Caso práctico: Automatización de carga de baterías con relé

Materiales

• 1× Fuente DC de 15–18 V (por ejemplo, 18 V / 3 A, o el secundario rectificado de un transformador).
• 1× Batería de 12 V (plomo-ácido sellada o AGM, 7–20 Ah para el ejemplo).
• 1× Relé SPST o SPDT 12 VCC, bobina 12 V, contactos ≥ 10 A @ 30 VDC.
• 1× Amplificador operacional LM358 (se usará como comparador).
• 1× Transistor NPN tipo 2N2222 o BC337 (para manejar la bobina del relé).
• 1× Diodo 1N4007 (diodo de rueda libre para la bobina del relé).
• 1× LED rojo (indicador “Cargando”).
• 1× Resistencia [R_LED] 1 kΩ 1/4 W (limitadora de corriente para el LED).
• 1× Resistencia [R1] 100 kΩ 1/4 W (parte superior del divisor de referencia).
• 1× Resistencia [R2] 27 kΩ 1/4 W (parte inferior del divisor de referencia).
• 1× Resistencia [R3] 100 kΩ 1/4 W (parte superior del divisor desde batería).
• 1× Resistencia [R4] 27 kΩ 1/4 W (parte inferior del divisor desde batería).
• 1× Resistencia [R5] 220 kΩ 1/4 W (realimentación para histéresis del comparador).
• 1× Resistencia [R6] 4,7 kΩ 1/4 W (resistencia de base del transistor).
• 1× Diodo 1N4148 ([D_REF]) para mejorar estabilidad del punto de referencia (opcional pero lo incluimos).
• 1× Protoboard o placa de pruebas.
• Cables de conexión y terminales adecuados a la corriente de carga.
• 1× Multímetro digital.
• 1× Carga de prueba para la batería (por ejemplo, bombilla de coche 12 V / 21 W).

Guía de conexionado

• Alimentación general:
• Conecta el positivo de la fuente de 15–18 V al nodo etiquetado como +V_FUENTE.
• Conecta el negativo de la fuente a GND (masa común del sistema).
• Conecta el negativo de la batería a GND.

• Mantén separado el positivo de la batería (+BAT) del cargador; se unirán sólo a través del contacto del relé.

• Divisor de referencia (umbral de comparación):

• Conecta [R1] 100 kΩ entre +V_FUENTE y el nodo V_REF.
• Conecta [R2] 27 kΩ entre V_REF y GND.
• Conecta el diodo [D_REF] 1N4148 entre V_REF y GND, con el cátodo a V_REF y el ánodo a GND (para recorte suave de tensión y estabilidad).

• Conecta el pin no inversor (+) del LM358 (canal A, etiquetado aquí como LM358A+) al nodo V_REF.

• Divisor de tensión de batería (medición de V_BAT):

• Conecta [R3] 100 kΩ entre el positivo de la batería (+BAT) y el nodo V_SENS.
• Conecta [R4] 27 kΩ entre V_SENS y GND.

• Conecta el pin inversor (–) del LM358 (canal A, etiquetado como LM358A-) al nodo V_SENS.

• Histéresis (realimentación positiva):

• Conecta [R5] 220 kΩ entre la salida del LM358A (nodo V_OUT_CMP) y el nodo V_SENS.

• Alimentación del LM358:

• Conecta el pin VCC del LM358 a +V_FUENTE.

• Conecta el pin GND del LM358 a GND.

• Etapa de potencia con transistor y relé:

• Conecta la salida del LM358A (nodo V_OUT_CMP) a un extremo de [R6] 4,7 kΩ.
• Conecta el otro extremo de [R6] al nodo VB (base del transistor NPN).
• Conecta el emisor del transistor NPN (2N2222 o BC337) a GND.
• Conecta la bobina del relé entre +V_FUENTE y el nodo VC (colector del transistor).
• Conecta el colector del transistor al nodo VC.

• Conecta el diodo 1N4007 en paralelo con la bobina del relé: ánodo a VC, cátodo a +V_FUENTE (diodo de rueda libre).

• Contactos de potencia del relé:

• Usa el contacto común (COM) del relé para conectar al positivo del cargador (+CARGA de la fuente) o a +V_FUENTE en caso de usar la misma fuente.
• Usa el contacto normalmente abierto (NO) del relé para conectar al positivo de la batería (+BAT).
• Deja el contacto normalmente cerrado (NC) sin usar en este caso.

• Verifica que el negativo de la fuente de carga y el negativo de la batería estén unidos a GND.

• LED indicador de carga:

• Conecta [R_LED] 1 kΩ entre +V_FUENTE y el ánodo del LED.
• Conecta el cátodo del LED al nodo VC (colector / extremo bajo de la bobina del relé). El LED se encenderá cuando el transistor conduzca y el relé esté activado (modo “Cargando”).

Esquemático

                                                 +V_FUENTE
                          |
                +---------+----------------------+
                |                                |
              [R1] 100kΩ                        [R_LED] 1kΩ
                |                                |
          V_REF o                                o---[LED]---+
                |                                |           |
             [R2] 27kΩ                           |          VC node
                |                                |           o
               GND                              GND          |
                |                                             |
             [D_REF] 1N4148                                  |
              (k a V_REF, a a GND)                           |
                                                              |
                       LM358 (canal A)                       |
                   +---------------------+                    |
    V_REF node --> | LM358A+         OUT| --> V_OUT_CMP o----+----[R6] 4.7kΩ----o VB node
    V_SENS node -->| LM358A-            |                                  |
                   |                 GND|------------------------------+   |
                   |                VCC |--------------------------+   |   |
                   +---------------------+                        |   |   |
                                                                 |   |   |
                                                              +V_FUENTE   |
                                                                 |        |
                                                                 |       [Q1] NPN 2N2222
                                                                 |        C
                                                              [Relay]     |
                                                              Coil        |
                                                                       +V_FUENTE  VC node o
                                                                       |
                                                                       E
                                                                       |
                                                                      GND


Batería y divisor de medición:

                                   +BAT o----[R3] 100kΩ----o V_SENS node
                                   |
                                 [R4] 27kΩ
                                   |
                                  GND


Histéresis (realimentación):

      V_OUT_CMP o----[R5] 220kΩ----o V_SENS node


Contactos de potencia del relé:

                          +CARGA (+ de la fuente de carga o +V_FUENTE)
                          |
                        COM (relé)
                          |
                         NO
                          |
                        +BAT o (positivo de batería)

   Negativo de fuente de carga ---- GND ---- Negativo de batería
                            ---

Mediciones y pruebas

• Verificación previa sin batería:

  • Desconecta la batería y el cargador de los contactos del relé.
  • Alimenta el circuito con +V_FUENTE nominal (por ejemplo, 15–18 V).
  • Mide la tensión V_REF con el multímetro (punta roja en V_REF, punta negra en GND). Ajusta, si cambias valores, para que esté en torno a 4–5 V, de forma que corresponda a 14,4 V a escala de la batería (relación del divisor R3–R4).
  • Mide V_SENS con el multímetro y comprueba que su valor sigue la tensión que apliques manualmente (por ejemplo, usando una fuente regulable en el nodo +BAT, con baja corriente).

• Medición de umbral alto (desconexión):

  • Con la batería conectada y una fuente de carga en +CARGA, aumenta lentamente la tensión de la batería (idealmente con un cargador regulable o una fuente de laboratorio en paralelo con la batería).
  • Mide la tensión en +BAT respecto a GND con el multímetro.
  • Observa el punto en el que el relé se desactiva (escucharás un “clic” y el LED se apagará). Anota esa tensión de batería como V_UMBRAL_ALTO (por ejemplo, 14,4 V).
  • Verifica que en ese momento la corriente de carga (medida en serie entre la fuente y la batería, con el multímetro en modo amperímetro) cae prácticamente a cero. Esa corriente la llamamos I_CARGA (corriente que fluye hacia la batería).

• Medición de umbral bajo (reconexión):

  • Desconecta la fuente de carga para que la batería se descargue ligeramente a través de la carga de prueba (por ejemplo, una bombilla de coche 12 V / 21 W conectada entre +BAT y GND).
  • Mide la tensión en +BAT con el multímetro y espera a que baje gradualmente.
  • Una vez que V_BAT descienda, observa en qué tensión el relé vuelve a activarse (LED se enciende y se oye otro “clic”). Anota esa tensión como V_UMBRAL_BAJO (por ejemplo, ~12,5 V).
  • Comprueba otra vez I_CARGA colocando el multímetro en serie entre el cargador y el terminal COM del relé: al activarse el relé, la corriente I_CARGA debe ser coherente con la etapa de carga (por ejemplo, 0,5–2 A según tu fuente).

• Medición de histéresis:

  • Calcula la diferencia ΔV_HIST = V_UMBRAL_ALTO – V_UMBRAL_BAJO.
  • Esta diferencia debe ser de aproximadamente 1–2 V. Si es muy grande o muy pequeña, puedes ajustar el valor de [R5] 220 kΩ (aumentarlo reduce la histéresis, disminuirlo la incrementa).
  • Durante estas pruebas, observa la tensión de salida del comparador V_OUT_CMP con el multímetro:
    • Alta (cercana a +V_FUENTE) cuando el relé está activo (modo “Cargando”).
    • Cercana a GND cuando el relé está desactivado (modo “Carga finalizada”).

• Definición de variables medidas:

  • V_BAT: tensión de la batería; se mide entre +BAT y GND con el multímetro en modo voltímetro.
  • V_REF: tensión de referencia interna del comparador; se mide entre el nodo V_REF y GND.
  • V_SENS: tensión proporcional a V_BAT en el divisor R3–R4; se mide entre el nodo V_SENS y GND.
  • I_CARGA: corriente de carga que fluye desde la fuente hacia la batería; se mide abriendo el circuito en serie y colocando el multímetro en modo amperímetro entre la salida del cargador y el contacto COM del relé.

Ajustes finos y consideraciones avanzadas

• Ajuste exacto de umbrales:
• Los valores R1, R2, R3 y R4 determinan la relación entre V_BAT y V_SENS, y por tanto los umbrales de conmutación.
• Puedes sustituir R1 por un potenciómetro de 100 kΩ en serie con una resistencia fija para disponer de ajuste fino de V_REF.

• Recuerda que el LM358 funciona con un único suministro y no baja hasta cero exacto en salida, pero sí lo suficiente para controlar el transistor sin problema.

• Protección de contactos del relé:

• Si la corriente de carga es elevada o la carga es inductiva (por ejemplo, un convertidor DC-DC), considera añadir un diodo, snubber RC o varistor en los contactos del relé para prolongar su vida útil.

• Verifica que el relé tenga capacidad de corriente y tensión suficiente (por ejemplo, ≥10 A @ 30 VDC para sistemas típicos de 12 V / 10 A).

• Estimación de potencia y disipación:

• La disipación en las resistencias de los divisores (R1–R4) es baja debido a su valor elevado (100 kΩ / 27 kΩ), por lo que 1/4 W es suficiente.
• El transistor Q1 apenas disipará potencia (la bobina consume típicamente 30–100 mA), pero es buena práctica prever margen térmico, especialmente si se emplea un relé con bobina de mayor consumo.

Errores comunes

• Conectar mal los contactos del relé:
• Asegúrate de usar COM y NO, no NC, si quieres cargar solo cuando el relé esté activado.
• Olvidar el diodo de rueda libre:
• Sin el diodo 1N4007 en paralelo con la bobina, los picos de tensión al desactivar el relé pueden dañar el transistor o el LM358.
• No compartir masa:
• El negativo de la fuente, el negativo de la batería, el GND del LM358 y el emisor del transistor deben estar unidos en un solo nodo GND común.
• Polaridad del LED invertida:
• El ánodo debe ir hacia +V_FUENTE a través de [R_LED], el cátodo hacia el nodo VC (que se aproxima a GND cuando el transistor conduce).

Seguridad

• Trabajas con corrientes relativamente altas (posibles decenas de amperios en baterías grandes). Usa cables adecuados a la intensidad nominal.
• Nunca cortocircuites la batería a propósito: puedes generar chispas, calor excesivo y riesgo de quemaduras.
• Añade un fusible en serie con el positivo de la batería cercano al borne (+BAT) para proteger frente a cortocircuitos accidentales.
• Verifica siempre la polaridad antes de conectar; invertir +BAT y GND puede destruir el circuito y ser peligroso para la batería.

Posibles mejoras

• Reemplazar el LM358 + transistor + relé por un MOSFET de canal P o un módulo de relé de estado sólido para reducir pérdidas y ruido mecánico.
• Añadir un segundo comparador del LM358 para actuar como protección por subtensión (corte de batería cuando baje de 11 V para alargar su vida útil).
• Incorporar un microcontrolador (por ejemplo, un Arduino) para registrar tensiones, corrientes y tiempos de carga, y mostrar datos en un display.
• Incluir una NTC (sensor de temperatura) y un canal extra para compensar el umbral de carga en función de la temperatura de la batería.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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