Electrónica4 min de lectura
Cómo conseguir años de batería en un dispositivo IoT
Un sensor que transmite cada diez minutos puede durar diez años con una pila o agotarla en unos meses. La diferencia rara vez está en la batería: está en cuánto consume mientras no hace nada. Estas son las técnicas que más pesan.
La cuenta que manda: la corriente media
La duración de la batería se calcula con la corriente media: la suma de cada corriente por el tiempo que dura, dividida entre el periodo completo. Un ejemplo: un sensor duerme a 2 µA, se despierta cada 10 minutos y mide y transmite durante 50 ms a 20 mA. La transmisión aporta de media unos 1,7 µA y el reposo, 2 µA. Es decir, el equipo gasta más durmiendo que trabajando.
Con 3,7 µA de media, una pila de 2.400 mAh daría para décadas; en la práctica, lo que la limita es su propia autodescarga y la temperatura. Pero si por un descuido el reposo sube a 200 µA, la misma pila dura poco más de un año.
1. Dormir de verdad: el reposo profundo
Los microcontroladores actuales tienen varios modos de bajo consumo. En el más profundo apagan el núcleo, la mayoría de los periféricos y buena parte de la memoria, y se quedan en uno o unos pocos microamperios, con solo un reloj de tiempo real (RTC) de 32,768 kHz en marcha. La regla es sencilla: el micro debe estar en ese modo todo el tiempo que no esté haciendo algo útil.
Conviene además trabajar deprisa y volver a dormir: muchas veces se gasta menos energía ejecutando la tarea a la máxima velocidad de reloj y durmiéndose antes que alargándola a baja frecuencia.
2. Despertar por interrupción, no preguntar
Un equipo que se despierta cada segundo para comprobar si ha pasado algo malgasta energía. Es mucho mejor que lo despierte el propio evento: un temporizador del RTC para las medidas periódicas, un pin que cambia cuando se abre una puerta o un acelerómetro con detección de movimiento que solo genera una interrupción cuando se supera un umbral. Muchos sensores modernos miden y comparan por su cuenta y avisan al micro solo cuando hay algo que contar.
3. Alimentar a la tensión de trabajo
La potencia dinámica de un circuito digital crece con el cuadrado de la tensión, así que un micro alimentado a 1,8 V gasta bastante menos que a 3,3 V con la misma frecuencia de reloj. Si la electrónica lo admite, conviene trabajar a la tensión más baja posible y elegir una batería cuya tensión esté cerca de ella.
La conversión también cuenta. Un regulador lineal (LDO) desperdicia la diferencia de tensión: bajar de 3,6 V a 1,8 V con un LDO tira la mitad de la energía. Para caídas pequeñas, un LDO de muy bajo consumo es perfecto; para caídas grandes, mejor un convertidor DC-DC conmutado con buena eficiencia a baja carga. En ambos casos, el dato clave no es la eficiencia a plena carga, sino la corriente de reposo del propio regulador, que hoy puede quedarse en cientos o incluso decenas de nanoamperios. Y si el rango de tensión de los componentes lo permite, lo más eficiente puede ser no poner regulador.
4. Apagar lo que no se usa
- Cortar la alimentación de sensores y periféricos con un interruptor de carga mientras el micro duerme.
- Revisar resistencias de pull-up y divisores: una pull-up de 10 kΩ a 3,3 V que se queda a nivel bajo consume 330 µA, más de cien veces lo que gasta el micro dormido.
- Medir la tensión de la batería con un divisor que solo se conecta durante la medida.
- Configurar los pines que no se usan para que no queden flotando y consuman.
- Nada de LED de estado encendidos: como mucho, un destello breve de vez en cuando.
5. La radio, la gran consumidora
Transmitir es lo más caro, así que hay que transmitir menos y mejor: enviar solo cuando el dato cambia o supera un umbral, agrupar varias medidas en un mensaje, usar la potencia de emisión justa y el protocolo adecuado, como LoRa o Bluetooth de baja energía para mensajes pequeños. Escuchar también gasta: un receptor encendido a la espera puede consumir casi tanto como transmitiendo.
6. La batería adecuada, y medir
Las pilas de litio y cloruro de tionilo tienen muy poca autodescarga y pueden durar más de una década, pero no toleran bien los picos de corriente; un condensador o un supercondensador en paralelo puede entregar los picos de la transmisión. Y la temperatura importa: el frío reduce la capacidad disponible y el calor acelera la autodescarga.
Por último, medir. Un medidor de consumo capaz de registrar desde nanoamperios hasta cientos de miliamperios descubre en minutos el periférico que se quedó encendido o el fallo de firmware que impide dormir. Sin medir, la duración de la batería es solo una estimación.