Pilas y USB por dentro

01 · Punto de partida

Más tensión o más horas, a elección

Una AA da 1,5 V y 2000 mAh. ¿Y si necesitás 6 V? ¿Y si necesitás 4000 mAh? Las pilas se combinan en serie (más tensión) o en paralelo (más capacidad), cada una con sus reglas y sus trampas. Y el USB/powerbank esconde su propia contabilidad de mAh que conviene leer con lupa.

Al terminar diseñás packs chicos (4s2p y amigos) y calculás autonomías reales de powerbanks sin creer etiquetas.

• ¿Qué se suma en serie y qué en paralelo?
• ¿Se pueden mezclar pilas distintas?
• ¿Por qué 10000 mAh no son 10000 a 5 V?
• ¿Cómo es un USB por dentro?

02 · Serie

Tensiones que se apilan

+ con − encadenados: 4×AA = 6 V con los mismos 2000 mAh. La capacidad la pone la peor del grupo y la Rint se suma (0,3 × 4 = 1,2 Ω).

Notá la simetría: 2s y 2p guardan los mismos 6 Wh (misma cantidad de química). Serie y paralelo reparten la energía en V o en mAh, no la crean.

03 · Paralelo

Misma tensión o nada

En paralelo los + van con + y los − con −: obligatorio misma tensión nominal. Dos tensiones distintas en paralelo generan corriente circulante entre ellas (la alta carga a la baja) con calor y daño: la trampa mortal de los packs caseros.

Capacidad suma

2× 2000 mAh = 4000 mAh a la misma tensión. Autonomía doble con el mismo voltaje.

Rint baja en paralelo

0,3 ∥ 0,3 = 0,15 Ω: el pack entrega picos mejor. Otra razón para paralelizar en motores (curso 8).

Conexión/desconexión

Armar el paralelo con todas al mismo estado de carga. Conectar una cargada con una vacía = corto entre ellas.

Notación 4s2p

4 en serie, 2 strings en paralelo: 6 V/4000 mAh con 8 AA. Así se habla en packs (bici, UPS, drones).

04 · USB por dentro

5 V regulados y la trampa de la etiqueta

El cargador/powerbank convierte (3,7 V de celda → 5 V USB) y regula: 5 V firmes hasta su límite, después corta. Pero sus “10000 mAh” son a 3,7 V de celda interna, no a 5 V de salida:

La etiqueta no miente (la celda tiene 10000 mAh), pero a 5 V rinde 6300. Leer mAh sin preguntar “¿a qué tensión?” es comprar espejitos.

05 · Packs en código

Combinar y auditar packs

Funciones serie/paralelo con validaciones de seguridad:

def pack_serie(pilas):
    # pilas: lista de (V, mAh, Rint). Exige misma capacidad.
    vs = sum(v for v, _, _ in pilas)
    mah = min(m for _, m, _ in pilas)
    rint = sum(r for _, _, r in pilas)
    print(f"Serie: {vs} V {mah} mAh Rint={rint} ohm -> {vs*mah/1000:.1f} Wh")
    return vs, mah, rint


def pack_paralelo(pilas):
    vs = [v for v, _, _ in pilas]
    assert max(vs) - min(vs) < 0.1, "PROHIBIDO: tensiones distintas en paralelo"
    mah = sum(m for _, m, _ in pilas)
    rint = 1 / sum(1 / r for _, _, r in pilas)
    print(f"Paralelo: {vs[0]} V {mah} mAh Rint={rint:.2f} ohm")
    return vs[0], mah, rint


pack_serie([(1.5, 2000, 0.3)] * 4)
pack_paralelo([(1.5, 2000, 0.3)] * 2)

Probá pack_paralelo([(9, 500, 2), (1.5, 2000, 0.3)]): ¿qué hace el assert? ¿Por qué es correcto que falle?

Powerbank real y pack 4s2p

Las dos cuentas que cierran el tema:

def powerbank_real(mah_celda, v_celda=3.7, v_usb=5.0, eff=0.85):
    wh = mah_celda / 1000 * v_celda
    mah_usb = wh * eff / v_usb * 1000
    print(f"{mah_celda} mAh @ {v_celda}V = {wh:.0f} Wh -> USB: {mah_usb:.0f} mAh efectivos")
    return mah_usb


def pack_4s2p(v=1.5, mah=2000, r=0.3):
    vs, m, ri = v * 4, mah * 2, r * 4 / 2
    print(f"4s2p: {vs} V {m} mAh Rint={ri} ohm -> {vs*m/1000:.0f} Wh (8 pilas)")


powerbank_real(10000)
pack_4s2p()

06 · Analogía programador

Scale up vs. scale out

1. 1
   Serie = scale up.

   Más voltaje por unidad (más CPU por máquina). La más floja limita: el cluster rinde como su peor nodo.

2. 2
   Paralelo = scale out.

   Más capacidad con iguales (más réplicas). Exige homogeneidad: mezclar versiones rompe el balanceo.

3. 3
   Etiqueta = marketing.

   mAh sin tensión es benchmark sin workload: número real solo con contexto (Wh).

07 · Exploración

Laboratorio: armar packs

Elegí configuración con AA 1,5 V/2000 mAh (Rint 0,3 Ω): el laboratorio calcula Vs, capacidad, Wh, Rint y autonomía con LED 20 mA. Incluye la trampa prohibida.

Preguntas para explorar

1. ¿Por qué 2s y 2p guardan los mismos Wh con distinto reparto?
2. ¿Cuántas horas de LED da el 4s2p frente a 1 AA?
3. ¿Qué muestra el laboratorio con la opción prohibida?

08 · Comprensión

Confusiones frecuentes

09 · Práctica guiada

Ejercicios de packs

Ejercicio 1: pack 6 V / 4000 mAh

Solo AA 1,5 V/2000 mAh. ¿Configuración mínima? Calculá Vs, mAh, Wh y pilas. Verificá energía contra 1 AA.

Ejercicio 2: powerbank honesto

Powerbank 20000 mAh. ¿Wh? ¿mAh efectivos a 5 V (85 %)? ¿Horas de tira LED 2 W?

Ejercicio 3: el assert que salva

Ejecutá el pack_paralelo prohibido del código. ¿Qué pasa? Escribí la regla en tu cuaderno con tus palabras.

10 · Síntesis

Ideas para recordar

Fuentes combinadas y honestas. Ahora, el método que lo une todo: en el próximo tema, análisis sistemático + software.