Consideraciones para el bajo consumo en circuitos electrónicos energizados por batería

Introducción.

Los circuitos electrónicos en la actualidad utilizan versiones de componentes que han sido mejoradas con el tiempo. Algunas como reguladores de tensión ahora soportan un corto circuito en su salida de manera permanente, otros se producen con nuevos encapsulados que ahorran más espacio y soportan un mayor rango de temperaturas. En este blog se abordarán aquellos circuitos que suelen ser energizados por baterías y resulta muy conveniente reducir el consumo energético de sus componentes y en otros casos inhabilitarlos, con afán de utilizar la menor potencia posible.

Nuevas versiones con mejores prestaciones.

Existen nuevos componentes electrónicos que utilizan menor potencia para funcionar, tanto en los niveles de tensión como en las corrientes de operación utilizadas. Un caso particular es el amplificador de instrumentación INA114 (Burr Brown), que ha sido utilizado por varias décadas para amplificar tensiones diferenciales por un factor de 1 hasta 1000; mientras tanto, el AD8553 (Analog Devices) puede amplificar la misma señal diferencial en las mismas proporciones, brindando además algunas ventajas.

La figura 1 muestra una comparativa de estos componentes.

Figure 1: Comparación de funciones y configuración de terminales para INA114 y AD8553

 Como puede observarse, aunque ambos componentes tienen la misma función de dar ganancia de tensión diferencial a una señal, las funciones del AD8553 superan a la del INA114 en varios aspectos:

• El desplazamiento de la tensión de entrada es menor por 30µV.
• Las variaciones causadas por temperatura son menores por 0.15µV/°C.
• La razón de rechazo al ruido CMRR es mejor por 5dB.
• Cambia el encapsulado de 8 terminales DIP por otro de 10 MSOP, utilizando menor tamaño.
• El AD8553 soporta operación tipo rail to rail.
• Mientras que el INA114 requiere una tensión mínima de ±2.25V, el AD8553 necesita una fuente monopolar de 1.8V (1)
• El AD8553 puede ser apagado (1)

(1) Este es un factor muy importante para el uso con batería.

Otro factor muy importante es el consumo del componente, medible en los terminales de alimentación. La figura 2 permite comparar las corrientes de consumo para los componentes mencionados en este blog.

Figure 2: Corrientes de consumo para el INA114 y el AD8553.

 

Puede notarse que, mientras el INA114 requiere un máximo de ±3mA, el AD8553 apenas requiere la mitad, 1.5mA. Esta característica particular genera una mejora sustancial en el consumo de energía, valorada en circuitos que son alimentados a batería.

Circuitos adaptadores con terminal habilitador.

En algunas ocasiones, no es posible encontrar componentes electrónicos que puedan deshabilitarse y ocasionar un consumo  en el orden de los microamperios; por ello, será conveniente considerar otros que típicamente son la fuente de poder para toda una etapa del circuito, tal como se muestra en la figura 3. 

Figure 3: Esquema general de un circuito de aplicación con regulador de tensión habilitado por un micro controlador

 

Tanto el microcontrolador como el regulador, reciben una tensión de alimentación regulada no controlada. Es de notar que:

• El microcontrolador puede configurarse para hibernar y consumir poca energía.
• El circuito regulador, conceptualmente deberá consumir muy poca energía para su funcionamiento, esté o no encendido el circuito de aplicación.
• El circuito que recibe la tensión del regulador, conocido como Aplicación, puede ser apagado en su totalidad.

El regulador LT1129 tiene la función de apagado y tiene tres versiones, dos de ellas proporcionan tensiones fijas a 3.3V y 5V, mientras que la tercera es regulable mediante resistencias externas. En la figura  se muestran sus funciones principales.

Figure 4: Funciones principales y circuito típico del regulador de tensión LT1129

Puede notarse entre sus características más relevantes:

• Una regulación de tensión pequeña, de 400mV.
• Es capaz de entregar una corriente de hasta 700mA.
• La corriente en reposo del componente es de apenas 16µA.
• Posee varias protecciones, no requiere diodos de protección, no es dañado por la tension de batería en inversa y evita la corriente en reversa a la salida.
• Posee la función de apagado.

Como puede observarse, sus características están orientadas al ahorro energético, de forma relevante, el poder energizar o apagar otros componentes. Habrán otros reguladores con características similares que se ajusten a las especificaciones del cliente para requerimientos de mayor corriente de salida o incluso una menor regulación de tensión, pero todos deberán cumplir con la posibilidad de apagar toda una etapa en un circuito.

Conclusiones.

• El creador de soluciones, que ha diseñado circuitos electrónicos por varios años, deberá buscar nuevas versiones de componentes en el estado del arte, ya que los fabricantes han introducido mejoras en sus prestaciones.
• Una prestación de los componentes actuales comparada con versiones anteriores, es la reducción en el consumo de energía, posibilitando su alimentación con baterías.
• Se recomienda el uso de reguladores de tensión con función de apagado, para aquellos circuitos energizados por batería y que operan durante fracciones de tiempo.
  

Referencias.

• https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina114.pdf
• https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8553.pdf
• https://www.analog.com/en/products/lt1129.html
• https://developer.electricimp.com/hardware/power_story
• https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/designing-single-supply-low-power-battery.html

Pregunta de reflexión.

• ¿Qué otras prácticas recomienda para ahorrar energía en aquellos circuitos alimentados por baterías?
  

Qucs-S Simulador libre de circuitos analógicos con modelado opcional en spice

Introducción

 

Para quien diseña circuitos analógicos, es importante conocer el comportamiento de los componentes electrónicos a utilizar previo a su construcción, especialmente si estos componentes y el PCB sobre el cual se implementará, son comprados en el extranjero. Un error en el diseño incrementará notablemente los costos de los prototipos al necesitar fabricarlos varias veces, hasta que el funcionamiento satisfaga las especificaciones dadas por el cliente.

Para asegurarse que un componente cumpla con ciertas especificaciones, se recurre a la técnica de la simulación gracias a su bajo coste y rápida implementación. Por ello, algunos fabricantes generalmente brindan a sus potenciales clientes, el modelo Spice de los componentes, permitiendo así realizar las simulaciones necesarias con ayuda de “motores de cálculo” como ngspice.

Dentro del contexto de circuitos electrónicos, existen varios simuladores en el mercado que facilitan la obtención de parámetros eléctricos para modelos AC, DC y transiente. Hay muchos simuladores, como Multisim, Proteus, Eagle, Qucs y otros más.

De una amplia oferta de programas que sirven para simular circuitos, se prefieren aquellos que tengan un mínimo precio en pago de licencia y una máxima flexibilidad para modelar componentes nuevos sobre la base de Spice. Un caso particular que ofrece simulaciones gratuitas mediante una aplicación en línea es MultiSim Live, la cual puede observarse en la figura 1.

 

Figure 1: MultiSim Live en línea, modelando el funcionamiento de un amplificador no inversor

Este simulador es libre; sin embargo, ofrece poca flexibilidad para modelar circuitos, ya que todos los componentes disponibles no pueden cambiarse o agregar compomentes nuevos.

 

Qucs-S

 Qucs-S es una buena alternativa para simular circuitos, gracias a su uso libre y disponibilidad para incorporar el modelo Spice de componentes que no están incluídos en sus librerías. Además, se toma en cuenta que este simulador permite construir un símbolo que identifica al componente en un diagrama esquemático y facilita al usuario, tener una perspectiva del circuito a simular. Así, los símbolos que integran el circuito, los modelos de circuito en formato Spice y el IDE, permiten al usuario la simulación previa a la implementación del prototipo.

Para el caso particular de Qucs-S, debe notarse que también existe Qucs. La diferencia sustancial es que el primero admite la simulación por Spice y otros motores de simulación, mientras que el segundo utiliza por defecto Qucsator. Algunos menús de estas aplicaciones son mostradas en la figura 2.

 

Figure 2: Menús característicos de los simuladores. a) Qucs, el submenú Show last netlist es la última opción. b) Qucs-S posee una opción para seleccionar el simulador por defecto. c) Menú de Qucs-S para configurar el simulador por defecto.

 En nuestro caso se recomienda instalar Qucs-S, porque además de la posibilidad de incorporar el modelo Spice, utiliza un programa adicional para acelerar los procesos de cálculo en paralelo conocido como Xyce.exe. En la figura 2c puede observarse la selección de ruta para localizar este programa.

El proceso de instalación de Qucs-S para varios sistemas operativos se describe aquí: https://ra3xdh.github.io/#inst

Creación de símbolo e incorporación de modelo Spice

 Para probar la capacidad de simulación de Qucs-S, se buscó información técnica de un ampilficador operacional del tipo Rail to Rail en los componentes fabricados por Analog Devices, encontrándose que el AD8027 cumplía este especial requisito según se muestra en la figura 3.

Figure 3: Captura de pantalla sobre información del componente AD8027 fabricado por Analog Devices.

 El modelo Spice del AD8027 puede descargarse desde en enlace que contiene “SPICE Models” . Este circuito suele tener extensión “mod”, pero su contenido puede copiarse y pegarse en un archivo de tipo “lib”.

El contenido típico de un archivo “lib” se muestra en la figura 4.

Figure 4: Contenido ilustrativo de un archivo extensión lib.

Estos archivos suelen iniciar con la directiva .SUBCKT y finalizar con .END. Su contenido es el modelo Spice de un componente electrónico.

Además del archivo anterior, es necesario definir el símbolo del componente en el diagrama esquemático, el cual está contenido en un archivo de extensión “sym” cuyo contenido típico se muestra en la figura 5.

 

Figure 5: Contenido típico de un archivo extensión sym.

Este archivo tiene figuras geométricas que “dibujan” el símbolo del componente, que en este caso están representadas por 11 líneas, tiene 5 puertos de conexión, identificados como PortSym y finalmente un identificador ID cuya etiqueta es OP.

Si bien es cierto, el modelo Spice del circuito lo proporciona el fabricante y se descarga de su sitio web, el archivo Sym debe “dibujarse” y desarrollar un procedimiento que se describe aquí.

Una vez se tienen los archivos “lib” y “sym” deben almacenarse en la librería de Qucs-S tal como se muestra en la figura 6.

 

Figure 6: Ubicación de archivos que contienen modelo Spice. a) Ruta en disco duro. b) Carpeta con nombre de componente personalizado. c) Archivo tipo lib

Debe notarse que, dentro de la ruta de la librería de Qucs-S (ver figura 6a), debe existir una carpeta con el nombre del componente (ver figura 6b) que a su vez debe contener el archivo ad8027.sym; además, un segundo archivo ad8027.lib (ver figura 6c).

Simulación para un Amplificador Operacional Rail to Rail

Una vez ha sido creado el modelo, puede procederse a la simulación de un amplificador no inversor utilizando un operacional del tipo rail to rail como el mostrado en la figura 7. Este tipo de amplificador permite obtener en su salida valores de saturación muy cercanos a la tensión utilizada por la fuente de alimentación, a diferencia de los que no son Rail to Rail que logran valores de hasta 85% de la tensión de fuente.

Figure 7: Amplificador no inversor utilizando amplificador operacional de tipo Rail to Rail.

El resultado de la simulación se muestra en la figura 8.

Figure 8: Curvas de tensión para entrada y salida del amplificador no inversor mostrado en la figura anterior.

Conclusiones

Disponer de un simulador con licencia de uso libre, con capacidad de incorporar el modelo Spice para la simulación de circuitos, provee de una gran ventaja para quienes diseñan circuitos electrónicos analógicos, ya que permite incorporar circuitos integrados específicos a diseños nuevos y reducir los costos en la generación de prototipos electrónicos.

Qucs utiliza como motor de simulación por defecto Qucsator, que posee librerías predefinidas para simular componentes. Qucs-S brinda la opción de utilizar Ngspice con la aceleración de Xyce, lo cual permite incorporar modelos Spice directamente de la página wed de los fabricantes y encontrar la simulación más rápidamente.

Sitios de interés

• ngspice http://ngspice.sourceforge.net/

• Qucs http://qucs.sourceforge.net/download.html

• Qucs-S https://ra3xdh.github.io/

• AD8027 https://www.analog.com/en/products/ad8027.html#product-overview 

   

  Consultas

• ¿Cuáles otros simuladores recomienda, que sean con licencia de uso libre?

• ¿Puede recomendar Qucs-S para uso profesional o en la universidad?

• ¿En cuáles casos preferiría pagar el uso de una licencia comercial para simuladores de circuitos electrónicos?
  

Aplicación industriales para amplificadores operacionales de tipo Rail to Rail

 

Introducción

Actualmente el procesamiento de señales se realiza de forma digital, dada la facilidad con la que puede programarse un microcontrolador para tal fin, utilizando una fracción de espacio de lo que utilizaría un circuito analógico convencional que utiliza resistencias, capacitores, amplificadores operacionales y otros componentes.

Suele suceder, que aunque se realice un procesamiento que amplifique o atenúe una señal eléctrica, las tensiones de salida de un microcontrolador pueda que no tenga la magnitud suficiente de acuerdo a los requerimientos de diseño. En algunos casos la salida del microcontrolador tendrá máximos de +5V o +3.3V y, cuando éstos son acoplados a sistemas industriales que típicamente operan con +24V, es necesario entonces que este acoplador cumpla con la relación Vi=[0, 3.3], Vo=[0,24].

Se tiene el caso en que las fuentes de alimentación disponibles tienen +24 voltios en su salida y la tensión de salida requerida en los operacionales también es de +24 voltios por lo que componentes tradicionales como el LM741 se saturan cuando se requiere una tensión de salida muy cercana a la fuente de alimentación, obteniéndose finalmente un máximo del 85% del valor de la fuente; es decir 20.4V aproximadamente.

 

OpAmps saturado en su salida

El circuito siguiente muestra el caso del LM741, que satura la tensión en su salida, obteniendo un máximo del 90% de la tensión de alimentación :

 

Figura 1. LM741 un amplificador operacional que satura su salida. a) Diagrama esquemático. b) Tensión de entrada y tensión de salida para un amplificador no inversor. c) Parámetro eléctrico Output Voltage Swing para el LM741.

Tal como puede verse en el circuito de la figura anterior, se dispone de un amplificador no inversor en la figura 1a cuyo componente principal es el LM741 cuya alimentación es de ±12V, un dispositivo presente en el mercado por varias décadas. En la figura 1b, se muestra que la tensión de salida tiene como valores máximo ±10.8V en lugar de las tensiones límite proporcionadas por la fuente de alimentación. En la figura 1c el fabricante especifica las tensiones máxima que pueden obtenerse a la salida del Amplificador Operacional, las cuales tienen una diferencia entre ±1V y ±5V.

OpAmp del tipo Rail to Rail 

Para lograr tensiones de salida cercanas a la fuente de alimentación, deben utilizarse Amplificadores Operacionales del tipo “Rail to Rail” ya que permiten obtener tensiones muy cercanas a la fuente de alimentación en sus salidas. Cabe mencionar que esta condición también se cumple en sus entradas, evitando la saturación y facilitando su operación linean en un mayor rango de tensiones.

En la figura 2 se muestra el Amplificador Operacional AD8027, fabricado por Analog Devices. Mientras que el diagrama esquemático muestra un amplificador no inversor con el operacional alimentado por ±12V, las curvas en la figura 2b demuestran que la tensión de salida no se satura y logra obtener las tensiones entregadas por la fuente de alimentación.

 

Figura 2. AD8027 un amplificador operacional del tipo Rail to Rail en su salida. a) Diagrama esquemático de amplificador no inversor. b) Tensión de entrada y tensión de salida. c) Parámetro eléctrico Output Voltage Swing para el AD8027.

A diferencia del Amplificador Operacional anterior, se puede observar en la figura 2c que las tensiones de salida máximas, poseen diferencias muy pequeñas respecto de la fuente de alimentación, presentando máximos de 0.1V.

 

Recomendación

Por tanto, se recomienda para aquellas aplicaciones donde el valor de la tensión de la fuente disponible y la máxima tensión provista por Amplificadores Operacionales, utilizar del tipo Rail to Rail en su salida y evitar saturaciones que reduzcan drásticamente la linealidad de un circuito amplificador. En la figura 3 se observa, como parte de la descripción, la característica “Rail to Rail” del AD8027, tanto en su entrada como en su salida.

 

Figura 3. Presentación del componente AD8027 en la página de www.alldatasheet.com

 Considerando la disponibilidad de los Amplificadores Operacionales del tipo Rail to Rail, 

• ¿En cuáles aplicaciones industriales ha visto la necesidad de utilizarlos?
• ¿Con cuánta frecuencia los utiliza?
  
• ¿Ha sido difícil de obtenerlos en el mercado local de componentes electrónicos?