 a 15.0 1.6 A max.
En base a los datos de la batería, se necesita
de un regulador de tención que pueda
entregar de 14.4v a 15v a su salida, tensión
requerida para la cargar del acumulador,
además de requerir una corriente de entrada
que no supere los 1.6Amp; Si nos basamos en
la regla del 20% de la carga nominal tenemos
(6)(0.2)=1.2Amp para una carga óptima.
En base a estos datos se puede elegir un
panel que no genere una cantidad de energía
mayor de la que puede aprovechar el
controlador, el panel para emplear en el
sistema debe tener las siguientes
características o semejantes a estas:

5. Características eléctricas de salida
paneles a utilizar
Tensiones salida panel
(Vop)
17 Vcc – 22 Vcc
Corriente salida panel
(Iop)
1 A – 6 A
La regulación de tensión y corriente se puede
realizar de dos formas diferentes, la primera
es construyendo un arreglo de resistencias
con diodos zener.
Figura 2. Diagrama básico para regulación
con zener.
El diodo zener se polariza inversamente, con
la finalidad, de solo deja fluir la corriente
cuando se cumpla el voltaje mínimo
requerido especificado en sus hojas de datos
como VZ, dicho voltaje para el diodo
1N4744A es de 15V, se puede ver que el
diodo zener está en paralelo con la
resistencia Rc (resistencia de carga), dicha
resistencia tendrá la misma tención que el
diodo zener, (idealmente 15 v).
Los parámetros a considerar para el cálculo
de los valores óhmicos en las resistencias son,
la intensidad máxima que soporta el diodo
zener (IZ max) y la intensidad máxima que se
desea a la salida en la Rc (Ic max).
𝑅𝑐 =
𝑉𝑐
𝐼𝑐
𝑅𝑠 𝑚𝑎𝑥 =
𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 (𝑚𝑖𝑛) − 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑅𝑐
𝐼𝑐 𝑚𝑎𝑥
Figura 3. Flujo de corriente eléctrica en el
circuito.
La segunda forma de regular la tensión e
intensidad de corriente suministrada por el
panel fotovoltaico, es mediante un circuito
integrado, que consta de tres terminales y un
encapsulado tipo T0-220.
Figura 4. Regulador integrado con
encapsulado T0-220.
Este tipo de reguladores ya tienen
estandarizados los niveles permisibles de
entrada y salida tanto de tensión como de
corriente, el que se elige para este trabajo es
17a21
21 V
Rs
324Ω
zener
1N4744A
Rc
3.24kΩ
XMM6
0

6. un regulador que permite a su entrada hasta
35v de tensión por parte del panel y hace una
regulación a 15 v, con un máximo de 1.5Amp
a la salida.
Figura 5. Valores de regulación con tensión
mínima.
Figura 6. Valores de regulación con tensión
máxima.
Etapa 2
Ya se tiene determinado que la batería se
considerara cargada cuando obtenga una
tención de entre los 14.5 a 15 v
Para esta etapa se requiere un circuito
electrónico, que pueda mandar una señal
cuando la batería alcance su nivel máximo de
tención permitido.
Se propone utilizar un diodo zener y un
transistor del tipo npn, que recibirá una
corriente en el emisor y la amplificara en un
factor hFE directamente a la corriente del
colector, esto cuando el diodo zener se
encuentre en conducción.
Figura 7. Símbolo de transistor npn.
Etapa 3
En esta etapa se requiere que el circuito
electrónico, mande una señal cuando la
batería alcance su nivel mínimo de tención
permitido.
Se utiliza un transistor pnp, esta etapa está
alimentada directamente de la batería ya que
se pretende censar la tensión de la misma,
cuenta con un diodo zener que ayuda a la
activación en el momento deseado.

7. Figura 8. Símbolo de transistor pnp
Etapa 4
Es elemental el uso de un dispositivo de
interrupción automática, lo más común es el
uso de un relevador, este permite cargar o
suspender la carga de la batería por medio de
una tensión controlada en su bobina de
activación.
Figura 9. Relevador
Hay que definir, cuándo es que el relevador
permitirá la carga en el acumulador y cuando
no, los encargados de este control son los
circuitos de las etapas 2 y 3.
Al mandar su señal la etapa 3, se está
indicando que la batería esta descargada, así
que el relevador (Etapa 4) debe permitir la
carga con el nivel de tensión que
proporciona la etapa 1 y solo será
suspendida hasta que la etapa 2 mande su
señal, que indica la carga completa de la
batería, de esta forma se lleva a cabo la
integración de las cuatro etapas.
Después de calcular y dimensionar los
diferentes componentes de cada una de las
etapas y hacer la integración de todas ellas,
se obtiene un circuito electrónico.
Pruebas en protoboard
Con el circuito electrónico concluido, se
puede proceder con las pruebas físicas en el
protoboard, esta placa de pruebas permite
realizar conexiones entre los diversos
dispositivos de una manera fácil y rápida.
Figura 10. Circuito montado en protoboard
Figura 11. Circuito en funcionamiento.
Montar el circuito en una placa de pruebas,
es indispensable para poner el circuito en
funcionamiento, sin la necesidad de tener el
producto final, consiguiendo la oportunidad
de monitorear su desempeño para descartar
posibles fallas.

8. Diseño de PCB
El diseño del pcb, define las dimensiones del
circuito montado sobre la placa fenólica,
antes de diseñar las pistas, se busca la mejor
distribución sobre la placa de todos los
componentes que integran el circuito.
Existen varios softwares que permiten
diseñar un pcb de manera fácil e intuitiva, el
que se usa en este trabajo es PCB Wizard.
Figura 12. Vista Real de circuito en PCB
Wizard.
Figura 13. Vista Artwork de circuito en PCB
Wizard.
El software muestra diferentes vistas del
circuito diseñado, la vista más importante es
“Artwork” ya que es la imagen que se usara
para el traspaso a la placa de cobre, dicho
traspaso se realiza por medio de un proceso
de transferencia de temperatura por
planchado.
Construcción de circuito en placa
fenólica
Primero el circuito debe ser impreso en una
hoja de transferencia especial para traspaso
a cobre, enseguida se coloca sobre la placa
de cobre y se realiza un proceso de
planchado, para posterior mente sumergir la
placa en agua, terminando así el proceso de
transferencia.
La placa con el circuito ya transferido, se
tienen que sumergir en una solución de
cloruro férrico, que removerá de la placa de
baquelita, todo el cobre que no esté cubierto
por la tinta transferida.
Después de limpiar la placa con ayuda de
algodón y thinner, Se realizan las
perforaciones correspondientes a cada uno
de los componentes electrónicos, para poder
montarlos y soldarlos.
Figura 14. Perforación de placa fenólica.
Para soldar los componentes se requiere de
un cautín tipo lápiz, estaño y pasta para
soldar.

9. Figura 15. Soldado de componentes con
cautín
Ya con todos los componentes electrónicos
montados en la placa y soldados, apoyándose
del diagrama electrónico, se tienen que
realizar pruebas de continuidad con el
multímetro, ya comprobada la correcta
continuidad, se puede repetir la misma serie
de pruebas que se hiso cuando el circuito
estaba en protoboard.
Figura 16. Controlador de carga tipo
switcheo
Indicadores luminosos
Los indicadores leds que se encuentran
distribuidos sobre el circuito del controlador,
dan a conocer diferentes etapas de la carga
de la batería.
El conjunto de 3 leds (Figura 16), indica los
niveles de carga de la batería, tomando en
cuenta que el led rojo indica que la batería
esta descargada, el de color ámbar indica que
la batería tiene una carga media y el de color
verde indica que la batería está
completamente cargada.
Figura 17. Indicadores de carga
La pareja de leds (Figura 17) indica si la
batería se encuentra cargado o no; verde si
está en proceso de carga y rojo si no lo está.
Diseño de cubierta de circuito.
En el diseño de la cubierta, se toma en cuenta
el área de acceso para las conexiones por
parte del panel y la batería, el diseño se
realiza en un software de modelamiento 3D.

10. Figura 18. Diseño de cubierta circuito 3D
Para la fabricación de la cubierta se tiene que
tomar en cuenta el material a utilizar. El más
viable para este diseño es el acrílico
transparente, ya que su resistencia es la
suficiente para esta aplicación, su
manipulación es simple y brinda una buena
vista al sistema.
Conclusiones
Al finalizar el trabajo se obtiene, un sistema
económico y funcional que puede ser la
solución para diversos sistemas autónomos,
de magnitudes pequeñas.
Que el controlador de carga y descarga
cuente con un esquema electrónico simple,
conlleva a que su funcionamiento sea de fácil
entendimiento, esto permite que el usuario
le puede brindar un mejor mantenimiento al
controlador y por ende a su sistema
autónomo.