Inicio Artículos de fondo Sistemas embebidos y baterías: diseño orientado al muy bajo consumo

Sistemas embebidos y baterías: diseño orientado al muy bajo consumo

742
0

Artículo cedido para publicación por su autor, Don Javier Longares, Ingeniero Técnico Industrial, (www.javierlongares.com/arte-en-8-bits)

Introducción

Hoy en día existen una necesidad cada vez mayor de diseñar dispositivos electrónicos que, alimentados con baterías, tengan una gran autonomía. Podemos encontrar ejemplos de este tipo de aplicaciones en los sectores más diversos: dispositivos wireless para mediciones agrícolas, mandos a distancia, cerraduras de establecimientos hoteleros, relojes de pulsera, boyas para mediciones mar adentro, estaciones meteorológicas y redes de sensores inalámbricas en general, son sólo algunos ejemplos.

En todos estos equipos, se dan unas características en común, pero la más importante de todas, es que se trata de sistemas alimentados a baterías, cuya sustitución supone un coste de mantenimiento que puede llegar a ser significativo en función de la frecuencia con que haya que sustituirlas.

De modo que se hace imprescindible, en primer lugar, saber calcular la duración estimada de dichas baterías para poder estimar los costes de mantenimiento de los dispositivos o si estos son viables. Por ejemplo, difícilmente alguien situaría boyas para mediciones submarinas en el ártico si se requiriese reemplazar las baterías semanalmente.

Este cálculo servirá además para dimensionar las baterías que requiere nuestro equipo, por ejemplo, seguramente las boyas del ártico tendrán algun tipo de comunicación inalámbrica de largo alcance, y las baterías de un reloj de pulsera no servirán para hacerlas funcionar durante mucho tiempo…

Dimensionando las baterías

Como es sabido, la capacidad de las baterías se mide en amperios·hora, o en miliamperios·hora, según el tamaño de la misma.

Por tanto, si tenemos un equipo que consuma una corriente determinada, que llamaremos I, y tenemos una batería con una capacidad conocida, que llamaremos C, una primera aproximación para conocer lo que durará la batería en ese equipo se obtendrá con la siguiente expresión:

Número de horas = C/I

Por ejemplo, un reloj de pulsera que consuma 50 microamperios y se alimente con una batería de 1000 mA durará algo más de 2 años.

De un modo análogo, si lo que se quiere es dimensionar la batería, entonces sabremos cuánto tiempo tiene que durar, llamaremos h al número de horas, y cuánto va a consumir el equipo. En este caso, el cálculo de dimensionamiento se hará según la siguiente expresión:

C = I·h

A modo de ejemplo, si se sabe que una boya de medidas submarinas consume 1.1A y, se quiere alojarla al norte de las Groenlandia, dado que en invierno no es muy probable que vaya nadie a reemplazar las baterías, se querrá que estas aguanten por lo menos un año para hacer mantenimiento en verano. Por tanto, la prudencia nos llevará a hacer los cálculos para que las baterías duren al menos 2 años, esto es, necesitaremos unas baterías de 20Ah.

Complicando los cálculos: el ciclo de trabajo, o Duty Cycle

Seguramente, sería difícil llegar a tener un equipo que consumiese una cantidad fija de corriente de manera constante y continua. Esto es, en realidad, nuestra boya de Groenlandia, no consumirá 1.1 A continuamente. Seguramente, tendrá uno o varios sensores para medir distintos parámetros, como la temperatura ambiente, la luminosidad, la dirección y fuerza del viento, la lluvia o la salinidad del agua entre otros. Por otro lado, habrá algún tipo de elemento de comunicación que se encenderá, transmitirá y recibirá información. Y por último, el microprocesador tendrá distintos estados de consumo, por ejemplo, reposo, despierte, realización de mediciones, almacenamiento de datos, transmisión de información y recepción de órdenes.

Cada uno de estos elementos o estados, han de ser considerados independientemente para poder dimensionar con precisión el perfil energético del equipo, así como el ciclo de trabajo de cada una de estas actividades.

El ciclo de trabajo, también llamado ciclo útil, se define como la fracción de tiempo en el cual un determinado dispositivo, o un estado del mismo, está activo. Por ejemplo, si un sensor de salinidad de agua emplea 3 segundos en realizar una medición y realiza 10 conversiones por hora, su ciclo de trabajo será de 0,008.

Ciclo de trabajo por corriente, donde “d” representa el ciclo de trabajo de la operación de medición de corriente.
Ciclo de trabajo por corriente, donde “d” representa el ciclo de trabajo de la operación de medición de corriente.

Sabiendo esto, podemos suponer que, si este sensor, durante los 3 segundos en querealiza la medición, consume una corriente de 2A, su aportación al consumo del equipo será de 160mA. Algebráicamente podemos sintentizar que la aportanción al consumo global del equipo de la operación de medición de la salinidad marina, sigue la sencilla expresión:

Pero ahora supongamos que, obviamente, el sensor no está encendido contínuamente, y que lo encendemos y apagamos cuando hay que medir y cuando la medición se ha completado. Y pongamos que, por ejemplo, tarda medio segundo en inicializar sus procesos internos, consumiendo durante este tiempo una media de 100mA. Añadamos a esto el que el resto de sensores tendrán operaciones similares, así como los elementos de comunicaciones y el propio microprocesador. Un ejemplo de los consumos del equipo podría ser el que se resume en la siguiente tabla:

Dispositivo Operación Ciclo de trabajo Corriente media
Sensor salinidad Encendido 0.0012 0.1 A
Sensor salinidad Medición 0.008 2 A
Sensor viento Encendido 0.0001 0.01 A
Sensor viento Medición 0.008 1 A
Sensor temperatura Encendido 0
Sensor temperatura Medición 0.01 0.1 A
Modem Encendido 0.01 2 A
Modem Transmisión 0.03 20 A
Modem Recepción 0.02 10 A
Microprocesador Modo activo 0.2 0.5 A
Microprocesador Bajo consumo 1 0.0007
Dispositivo n Operación n

Expresado matemáticamente, la aportación al consumo de cada una de las operaciones que realiza el equipo se calculará como sigue:

Aportación a la corriente total en función del ciclo de trabajo
Aportación a la corriente total en función del ciclo de trabajo

Una observación interesante que a muchos les cuesta comprender, es que si observamos la tabla, el microcontrolador en bajo consumo, sin realizar absolutamente ninguna operación, en un modo de funcionamiento en el que típicamente funciona tan solo un oscilador interno, se consumen 16,8 mAh al día, esto es, 6Ah en un año, 12 Ah en los 2 años de vida de la batería. Es decir, que el aparato, sin ninguna actividad, gasta más de la mitad de la batería sin hacer nada, solo por mantener el modo stand-by. Lo que nos hace recordar lo importante que es apagar la televisión desde el interruptor en lugar de desde el mando a distancia.

De hecho, tan importante es esta corriente de bajo consumo, que de ahora en adelante la separaremos del resto de corrientes, quedándonos la expresión de la corriente total del siguiente modo:

Ecuación de la corriente total del equipo
Ecuación de la corriente total del equipo

Cómo alargar al máximo la vida útil de la batería

Si analizamos la ecuación de la corriente total del equipo, podemos observar que la corriente que consume el equipo en stand-by es algo que no podemos eliminar ni reducir, y por otro lado, la corriente consumida por las distintas operaciones, es variable en función del ciclo de trabajo de dichas operaciones. Por tanto, es fácil observar que podemos reducir el ciclo de trabajo de dichas operaciones para maximizar la vida útil de las baterías. Obteniendo que, en el extremo, la duración máxima de las baterías se obtendrá cuando la corriente consumida por las operaciones, aplicando el ciclo de trabajo, sea despreciable frente a la corriente de stand-by, cuyo ciclo de trabajo es 1.

Por tanto, siguiendo con el ejemplo de la boya meteorológica, si en lugar de 10 conversiones por hora, la salinidad no variase tanto, y fuese suficiente con una conversión cada 10 horas, el consumo energético de esta operación pasaría a ser despreciable frente al consumo en modo stand-by. En algunos casos, esto no será posible, por ejemplo si se quiere una observación precisa, la dirección y velocidad del viento son dos de las magnitudes meteorológicas que varían con más frecuencia, y por tanto su observación debería ser más continuada.

Expresado matemáticamente:

La máxima duración de la batería ocurrirá cuando la corriente total sea prácticamente igual a la corriente de bajo consumo
La máxima duración de la batería ocurrirá cuando la corriente total sea prácticamente igual a la corriente de bajo consumo

Algunas consideraciones sobre la batería

Cuando un fabricante de baterías nos da el dato de capacidad de la batería, es muy importante tener en consideración que dicho dato no es totalmente real. De hecho, normalmente suele referirse a la capacidad que esa batería tendría si se descargase de manera constante a una corriente dada.

Por ejemplo, las típicas pilas AA, suelen dar el dato de la capacidad que tienen las pilas si éstas se descargasen una corriente constante de unos 2mA. Para aplicaciones típicas de sistemas embebidos, en las que los periféricos están encendiéndose y apagándose, produciendo importantes picos de corriente, existe un parámetro llamado eficiencia de las baterías para la aplicación, que sólo nos lo puede proporcionar el fabricante, de manera aproximada, a partir del perfil energético de nuestro producto. Por ejemplo, si un fabricante de baterías de 25Ah nos indica que las baterías tienen una eficiencia para nuestra aplicación del 82%, nos está diciendo que la capacidad real de sus baterías para nuestro producto será de unos 20.5ª.

Otro parámetro muy importante de unas baterías es el coeficiente de autodescarga. Suele expresarse igualmente en % al día o al mes e indica el porcentaje de batería que se pierde en autodescarga. Así, si el fabricante de las baterías anteriores nos dice que tienen una autodescarga del 1% al mes, nos está diciendo que cada día, la batería pierde 8,5mAh, lo que suponen 6,2Ah perdidos en los 2 años de vida útil de las mismas para el producto. Siendo así de significativa esta corriente, deberá sumarse a la corriente de bajo consumo que se veía en el apartado anterior.

Finalmente, es importante mencionar la corriente de pico que la batería es capaz de suministrar, la cual, lógicamente, debe ser suficiente para alimentar el equipo en todo momento. Además, habría que mencionar otras características como la variación de la tensión en bornes y de la corriente de pico con la carga de las baterías, y habría que considerar fenómenos como la corriente y tiempo de pasivación, en el caso de baterías de litio o la temperatura de funcionamiento… Sin embargo, estos aspectos merecerían un artículo únicamente dedicado a las baterías, y no es el objeto de este. El lector interesado debería preguntar a su fabricante o distribuidor habitual al respecto.