Jugando con las baterías
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Material requerido.
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Mucha calma y tranquilidad
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Usando baterías con Arduino
Estamos rodeados de baterías. Aunque a veces no nos demos cuenta, tu coche arranca con una batería, como tu moto. Tu portátil, tableta o móvil lleva una dentro y normalmente nos hace bastante trastorno si llegan a descargarse del todo y nos dejan sin servicio.
Hay pocas cosas más frustrantes que ir a llamar por teléfono y no poder, porque no tienes batería o ir a trabajar con el portátil y que te diga que tienes que ir inmediatamente a buscar un enchufe.
Estamos ya tan acostumbrados a ellas, que casi no somos conscientes de que existen, más que cuando no están disponibles claro.
Como en los últimos capítulos hemos estado hablando de correr proyectos Arduino a baterías, parece un buen momento para meternos con ellas: Que tipos existen y que características muy por encima y más importante, como calcular su duración y entender cuál es su capacidad y como aumentarla uniendo varias.
Ver las reglas y cuatro ideas básicas de cómo trabajar con ellas parecía una buena idea especialmente para aquellos que nunca hayan usado unas más allá de cambiar las pilas a algo o recargar el móvil.
Ya habíamos hablado un poco de baterías antes, pero parece que toca hablar un poco más. La idea es que si necesitamos mantener vivo un proyecto con nuestro Arduino lejos de un enchufe había que empezar por reducir al máximo su consumo.
En las sesiones anteriores vimos que convenía usar un modelo como el Nano por su bajo consumo y también vimos como miniar ese consumo entrando en el modo Sleep para ahorrar el máximo de energía.
Y ahora nos toca hablar de cómo conseguir la máxima capacidad de baterías que nos permita alargar la vida de nuestro sistema en pleno funcionamiento
Y ese es sin más, el objetivo de este sencillo capitulo, aprender a comprender un poco las baterías.
Las baterías y sus características
Las baterías son un sistema de convertir energía química en energía eléctrica, y en el caso de que sean recargables, este procedimiento es reversible hasta un cierto punto. Cuando es así, decimos que son baterías recargables por contraposición a las que son de usar y tirar.
Todos cargáis el móvil a diario, por lo que ya conocéis de sobra estas baterías y últimamente se han desarrollado mucho gracias a que la demanda ha crecido de forma exponencial para los teléfonos móviles y tabletas.
No nos interesa mucho por ahora hablar de los tipos de baterías y de su tecnología, porque es algo que podéis encontrar sin problemas en Internet si lo buscáis, por ahora nos centraremos en su interés para alimentar nuestros proyectos.
Pero tenemos que volver al principio. ¿Cuáles son las características importantes de una batería?
Básicamente la Tensión nominal que produce y su Capacidad. La primera se mide en voltios claro, y la segunda en mili Amperios hora
La tensión nominal indica el voltaje que puede proporcionar y son típicas en el mercado las de 1,5V; 3,3V; 9V y 12V aunque también las hay de otros valores, y dependiendo de su tecnología y capacidad los precios son muy variables.
La capacidad indica una medida de la energía que puede proporcionar la batería y que se mide en mAh por comodidad. Así una batería de 1200 mAh, significa que puede alimentar un circuito que consume 100 mA durante 1200 /100 = 12 horas de uso teórico.
Del mismo modo, 1200 mAh / 1000 mA = 1,2 horas, pero tenéis que tener en cuenta que esto son valores teóricos que hay que comprobar en la realidad porque hay mil motivos por los que la duración puede disminuir (Y ninguno por los que pueda aumentar) y además está la cuestión de la fatiga de la batería.
Para ver esto conviene un ejemplo. Cualquiera puede caminar una hora a 5km /hora, es un paseo relajado. Pero menos gente puede mantener un paso de 10 km /hora durante media hora que es su equivalente en cuanto a gasto energético.
Siguiendo el símil, ¿Cuántos pensáis que podéis correr 15 minutos a 20 km / hora? Y si subimos la apuesta ¿Crees que podrías correr 7 minutos a 40 km/hora?
Naturalmente nadie es capaz de correr a esa velocidad. El record mundial de velocidad en 100 m sin obstáculos esta en 37 km/hora (y en 100 metros no en 7 kilómetros) porque no solo cuenta el gasto de energía sino también la capacidad de los músculos para desarrollar la potencia necesaria y entregarla con la rapidez demandada.
Por eso también la sensación de fatiga que produce 100 metros corriendo a tope es mucho mayor de la que sientes andando tranquilo una hora y eso que la energía consumida seria la misma teóricamente si ignoramos otras consideraciones.
Lo mismo ocurre con las baterías eléctricas. Es fácil que una batería con una capacidad de 1200 mAh, aguante cerca de las 1200 horas si solo sacamos 1 mA de consume (Un paseo suave) pero no va a durar ni de coña media hora si el consumo es de 2000 mA.
- También hay que considerar cual es la máxima capacidad de entrega de corriente en pico, algo que no es importante para el proyecto de bajo consumo de Arduino a baterías pero que es clave en la selección de una batería para un dron por ejemplo.[/fancy-ul] [/three-fourth]
No pretendo aquí sentar cátedra en un terreno demasiado resbaladizo. Solo pretendo que entendáis que los valores nominales son solo una aproximación y que hay más cosas que deben ser consideradas.
Baterías disponibles en el mercado
En este momento tenemos una oferta de lo más abundante de baterías de todos los tipos y colores. ¿Por dónde empezamos a buscar?
Una opción interesante son siempre las baterías de ácido y plomo típicas de los coches. No hay que romperse mucho la cabeza para encontrar en Amazon o EBay baterías de 12 V y 70 Ah = 70.000 mAh, Están muy probadas y tiene buena vejez por relativamente bajo precio.
Pero, para alimentar nuestro Arduino durmiente, necesitamos bajar los 12 V de estas baterías a los 5V que usa, y para eso vamos a necesitar un Buck Converter o fuente Power Down de los que ya hablamos en su momento.
Y si usamos baterías LIPO (Mucho más modernas) su tensión nominal suele ser parecida o de 3,7V (O multiplos) que no nos sirven para alimentar a nuestro Arduino directamente, y lo mismo ocurre si queremos usar pilas sencillas de 1,5V tipo AA, que no vamos a sacar 5V sin un Buck o Boost converter
Y por regla general hay que unir barias de estas baterías para conseguir una tensión mas próxima al valor deseado
Por eso vamos a empezar por ver como unir baterías en serie o paralelo para aumentar la tensión o la capacidad según el caso.
Vamos a hacer un ejemplo con 6 pilas AAA típicas de 1,5 V y 800 mAh.
Si las ponemos en serie lo que hacemos es subir la tensión pero mantenemos la salida en mAh:
Si las ponemos en paralelo, mantenemos la tensión nominal de las baterías individuales pero aumentamos la capacidad:
También podemos hacer combinaciones en serie y paralelo y para ello debemos aplicar las mismas reglas que hemos visto más arriba.
Pero no suele ser habitual encontrar baterías de 5V porque normalmente se suministra un poco más de tensión para garantizar un suministro estable dentro de los límites tolerables, y ya aparece el primer problema para alimentar nuestro Arduino, porque no queremos usar los reguladores lineales que incluye y no podemos alimentarlo directamente con 6, 9 o 12V sin hacer Arduino a la barbacoa
Por tanto vamos a tener que usar un Buck Converter para convertir 6V, 9V o 12 V a los 5V que necesitamos (O un Boost converter si tenemos solo una bateria de 3V)
Usando el Buck Converter.
Un Buck Converter o fuente Power Down, es una fuente de alimentación capaz de convertir un voltaje de tensión continua a otro más bajo con una eficiencia muy superior a los reguladores lineales, que puede alcanzar hasta un 90% en casos óptimos.
A consecuencia de un error estúpido que cometí al calcular unas baterías recientemente, me ha parecido interesante hacer un par de números con los Buck Converter, porque al final parece que vamos a tener que usar uno con mucha probabilidad en cualquier proyecto con baterías.
Vamos a ver, supongamos que tenemos una batería de 12V y 1.200 mAh, de las típicas. Para alimentar nuestro Arduino con un mínimo desperdicio de energía, tengo que meterle los 5V directamente y eso me obliga a reducir la tensión de 12V a 5V mediante el ajuste de la fuente Power Down.
Pero aquí entra en juego una consideración teórica importante, y es la conservación de la energía (Si, esa con la que os machacaban en las clase de física, Al final os va a servir para algo)
La energía de la batería en cuestión es de:
12v x 1200 mAh = 14400 unidades cachondas (para no tener que pasar a julios)
Y la de la salida (en las mismas unidades cachondas, o chandios) es de:
5V x M mAh
Como la energía debe conservarse, rápidamente llegamos a la conclusión de un convertidor Buck, aumenta aparentemente el número de mAh de la batería, por la sencilla razón de que hemos bajado la tensión a la que lo entregamos en la proporción:
Vin * EmAh = Vout * Eout
Y por tanto
Eout = Ein * Vin / Vout
En un buck converter ideal el numero de miliamperios disponibles a extraer de la batería aumenta proporcionalmente a la relación entre la tensión de entrada y de salida del convertido. En el caso de la batería de 1.200 mAh a 12 V, podremos extraer teóricamente 1.200mAh * 12/5 es decir 2.880 mAh.
Si, lo sé. Ls baterías reales nos son ideales y los buck tampoco hacen una conversión perfecta. Si estimamos una eficiencia del 90% que parece quedar dentro de las expectativas razonables de uno de estos convertidores, estamos hablando de obtener casi 2.600 mAh a los 5V de nuestro duino, de una batería de 1.200 mAh a 12V
Este es un razonamiento puramente teórico pero debería tener bastante de realidad y sería interesante que alguien con más experiencia que yo me confirmase si esto es razonable o no, e incluso hiciera algunas pruebas de duración de la batería para testearlo.
De aquí sacamos la primera conclusión y es que si esto se confirma, interesa siempre comprar baterías de 12V con preferencia a las de 9V o 6V también habituales, porque la energía que podemos exprimir es mucho mayor.
Con una sencilla batería de 1.200 mAh de 12 Voltios, deberíamos poder mantener nuestro Arduino en modo Sleep durante 2.600 mAh / 2mA = 1.300 horas, 54 días y es fácil encontrarlas por algo más dinero de 4.000 mAh (150 días) y podríamos usar dos o tres en serie o paralelo para conseguir más energía disponible.
Con dos baterías en paralelo de 4.000 mAh no vamos a una duración teórica de 300 días, acercándonos mucho al año que buscábamos.
Y por último si queréis que el proyecto aguante y no necesitáis moverlo ni os importa una batería que pese, podéis usar cualquiera de las típicas baterías de coche o moto, que las encuentras enseguida en 70 Ah por uno 70€ y cuya duración puede sorprenderte:
70.000 mAh * 90% * 12/ 5 = 151.200 mAh a 5V
Lo que supone 6.300 días de vida, unos 17 años (Si no me ha fallado algún cero. (No os fiéis de mí y revisadlo) que no nos vamos a creer, pero que os permitiría ir bastante sobrados para proyectos aislados. Las baterías de plomo se pueden conseguir en toda una variedad de tamaños y capacidades a un precio muy razonable gracias a que hay todo un mercado para coches y motos.
Buscando en internet he encontrado también enseguida baterías de 12V y 7,2 Ah, de unos 20 € y pequeño tamaño debería manteneros vuestro Arduino vivo un año y medio sin grandes problemas.
Una típica batería de gel para un Scooter urbano suele andar por 12V y 20Ah por unos 35€ (Mas de 3 años) aunque naturalmente en todo esto no estamos contando más que el consumo de Arduino y no de los sensores u otras cosas que le pongamos que también comen, pero parece con una batería de estas y durmiendo el procesador hasta que sea la hora de realizar acciones, nuestro Arduino tiene garantizado pasar el invierno cómodamente.
Una última nota. Últimamente por internet han aparecido unas baterías que llaman Power Banks y que están pensadas para cargar tu teléfono móvil cuando no tienes cerca un enchufe.
La curiosidad de estas baterías es que como los cargadores de móvil suelen ser de 5V (Aunque internamente van a 3.3V) nos ofrece una salida USB con alimentación de 5V directa y una batería interna con capacidades que oscilan entre 2.000 mAh, 10.000 mAh, por un precio entre 15 y 30€.
Con todas las reservas que estos anuncios me merecen, convertir un cable USB en un alimentador para Arduino, es tan sencillo como pelar el cable y elegir GND y 5V, lo que no está nada mal porque con 7.00 o 10000 mAh pasaríamos cómodamente el año y sin necesidad de Buck Converter.
Habría que probarlo, pero en principio suena muy bien
Resumen de la sesión