Alimentación, baterías y seguridad

01 · Punto de partida

La alimentación forma parte del diseño

En el tema anterior ejecutamos una prueba sin motores. Al conectar cargas reales aparecen preguntas nuevas: ¿qué tensión necesita cada bloque?, ¿cuánta corriente pide al arrancar?, ¿qué ocurre si la fuente no alcanza? Un programa correcto puede reiniciarse por una caída de tensión y volver a arrancar en un momento inesperado.

Trabajaremos con un vehículo didáctico de dos motores de corriente continua y electrónica de baja tensión. Los valores numéricos son ejemplos: la selección final depende de las fichas del motor, driver, batería y regulador concretos.

Tensión y corriente cumplen papeles distintos. Una fuente regulada de 5 V y capacidad de 3 A no obliga a una carga sana a consumir 3 A. En cambio, aplicar una tensión excesiva puede dañarla aunque su consumo sea pequeño. La capacidad de entregar corriente tampoco protege frente a un cortocircuito.

02 · Demanda de los motores

Marcha, arranque y bloqueo

La corriente de un motor cambia con el esfuerzo. En vacío solo tiene que vencer sus pérdidas. En el suelo debe mover el robot. Al arrancar, el eje todavía no gira y puede pedir un pico importante; si queda trabado, la corriente puede mantenerse elevada y calentarlo rápidamente.

Para dos motores que consumen 0,6 A cada uno en una condición de marcha, la rama de motores demanda 1,2 A. Si cada uno puede pedir 3 A al bloquearse, un caso simultáneo alcanza 6 A. Son dos condiciones que deben evaluarse por separado.

La corriente real depende de tensión, resistencia, control y limitadores. No supongas que el pico dura lo suficiente como para ignorarlo ni que el valor de bloqueo se puede sostener. Pololu explica la importancia de relacionar corriente del motor, capacidad continua del driver y duración de la carga.

No provoques un bloqueo prolongado para obtener el dato. Buscá la ficha del motor y usá procedimientos de medición controlados. En una primera práctica conviene evitar ensayos de atasco y verificar el arranque con movimiento libre y contenido.

03 · Fuente de energía

Elegir y cuidar la batería

Una batería se elige por química, rango de tensión, capacidad, corriente admisible, peso y forma de carga. Su tensión nominal es una referencia, no una salida regulada. Hay que comprobar el máximo recién cargada y el mínimo bajo carga; Pololu advierte sobre esta diferencia al alimentar controladores de motor.

En serie se suman tensiones: dos celdas iguales de 3,7 V nominales y 2,2 Ah forman un conjunto nominal de 7,4 V y 2,2 Ah, no de 4,4 Ah. Un pack convencional que carga hasta 4,2 V por celda llega a 8,4 V con dos en serie. Ese dato no se extiende a todas las químicas ni define el umbral de descarga.

Para empezar con litio, elegí un pack ensamblado con las protecciones adecuadas y un cargador expresamente compatible con su química y número de celdas. Un regulador de 5 V no es un cargador. La guía de baterías de Adafruit describe precauciones de carga y uso.

• Respetá corriente, temperatura y condiciones de carga del fabricante; no dejes la carga sin supervisión.
• No uses ni cargues un pack hinchado, perforado, con fuga o con calentamiento anormal.
• Protegé los terminales contra cortocircuitos y sujetá el pack sin deformarlo.
• No mezcles celdas ni armes conexiones serie/paralelo improvisadas para esta práctica.

El BMS, cuando existe, puede proteger frente a ciertos extremos. No sustituye al cargador, a la protección del cableado ni al control de una máquina que debe detenerse antes de quedarse sin energía.

04 · Cálculo de duración

Capacidad, energía y autonomía

La capacidad en amperios-hora indica carga eléctrica. Para comparar baterías de distinta tensión conviene considerar energía:

Un pack nominal de 7,4 V y 2,2 Ah representa aproximadamente 16,28 Wh. Si para una estimación reservamos un 20 % de la energía, usamos 13,02 Wh. Ese porcentaje es una hipótesis de cálculo, no un límite de descarga válido para cualquier batería.

También podés usar t ≈ Q / I, siempre que la corriente esté referida a la batería. No sumes directamente la corriente de una carga a 5 V con la de otra rama a distinta tensión: primero convertí potencias o corrientes al mismo lado del regulador.

Por ejemplo, la lógica consume 5 V × 0,5 A = 2,5 W. Con un regulador de eficiencia 90 %, demanda 2,78 W de la batería. Sumando una rama de motores con consumo medio medido de 1,2 A a 7,4 V:

La autonomía real cambia con recorridos, esfuerzo, temperatura, envejecimiento y corte por baja tensión. La corriente de arranque sirve para verificar picos; no se usa como consumo medio de una hora completa salvo que esa sea realmente la condición de trabajo.

05 · Adaptar tensión

Reguladores y pérdidas

El regulador adapta la tensión disponible a la que necesita una rama. Un reductor o buck baja tensión; un elevador o boost la aumenta; un buck-boost puede trabajar a ambos lados de la salida. Todos tienen rangos, pérdidas y límites térmicos.

La comparación técnica de Renesas explica las pérdidas de los reguladores lineales y las topologías conmutadas. La eficiencia no es constante: depende de tensión, corriente y circuito.

Revisá el rango completo de la batería. Un buck necesita margen entre entrada y salida; si la entrada cae demasiado, deja de mantener la salida. La corriente máxima anunciada para un módulo tampoco garantiza ese valor continuo en cualquier temperatura.

Los pines de alimentación de una placa tienen funciones específicas. No inyectes tensión en un pin de salida ni combines USB y otra fuente sin comprobar el circuito de selección de la placa. Arduino describe estas diferencias en sus alternativas de alimentación.

06 · Arquitectura eléctrica

Distribuir energía y retornos

Una batería puede alimentar varias ramas. Conviene que la corriente de los motores no atraviese las pistas, cables finos o contactos usados como retorno de los sensores. Compartir referencia de señal no significa hacer circular toda la potencia por el GND de una placa.

El diagrama muestra funciones y omite el detalle de retornos y protecciones. No es un esquema listo para cablear. En interfaces no aisladas, controlador y driver suelen necesitar una referencia común; en sistemas aislados se siguen las reglas de esa interfaz.

Un servo también necesita una alimentación dimensionada para su carga. Su cable de señal no proporciona la energía del motor. La guía de servomotores de Arduino muestra el uso de una fuente externa; Adafruit explica la referencia de masa compartida.

07 · Síntomas eléctricos

Caídas de tensión y ruido

Los cables, conectores y la propia batería tienen resistencia. Cuando aumenta la corriente aparece una caída de tensión:

Si el conjunto tiene 0,2 Ω equivalentes y circulan 6 A, la caída estimada es 1,2 V. Un contacto flojo puede aumentar esa resistencia. Medir solo la batería en reposo no revela qué tensión recibe la electrónica durante el arranque.

Además de caídas lentas existen transitorios rápidos por conmutación, inductancias y escobillas. Pueden causar lecturas falsas o reinicios. Para diagnosticarlos sirve observar la alimentación cerca de la carga; un multímetro puede no capturar un pulso breve.

• Usá conductores y conectores adecuados a la corriente y recorridos de potencia cortos.
• Separá el tendido de señales sensibles del de motores; evitá grandes lazos de corriente.
• Ubicá desacoplos y capacitancia de reserva según las recomendaciones de cada dispositivo.
• En motores con escobillas, aplicá la supresión indicada por el fabricante del motor y driver.

La nota de aplicación de Pololu sobre ruido de motores explica cómo las escobillas y el cableado generan perturbaciones. Un capacitor puede ayudar con transitorios, pero no reemplaza una fuente incapaz de sostener el consumo continuo.

El frenado también puede devolver energía a la alimentación. Algunas fuentes no pueden absorberla y la tensión sube. Verificá el manejo de regeneración y transitorios del driver: no agregues un diodo cualquiera sobre un motor bidireccional como si se tratara de una carga de un solo sentido.

08 · Estado seguro

Protecciones y parada

Cada protección cubre un problema distinto. El fusible protege principalmente frente a sobrecorrientes en el circuito que alimenta; el limitador del driver controla ciertos esfuerzos de potencia; la supervisión de tensión permite pedir una parada antes de que la lógica pierda estabilidad.

No elijas un fusible solo multiplicando el consumo por un factor fijo. Revisá curva tiempo-corriente, arranque, sección de conductores y corriente de falla de la fuente. Un portapilas o una protoboard tampoco son caminos de potencia universales.

Detener no siempre significa cortar todo

En un vehículo horizontal puede convenir retirar potencia de tracción. En un brazo vertical, cortar energía puede dejar caer la carga; puede necesitar frenado y retención. Una parada de emergencia se diseña según el peligro y no equivale a un botón de interfaz que solo ejecuta una función del programa.

El botón y el elemento que interrumpe potencia deben ser apropiados para el circuito y la corriente continua. Un GPIO o un relé elegido solo por una cifra de corriente no constituye por sí mismo una función de seguridad. En equipos con riesgo para personas se requieren componentes, arquitectura y validación específicos.

La baja tensión debe tener una respuesta definida: avisar, reducir actividad o detener con margen suficiente. El umbral se elige por química, carga, reguladores y mecánica. No esperes que el BMS corte de golpe para iniciar una maniobra de parada.

09 · Código ejecutable

Presupuesto de energía en Python

Este cálculo separa consumo medio, pico y pérdidas del regulador. Las corrientes de motores están referidas a su rama de batería; la lógica está definida por su potencia de salida. No se modelan PWM, protecciones ni cambios del consumo con la tensión.

voltaje = 7.4
capacidad_ah = 2.2
fraccion_utilizable = 0.80
numero_motores = 2
corriente_media_motor = 0.6
corriente_pico_motor = 3.0
potencia_logica_w = 5.0 * 0.5
eficiencia = 0.90
resistencia_equivalente = 0.20

potencia_entrada_logica = potencia_logica_w / eficiencia
corriente_logica_bateria = potencia_entrada_logica / voltaje
corriente_media = (numero_motores * corriente_media_motor
                   + corriente_logica_bateria)
corriente_pico = (numero_motores * corriente_pico_motor
                  + corriente_logica_bateria)
energia_util_wh = voltaje * capacidad_ah * fraccion_utilizable
potencia_media_w = voltaje * corriente_media
autonomia_min = 60 * energia_util_wh / potencia_media_w
caida_pico_v = corriente_pico * resistencia_equivalente

print(f"Lógica referida a batería: {corriente_logica_bateria:.3f} A")
print(f"Corriente media total: {corriente_media:.3f} A")
print(f"Pico estimado: {corriente_pico:.3f} A")
print(f"Autonomía aproximada: {autonomia_min:.1f} min")
print(f"Caída resistiva de pico: {caida_pico_v:.2f} V")

Con estos datos: corriente media ≈ 1,575 A, pico ≈ 6,375 A, autonomía ≈ 67,0 min y caída de pico ≈ 1,28 V. Subir la capacidad a 4,4 Ah duplica la autonomía del modelo; no cambia el pico porque dejamos iguales todas las demás propiedades.

La caída es una aproximación con corriente evaluada al voltaje de referencia. Una carga de potencia constante pide más corriente cuando baja su entrada y el motor también cambia su comportamiento. No se debe usar esta cuenta como predicción exacta de un transitorio.

10 · Exploración interactiva

Laboratorio: duración y picos son problemas distintos

Usamos el mismo modelo del código. Ajustá la batería, los motores y la resistencia equivalente del camino compartido. El laboratorio compara el pico con un límite hipotético de corriente y la tensión resultante con una entrada mínima hipotética.

La tensión elegida se usa como referencia nominal para energía y como tensión sin carga para la caída simplificada. El límite de corriente solo se compara: no se simula su actuación ni la tensión que produciría. Los 6 V no son un umbral de descarga de batería. Cambiar tensión supone cargas compatibles y no autoriza a aplicar ese valor a un motor real.

Recorrido guiado

1. Con los valores iniciales, la autonomía es de unos 67 min, pero el pico supera el límite elegido de 5 A. Una duración aceptable no resuelve el arranque.
2. Subí la capacidad a 4,4 Ah: se estiman unos 134 min. El pico y la caída quedan iguales porque no cambiamos resistencia ni consumo.
3. Restablecé y subí la resistencia a 0,30 Ω: la tensión calculada cae a unos 5,49 V, por debajo de la referencia de 6 V.
4. Elegí un límite de 8 A manteniendo esa resistencia: la corriente queda por debajo del límite, pero la tensión sigue siendo insuficiente en el modelo.
5. Bajá la resistencia a 0,10 Ω: la tensión estimada sube a unos 6,76 V. Ambas comparaciones mejoran, pero todavía faltan rangos, transitorios y pruebas reales.

11 · Método de trabajo

Primera puesta en marcha

1. Con la fuente desconectada: revisá polaridad, continuidad, fijaciones, protección y ausencia de conductores sueltos.
2. Probá la rama de lógica: verificá su tensión antes de conectar la placa, usando una entrada de alimentación admitida por su fabricante.
3. Arrancá sin habilitar motores: el estado inicial debe impedir movimiento hasta una orden deliberada.
4. Probá un actuador por vez: contené el movimiento y evitá ropa, cables o manos cerca de partes móviles. En el vehículo, comenzá con ruedas levantadas.
5. Observá corriente y tensión: revisá arranque y cambios de carga sin sostener bloqueos. Ante calentamiento anormal, olor, reinicios o cableado caliente, desconectá y diagnosticá.
6. Verificá la parada prevista: comprobá tanto el efecto físico como la ausencia de reinicio automático al liberar o restablecer.
7. Pasá al suelo a baja velocidad: repetí mediciones y registrá condiciones; sin carga no se verifica el esfuerzo real.

Para medir tensión, el multímetro se conecta en paralelo. Para medir corriente con él se usa la entrada y rango adecuados, en serie con la rama y con el instrumento protegido para ese circuito. Nunca conectes el multímetro en modo corriente directamente entre los bornes de la batería: equivale a crear un camino de muy baja resistencia. Una pinza de corriente continua apropiada permite medir sin abrir el circuito.

Registrá batería, estado de carga, configuración, consumo medio, pico observado y tensión mínima. Son datos para repetir la prueba, no solo números que se miran una vez.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Consumo continuo y pico

Dos motores consumen 0,7 A cada uno en marcha y 2,5 A cada uno en un pico previsto. La electrónica toma 0,2 A, ya referidos a la misma batería. ¿Cuánto suman ambas condiciones?

2. Autonomía idealizada

Una batería de 3 Ah alimenta un consumo medio de 1,5 A medido en sus bornes. Usás un 80 % de capacidad como hipótesis. ¿Qué duración estimás?

3. Corriente al otro lado del regulador

Una carga toma 5 V y 0,8 A. El regulador tiene eficiencia del 90 % y su entrada está en 8 V. ¿Cuánta corriente aproximada toma de la batería?

4. Calor en un regulador lineal

Un regulador baja de 9 a 5 V y entrega 0,4 A. ¿Qué potencia aproximada disipa?

5. Un contacto resistivo

El camino de alimentación tiene 0,25 Ω equivalentes. Durante un pico circulan 4 A y la fuente sin carga está en 7,4 V. ¿Qué tensión estima el modelo?

6. Liberar la parada

El robot quedó detenido por una emergencia. Al liberar el pulsador retoma la última orden de avance. ¿Qué hay que cambiar?

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 5?

Antes de avanzar, dibujá la distribución de energía de tu robot, calculá consumo medio y pico y explicá qué ocurriría si se corta la alimentación mientras está moviendo una carga. Anotá qué datos de ficha todavía te faltan.

En el próximo tema empezamos con sensores propioceptivos y exteroceptivos: qué necesita saber un robot de sí mismo y qué debe medir de su entorno.