Pequeños dispositivos libres de mantenimiento, gracias a un consumo energético ultra bajo

Poder utilizar aparatos portátiles que funcionen siempre sin cargadores ni repuestos de pilas es el sueño en el sector de la medicina, la metrología, la electrónica de entretenimiento, el ocio y el deporte. Esto ya puede hacerse realidad gracias a los sistemas de consumo ultra bajo.

Pasados ocho años y medio, un paciente con marcapasos se ve obligado a someterse de nuevo a un implante porque la batería se ha agotado. Este es el motivo por el cual los investigadores están realizando todos los esfuerzos posibles para diseñar marcapasos que tengan el mínimo consumo energético posible. Asimismo, en el sector de la ingeniería biomédica y en muchas aplicaciones portátiles, como los mandos a distancia, interruptores horarios, dispositivos de medición portátil y productos para deporte y tiempo libre, se buscan componentes con el mínimo consumo posible. Por este motivo, los desarrolladores trabajan cada vez más en sistemas de consumo bajo y ultra bajo.

Aquí, uno de los componentes clave es el microcontrolador, ya que es uno de los dispositivos que más energía consume. Se dedica a recoger datos de medición, dispone de un algoritmo de regulación y controla las señales. Su rendimiento y consumo energético influyen determinantemente en la vida útil de la batería. En modo suspensión y suspensión prolongada, es decir, sin utilización de la CPU, se puede reducir el consumo energético al mínimo. En este modo están activas, por ejemplo, las funciones de conexión y reinicio, la detección de caída de tensión y la de relojes en tiempo real. Las funciones analógicas, como la detección de caída de tensión, son las responsables del consumo energético.

Si una función determinada no puede renunciar a la CPU, entonces hay que intentar que el tiempo de ejecución sea lo más corto posible para ahorrar energía. Lo determinante es la cantidad de órdenes que se consumen por tiempo. Las arquitecturas de 32 bits, como Cortex M3 y M0, destacan no solo por un mayor rendimiento en la ejecución, sino también por una forma de ejecución más eficiente que las CPU comunes de 8, 16 y 32 bits.

El tiempo para despertarse del modo suspensión a funcionamiento activo también influye en el consumo energético, de manera que cuanto más rápidamente se despierte un microcontrolador, más económico será. En el caso de los mandos a distancia y otros dispositivos portátiles, hay que contar también con sus sensores de aceleración que dan lugar al cambio de modo originado por el movimiento.

Además de los microcontroladores, también están los elementos indicadores que son imprescindibles en muchos de los aparatos portátiles y que consumen mucha energía. Por lo tanto, es determinante utilizar indicadores que en funcionamiento dinámico consuman la menor energía posible y que tengan un consumo ultra bajo en mantenimiento de imágenes.

Un sistema de consumo ultra bajo funcionará perfectamente si viene equipado con una fuente energética renovable. La energía solar está ya disponible en muchas aplicaciones portátiles y la técnica fotovoltaica alcanza para hacer funcionar aparatos de medición para deportes y gimnasios. Los aparatos industriales y médicos suelen disponer de muy poca luz solar; no obstante, los sistemas de consumo ultra bajo ya están funcionando parcialmente con energía obtenida de fuentes de luz artificiales. Otras fuentes energéticas son los elementos termoeléctricos, los sensores piezo film o las antenas RF.

Los nuevos materiales también pueden aportar un gran avance al consumo mínimo de energía. Investigadores de la universidad de Berkeley han conseguido colocar cargas positivas y negativas en sustancias ferroeléctricas y mantener la corriente sin necesidad de alimentación externa. Los transistores tradicionales representan la base del microcontrolador y no pueden comprimirse ni reducirse más debido a su desarrollo del calor. Ya están disponibles en el mercado los primeros productos comerciales con materiales ferromagnéticos, por ejemplo, que reducen el consumo energético.