La difícil tarea de emular una batería en un dispositivo de IoT

Levante la mano si alguna vez ha tenido problemas para emular una batería en un dispositivo de internet de las cosas (IoT). Lo entendemos: desarrollar una configuración que sea tan realista como la del producto terminado con la batería cerca de los componentes electrónicos es todo un desafío. Hoy queremos compartir algunos consejos valiosos sobre cómo lograrlo.

A continuación, presentamos un resumen breve para aquellos de ustedes que tienen prisa:

• Mientras más larga sea la distancia, mayor será la resistencia: recuerde que en el producto la batería está muy cerca de los componentes electrónicos, mientras que es más probable que su configuración de prueba tenga cables más largos que impidan esta conexión cercana.
• Tenga cuidado con la resistencia alta: puede resultar fatal, por ejemplo, cuando un incremento repentino de corriente produce una caída de voltaje en los cables y hace que el sistema se reinicie.
• Truco de resistencia n.º 1: minimice la resistencia eligiendo cables cortos y sólidos.
• Truco de resistencia n.º 2: proporcione un depósito de fuente de energía al conectar uno o varios condensadores directamente a la entrada de voltaje del dispositivo.
• Recuerde elegir cuidadosamente el condensador adecuado (la resistencia equivalente en serie [ESR] + el tamaño de condensador óptimos).
• Verifique sus datos: el truco de resistencia n.º 2 afectará sus mediciones.

¿Se siente con energía y listo para leer todo sobre esto? ¡Excelente! Pongámonos en marcha.

Mientras más larga sea la distancia, mayor será la resistencia

En los productos reales, la batería está conectada casi siempre cerca de los componentes electrónicos. Esta configuración no es una coincidencia: un cableado corto conlleva una resistencia menor en el trayecto de la corriente entre la batería y la carga. Suena bien, ¿correcto?

Cuando simulamos una batería, generalmente terminamos utilizando cables más largos que generan resistencia no deseada. ¿Es esto un problema? ¡De hecho, sí! El incremento brusco de corriente produce una caída de voltaje debido a la resistencia en los cables. Si la caída es muy grande, es posible que los componentes electrónicos no funcionen adecuadamente.

¿Qué ocasiona un incremento brusco de corriente?

Cuando se desconecta un dispositivo de un suministro de voltaje por un rato, nos enfrentamos al peor escenario posible. La situación resulta fatal porque los condensadores de la placa están vacíos y requieren llenarse de energía de nuevo.

Durante los primeros nanosegundos de un incremento repentino de corriente, todos los condensadores de desacoplamiento actúan como cortocircuitos antes de cargarse. Sí, esto se aplica a todos los condensadores distribuidos en la placa de circuito impreso (PCB), desde los de 100 nF hasta los más grandes. Los condensadores ocasionan una gran corriente de irrupción que produce una caída momentánea de voltaje en todos los componentes resistivos involucrados, como cables, conectores y trazas de la PCB.

Recuerde verificar las resistencias en el trayecto de la corriente

Entonces, ¿cómo puede verificar las resistencias? Algunos dispositivos utilizan un indicador de combustible en el que la corriente se mide en una resistencia en serie con la batería. Las baterías de polímero de litio y de ion de litio siempre deben tener un circuito de protección de batería. Si su configuración incluye este circuito, también presenta una resistencia en el trayecto de la corriente.Además, no olvide el trayecto de retorno de la corriente. Toda la resistencia en el trayecto cuenta, lo que incluye los planos de tierra.

Dos trucos fáciles de resistencia

Para evitar los desafíos que se presentaron anteriormente, recomendamos que tome las siguientes medidas de seguridad al emular una batería en un dispositivo de IoT:

1. Elija cables cortos y sólidos para minimizar la resistencia en los cables conectados desde el emulador de la batería hasta el dispositivo (ver figura 1). Eche un vistazo a este útil Cuadro de medidas de calibre de cables.
2. Proporcione un depósito de fuente de energía conectando uno o varios condensadores directamente a la entrada de potencia del dispositivo.

Figura 1: Truco de resistencia n.º 1: minimice la resistencia eligiendo cables cortos y sólidos. (Fuente de la imagen: Qoitech)

Conectar los condensadores crea un depósito de carga que suministra los requisitos de carga instantánea de los circuitos de manera local. En otras palabras, la carga no tiene que viajar a través de la resistencia de los cables de alimentación.

Veamos un ejemplo: Un celular puede consumir fácilmente 4 A en un impulso corto durante el encendido. En este caso, es importante crear un depósito grande de energía de baja resistencia cerca del conector de la batería (ver figura 2).

Figura 2: Recuerde crear un depósito grande de energía de baja resistencia cerca del conector de la batería. (Fuente de la imagen: Qoitech)

Cómo seleccionar los condensadores adecuados

Antes de comenzar, queremos decir algunas palabras sobre la selección de los condensadores adecuados para su dispositivo. Asegúrese de preguntarse lo siguiente:

1. ¿Cuál es la ESR óptima?
   La ESR adecuada del condensador, junto con el número de microfaradios, es crucial. Para aplicaciones con estallidos de corriente altos y cortos, necesitará una ESR baja. Si necesita disminuir la ESR, puede usar varios condensadores conectados en paralelo. Eche un vistazo a esta tabla con los valores comunes para la ESR de los condensadores.
2. ¿Cuál es el tamaño óptimo del condensador?
   Para ser honestos, el tamaño es a menudo una tarea de ensayo y error. Seleccione un condensador que sea lo suficientemente grande para asegurarse de que su dispositivo encienda correctamente. Pero que no sea muy grande, ya que el condensador actuará como un filtro de paso bajo que cambia el tiempo de subida de los impulsos de corriente e impacta en sus mediciones (siga leyendo para saber más). Además, asegúrese de escoger un condensador con fuga mínima. El tamaño del depósito depende del suministro de energía que se necesita (corriente y tiempo pico) y la caída de voltaje aceptable sin que el sistema se reinicie.

Algunas palabras sobre las mediciones

Un condensador ubicado inmediatamente en la entrada de voltaje del dispositivo afectará sus mediciones. Esto se debe a que el condensador necesita llenarse de energía y este proceso se demora un poco. Al usar el truco de resistencia n.º 2, los tiempos de subida y de caída de los impulsos de corriente serán más lentos. Los resultados son similares a cuando un filtro de paso bajo se dispone en serie entre el equipo de medición de la batería y su dispositivo. Sin embargo, no se preocupe. Si usa los condensadores adecuados, el único error de medición será la fuga pequeña de corriente del condensador.

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