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?