Café, nanoPower y bloques funcionales para la nueva energía inteligente

En 2011, abundaban los comentarios sobre la energía inteligente. En Norteamérica, las empresas de servicios públicos perseveraban en la instalación de medidores inteligentes. En Brasil, hubo entusiasmo en torno a que la ANEEL, la agencia reguladora, requiriera una construcción completa de medidores inteligentes en todo el país. En Europa, varias empresas de servicios públicos estaban desarrollando métodos únicos de comunicación desde los medidores inteligentes.

El hecho de que varias empresas promovieran soluciones de red de área doméstica (HAN) contribuyó con el entusiasmo. Las visiones de futuro incluían dispositivos de medición de energía en cada lavadora, secadora, refrigerador, ¡e incluso en los focos! Cada dispositivo se comunicaría convenientemente con el enrutador doméstico a través de ZigBee, Bluetooth u otro protocolo de comunicación de corto alcance y de baja potencia.

Ahora, en 2017, se han instalado medidores inteligentes en la mayor parte de Norteamérica y en muchos países de Europa y Asia. Los servicios públicos están supervisando el uso de energía y han eliminado los costosos lectores de medidores que iban caminando por los vecindarios, leyendo manualmente cada medidor. Sin embargo, la visión de una construcción completa de energía inteligente es diferente. La medición de energía en cada foco no se ha materializado, posiblemente debido al alto costo de tales sistemas en comparación con el costo de energía del funcionamiento de una lámpara. Este descuento en el costo de la energía se ve habilitado por fuentes de luz de bajo consumo de energía, como las lámparas fluorescentes compactas y los LED. Tal vez simplemente hemos maximizado nuestra necesidad de datos en algunos niveles de granularidad. Sin embargo, no hay que desesperarse: a pesar de una visión en la cual la energía inteligente no da frutos, muchos avances maravillosos han permitido una nueva visión.

Un gran ejemplo es el café. Hace diez años, en Norteamérica, la mayoría de las personas y los restaurantes hacían café en un recipiente de vidrio o de cerámica que luego se colocaba en una hornilla. Esa hornilla consumía energía y también cocinaba lentamente el café, lo cual arruinaba el sabor. Entonces, alguien tuvo la gran idea de poner el café en un termo, manteniendo simplemente el calor del café en su interior. Este paso colocó al café "fuera de línea", ya que dejó de estar conectado a la red eléctrica. Además, la preparación del café consume menos energía y da como resultado una bebida con un sabor mucho mejor. ¡Qué gran ejemplo de energía inteligente!

El ejemplo del café conduce a otros conceptos para sistemas de ingeniería que maximizan el rendimiento y ahorran energía. NanoPower es un gran avance. El concepto de nanoPower describe el consumo actual de ciertas partes en su estado de reposo, cuando no están funcionando pero tampoco están completamente apagados. Los productos más nuevos, que se aprovechan de la avanzada tecnología del proceso analógico CMOS, operan con corrientes de nanoamperios que son casi imposibles de medir. Los principales beneficios de ahorro de energía provienen, en primer lugar, del establecimiento de ciclos de servicio para estos sistemas y, en segundo lugar, de la descentralización de la arquitectura de consumo de energía. A continuación se presentan tres ejemplos de dispositivos y circuitos que proporcionan los beneficios de nanoPower.

Los detectores de humo estuvieron entre los primeros dispositivos de la Internet de las cosas (IoT). Deben funcionar durante 10 años con una batería, lo que permite cambios poco frecuentes de la batería y el funcionamiento durante interrupciones de energía. La Figura 1 muestra una alarma de humo moderna normal que consta de una batería, múltiples convertidores CC/CC, un microcontrolador, comunicación por RF, un sensor (que puede ser de una variedad de arquitecturas) y un zumbador piezoeléctrico. La tabla de la Figura 1 da ejemplos de valores de consumo de corriente para cada bloque, basados en componentes modernos. En el caso de los sensores de humo ópticos, las corrientes máximas para que los LED funcionen estarán en el rango de mA, pero la corriente promedio disminuye, ya que los LED tienen ciclos relativamente poco frecuentes. En la mayoría de las alarmas, los circuitos activos pueden tomar muestras del aire solo el 0.05 % del tiempo, lo que significa que el sistema funciona en modo de reposo durante el 99.95 % del tiempo. Descontando el circuito de RF, que puede tener un ciclo de trabajo completamente diferente, los circuitos principales en modo de máxima potencia consumirían 12.6 mA. Durante los períodos de reposo, el circuito principal consumiría 5.5 μA. Por lo tanto, el consumo de corriente por segundo promedio por el circuito activo es de 12.6 mA x 0.0005 = 6.3 μA, lo que da como resultado un consumo de corriente promedio de 11.8 μA. Ahora, cualquier corriente en reposo por encima de un μA comienza a afectar la vida útil de la batería del sistema. En el rango de consumo de corriente de ~10 μA, cada μA adicional de corriente impacta en la vida útil de una batería de 1500 mAh por un solo año.

Figura 1:  Una alarma de humo moderna típica funciona en modo de reposo la mayoría del tiempo, por lo que cuanto más baja sea la corriente en reposo, mejor será para la duración de la batería.

Otro beneficio de nanoPower proviene de la capacidad de desactivar circuitos dentro del sistema. En este tipo de arquitectura, los componentes críticos tales como la supervisión de la batería y los relojes en tiempo real permanecen encendidos, mientras que los principales consumidores de energía tales como el microcontrolador y los circuitos de RF se apagan o entran en el modo de consumo de energía más bajo. El circuito de la Figura 2 muestra un comparador de ventana de nanoPower que supervisa el voltaje de la batería. El comparador solo activará la alarma cuando la batería esté por encima o por debajo de los voltajes permitidos, lo cual proporciona una valiosa función de seguridad y extiende la vida útil de la batería. El microcontrolador del sistema no necesita funcionar a menos que reciba una alarma del comparador, que funciona a una corriente típica de 900 nA. Esencialmente, esto se convierte en una arquitectura de energía inteligente, que conserva tanta energía como sea posible mientras se separa de circuitos específicos para mantener funciones que deben permanecer siempre activadas.

Figura 2: Un comparador de ventana de nanoPower que supervisa el voltaje de la batería.

El último ejemplo es una fuente de energía de un adaptador de pared o batería, típicamente conocida como fuente de diodo de junta tórica. En tales fuentes, los buenos diseñadores ponen un diodo Schottky en serie con la fuente de la batería para limitar la caída de voltaje y, por lo tanto, la pérdida de energía a través del diodo mientras que todavía se protege el circuito (Figura 3). Por ejemplo, el nuevo MAX40200 de Maxim puede disminuir hasta apenas 85 mV al transportar tanta corriente como 1 A, y típicamente disminuye hasta 43 mV cuando se transportan 500 mA. Este rendimiento es de dos a cuatro veces superior al típico diodo Schottky, que nuevamente ahorra decenas a cientos milivatios de energía de batería de una manera inteligente.

Figura 3: El MAX40200 puede disminuir hasta apenas 85 mV al transportar tanta corriente como 1 A.

¿Cómo se relaciona todo esto con el café? Al igual que el café, la arquitectura está cambiando. Varios subsistemas se desconectan esencialmente del procesador central y se registran periódicamente, mientras se reduce drásticamente el consumo de energía en el proceso. El procesamiento avanzado y la arquitectura analógica permiten que estos bloques funcionales consuman cantidades de energía muy bajas. El nuevo movimiento de la energía inteligente es más que la medición de la energía y la comunicación. La nueva energía inteligente es una arquitectura de sistema inteligente combinada con componentes avanzados para mejorar la vida útil y la confiabilidad de la batería mientras se desbloquean nuevas aplicaciones.