Trabajando con la Energía al Límite

Uno de los problemas habituales al diseñar un proyecto es la administración de energía dentro del futuro circuito, dentro de cada sección que dará forma al desarrollo. Existen dos tipos de problemas elementales y que, podríamos decir, se reiteran con frecuencia por sobre “otros” inconvenientes energéticos. Estas dos “categorías” podrían separarse entre los que no tienen potencia energética sobrante, y deben hacer un aprovechamiento total de cada unidad de potencia, y aquellos otros a quienes les resulta suficiente y sobrada la energía que entregan sus baterías o fuentes de alimentación, pero que tienen el inconveniente (siempre acechante) de la disipación de calor con radiadores térmicos y los inconvenientes de montaje que esto trae aparejado.

Por un lado entonces, encontramos a un grupo que no sabe cómo aprovechar al máximo cada miliWatt y por el otro a los que no saben como hacer para que sus sistemas sean eficientes y no pierdan energía en forma de calor a través de sus radiadores térmicos. Cada grupo tiene graves inconvenientes ante sí y aunque ambos expresen “problemas de alimentación” los dos están con inconvenientes muy diferentes y las formas de resolverlo, también serán muy distintas. Por ejemplo, dentro del grupo que tiene serias restricciones a hacer funcionar sus circuitos con la máxima eficiencia posible, apelan en muchos casos a técnicas ingeniosas de poner a dormir (Sleep o Stand-By) determinadas etapas mientras otras realizan procesos que requieren un tiempo definido y la disponibilidad total de la energía. Dicho en otras palabras, todos sabemos que una descarga continua de una batería puede llevar “X horas”, pero con un funcionamiento alternado y con consumos que se incrementan sólo algunas veces por hora, la misma batería puede durar “4X horas” o hasta “nX horas”, mientras alterna (por ejemplo) entre un sistema de carga por energía solar y el consumo nominal, sólo en momentos específicos.

Muy diferente es el caso de cualquier desarrollo que tenga una alimentación muy distante en nivel para su trabajo y necesite de reguladores o dispositivos capaces de disminuir o incrementar la tensión. Es todo un desafío decidir que sistemas adoptar cuando entra a tallar la parte económica como un limitante presupuestario. Cuando construimos desarrollos para nuestro uso, es muy simple seleccionar un convertidor DC-DC (Step-Down o Step-Up) con un elevado rendimiento, a pesar de sacrificarnos en el costo. Invertir en un buen sistema de administración de energía es, en términos temporales extensos, una sabia decisión, pero cuando se trata de diseñar un producto para fabricación en masa, los costos son el gran fantasma de la batalla. Inclinar la balanza sobre un sistema eficiente y que no levante demasiada temperatura por sobre otro que sea mucho más económico que el anterior, aunque lo notemos que llega a extremos térmicos casi límites, es también una responsabilidad del diseñador. Una partida de producción desperdiciada por una mala selección de componentes, puede acabar con tu empleo en minutos.

Las técnicas de disipación de calor que incluyen conducción, convección, radiación, disipadores de calor, sopladores, tipos de placas (PCB) específicas (donde se utilice hasta el mismo cobre de los planos de tierra para disipar calor), son todo un desafío que requiere mucho conocimiento y una actitud firme, decidida y con convicción de saber lo que se está haciendo. Dicho en otras palabras, “Administrar la energía de alimentación, puede ser un problema que se resuelve con ingenio, software y hardware específico, sin embargo, manejar el calor no es un trabajo sencillo y para cualquiera”. La proliferación de baterías de Litio, permite a los diseñadores obtener mucha energía en pequeños tamaños. Además, este tipo de baterías está cambiando el enfoque clásico de los diseñadores, ya que a pesar de brindar soluciones más efectivas que cualquier otro sistema de batería recargable, presenta el desafío de una carga adecuada, de una descarga atendida más un control y monitoreo térmico permanente. Por lo tanto aquí ya entramos en un nuevo problema de alimentación. Todo el hardware “extra” que necesita nuestro diseño; si es que pensamos alimentarlo con baterías de Litio.

Pero si hablamos de problemas extremos de alimentación, de una necesidad imperiosa de contar con una excelente administración, no podemos dejar de pensar en las sondas espaciales Pioneer o Voyager, que alcanzaron más de 30 años viajando por el espacio, enviando señales o respondiendo a mensajes desde la tierra. Quizás esos son ejemplos sencillos para comprender que la correcta administración de energía en un desarrollo, no sólo es el acto de ahorrar, sino saber aprovechar los momentos y los elementos adecuados que disponemos en el sistema para consumir lo necesario. Y tú, ¿Tienes anécdotas para contarnos sobre casos extremos de administración de energía? ¿Te ha sucedido el problema de tener que “estirar” los tiempos de uso de alguna aplicación, en períodos de insuficiente carga de baterías por falta de sol, durante varios días? ¿Has tenido que desarrollar gabinetes especiales para instalar sendos sopladores que permitan una refrigeración adecuada? ¿Cuál ha sido el mayor de tus problemas? ¿Cuándo has tenido que administrar baja energía o cuando te ha tocado luchar contra el calor por disipación en ese equipo que era más una estufa que un amplificador? Cuéntanos tus experiencias. Todos hemos tenido alguna que merece ser contada y compartida.

Ideas de diseño: Convertidor Boost

En este artículo no vamos a descubrir los convertidores “Boost”, elevadores de tensión o convertidores DC-DC, sino que veremos un ejemplo práctico de cómo implementar un sistema de estas características para utilizarlo en nuestras aplicaciones. Este tipo de convertidor es utilizado en circuitos que involucran microcontroladores (3,3Volts) y deben utilizar, por ejemplo, un LCD (5Volts). En la mayoría de los casos, se utiliza un regulador de 5Volts y otro de 3,3Volts, sin embargo, veremos un método para aprovechar un sistema conmutado más eficiente: el convertidor Boost. Otro caso de aplicación ideal sería cuando trabajamos con baterías AA o AAA; este tipo de circuitos nos resuelven, por ejemplo, la alimentación de 12Volts a un amplificador operacional.

Hace pocos días atrás, me tocó la experiencia de reparar un TV (LCD, TV analógica) que presentaba la falla de no sintonizar ningún canal y, en todos los espacios dedicados a guardar estos canales, aparecía siempre el mismo canal. Este tipo de equipos incorporan selectores de canales tradicionales de TV (del tipo I2C) como los que utilizamos en el Receptor NeoTeo o en el Analizador de Espectro NeoTeo y las tensiones de alimentación necesarias son tres: 5Volts, 12Volts y 33Volts. Una particularidad de este tipo de TV es que su fuente de alimentación genera tensiones de 3,3Volts, 5Volts, 12Volts y 24Volts (ésta última tensión aparece en el caso de los TV que utilizan CFL’s para la retro-iluminación de la pantalla) y mi pregunta fue la lógica: ¿cómo se obtienen los 30/33Volts para el selector de canales? La solución es sencilla, simple y económica, un pequeño transistor, utilizado como convertidor boost, evita un bobinado extra en el transformador de conmutación, más su correspondiente rectificador y filtro.

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Datalogger de temperatura con 18F2550 (II)

Luego de varios días de acumular bytes en la memoria EEPROM 24C64, ha llegado la hora de descargar todos esos valiosos datos al ordenador y comprobar si todo ha funcionado según lo esperado. Para descargar la información almacenada en la memoria del datalogger utilizaremos la conectividad USB que nos ofrece el PIC 18F2550 y una sencilla aplicación realizada en VB6 para facilitarnos la tarea. Hasta ahora todo fue un trabajo silencioso de adquisición de datos, aquí comienza la verdadera acción y la obtención de los beneficios que nos brindará el datalogger.

Al sistema que hemos visto en el artículo anterior le hemos suprimido la alimentación mediante la conexión USB al ordenador y le hemos agregado al montaje una pequeña fuente de alimentación construida especialmente para protoboard. Con una entrada de 12Volts a partir de una pequeña fuente de pared y dos reguladores fijos, obtenemos una construcción muy simple y efectiva. Un 7805 (5Volts) y un AZ1117 (3,3Volts) en una pequeña placa de menos de 5 centímetros por lado resumen una fuente de energía pequeña y fácil de incrustar en cualquier zona del protoboard. En nuestro caso, hemos elegido un rincón libre donde no moleste para trabajar con libertad y, por sobre todas las cosas, para que no afecte a las lecturas de temperatura del STCN75. Como mencionamos antes, dos reguladores, algunos capacitores, un par de LEDs indicadores de tensión de funcionamiento y allí tenemos nuestra fuente de alimentación para protoboard. De este modo, con una sencilla fuente de pared y un módulo muy fácil y rápido de instalar en cualquier punto del protoboard, resolvemos el tedioso trabajo de armarle a cada desarrollo una fuente incorporada dentro del experimento para usarlo de modo autónomo y ambulante.

El programa que hemos preparado consta de muy pocas partes, todas muy importantes. En un sector destacado encontramos un cuadro de texto donde se exhibirán los datos recuperados cual si fuera un listado inmediato que podemos analizar allí mismo sin mayores recursos que la observación del texto mostrado. En el sector derecho encontramos tres botones. El primero (superior) se activa al establecer conexión USB entre el ordenador y el datalogger. Este botón, al activarse, nos permitirá obtener los datos almacenados en la EEPROM que, como dijimos en el párrafo anterior, podemos leer y analizar en la misma aplicación.



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DIY - Cargador de baterías

Aquellos que somos unos apasionados de la electrónica y construimos numerosos proyectos semana a semana, utilizamos una materia prima elemental sin la cual todo lo que hacemos no tendría posibilidad de ser: la energía eléctrica. Cuando no la tenemos nos acordamos de lo necesario que es tener siempre a mano un sistema de iluminación de emergencia. En la anterior entrega pudimos ver cómo se construye un circuito para generar la energía suficiente que sea capaz de encender una luminaria de bajo consumo. Hoy veremos cómo construir el circuito que mantendrá siempre cargada la batería que activará el sistema de emergencia en el momento indicado.

Todos los sistemas de iluminación de emergencia necesitan disponer de una fuente de energía capaz de suministrarles potencia durante el mayor tiempo posible a los circuitos encargados de encender las luminarias incorporadas (en nuestro caso utilizamos una sola) durante los momentos en que el suministro de red deja de estar presente. Para que la batería esté siempre completa en su capacidad de acumular energía necesitamos un circuito que pueda conectar, en forma automática, un cargador y que “observe” de manera continua la tensión en los bornes de la batería. Es decir, cargarla hasta un límite seguro de operación apropiada y mantenerla siempre dentro de límites correctos de tensión. Vale recordar que una batería no puede estar conectada a un cargador de forma continua ya que un exceso de tiempo de carga termina arruinando la batería. Es por esto que nuestro diseño debe estar siempre atento a mantenerla en buenas condiciones para cuando sea necesario su funcionamiento. Artículo completo aquí.

DIY - Lámpara de bajo consumo (LED)

El ahorro de energía en los sistemas eléctricos actuales es casi una obviedad. Las lámparas incandescentes con filamento de tungsteno han pasado a la historia y poco a poco se han ido reemplazando con las populares CFL (Compact Fluorescent Lights) o más conocidas como lámparas de bajo consumo. Tal como viene especificado en su envoltorio, este tipo de luminarias posee una determinada vida útil cuantificada en horas de uso hasta que dejan de encender y las reemplazamos por una nueva. Antes de arrojarla a los residuos, te mostramos cómo podemos armar con partes de ella una lámpara de “extra-bajo consumo” a diodos LED que pueda funcionar con la tensión de la red domiciliaria y que podemos utilizar como iluminación auxiliar para lectura o el trabajo.

Las partes plásticas en una lámpara convencional de 6 “velas” es todo lo que necesitamos de la estructura, mientras que podemos utilizar también el puente rectificador de diodos existente en el PCB y el capacitor electrolítico. Con esos materiales, 6 LEDs de alta eficiencia y 10 milímetros de diámetro, más algunas resistencias cerámicas de 5 a 7 Watts de potencia, podemos reciclar esta vieja lámpara y crear un nuevo diseño adaptado a nuestro gusto. No vamos a inventar nada nuevo ni vamos a revolucionar el mercado eléctrico con esta construcción, pero nos tomaremos un descanso para experimentar con electrónica. Si te interesa la idea, sigue el enlace y comencemos la construcción.

Domótica: Iluminación optimizada

Cuando nos ausentamos de casa siempre es bueno poseer un sistema que se encargue de administrar el encendido de las luminarias. Construir un interruptor crepuscular es bastante sencillo: a partir de fotocélulas y relés, o comprando los módulos que ya vienen preparados para tal fin. Hoy sumaremos una nueva aplicación a nuestra red Domótica vía RS-485 que habíamos presentado en artículos anteriores.

Cuando comenzamos a trabajar con Domótica, realizamos la construcción de un termómetro remoto con el que podíamos monitorear la temperatura de lugares alejados (hasta más de 1000 metros desde nuestro ordenador). Hoy veremos la forma de controlar diversos tipos de iluminación y trataremos de incluir los tipos de luminarias más frecuentes, las formas de encendido y apagado más usuales, y también veremos la posibilidad de permitirle a nuestro sistema trabajar de manera autónoma. Todo un desafío, ¿verdad? Ven y aprende a optimizar tus consumos.