Reduciendo el derroche de energía a 1 vatio (II)

Artículo escrito por Alan Meier, Wolfgang Huber y Karen Rosen, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Berkeley (CA)

Fuentes de Energía de Bajo Voltaje

Las fuentes de alimentación de bajo voltaje son el componente más ubicuo que contribuye a las pérdidas de reserva pues deben estar activas en un aparato para realizar las funciones de reserva. Ellas son también, quizás, las que más rápidamente mejoraron. Las fuentes de alimentación de bajo voltaje cambian la tensión de 110 V que se encuentra en las casas americanas típicas, a una tensión de voltaje más bajo requerida por casi todos los aparatos electrónicos. Cuando la alimentación sea suministrada por una fuente convencional de bajo voltaje, es decir, siempre que el aparato esté encendido o usa energía por las funciones del estado de espera, se llega a consumir hasta 3 Vatios. Si el interruptor de on/off está en el lado de bajo voltaje de la fuente de energía, estas pérdidas también ocurren cuando el aparato no está realizando ninguna función en absoluto. Las medidas siguientes pueden tomarse para reducir o eliminar las pérdidas en las fuentes de energía:

Mejore la eficiencia de la conversión para bajos voltajes.
Los dos tipos principales de fuentes de energía usadas hoy son las fuentes lineales y las más eficaces conmutadas. Actualmente, se usan fuentes de energía lineales en muchos aparatos de baja potencia, tales como contestadores telefónicos y cargadores de batería. Cambiando de fuente de energía lineal a conmutada en tales aparatos no sólo se reducirían las pérdidas de reserva, sino que también mejoraría la eficacia cuando el aparato esté en On (Meier & Huber 1997). Para situaciones en las que no puede usarse una fuente de energía conmutada, la eficiencia de las fuentes de energía lineales puede ser mejorada usando más metal, y laminaciones más delgadas y en mayor cantidad en el núcleo del transformador (Rainer, Greenberg & Meier 1996).

Disminuya el consumo de energía en reserva de los otros componentes del aparato.
Debido a que el consumo de energía en reserva de la fuente de bajo voltaje es proporcional a la cantidad de energía que proporciona en cualquier momento dado, disminuyendo la energía que ella proporciona a los otros componentes de reserva disminuyen sus propias pérdidas en reserva.

Agregue una segunda fuente de energía específicamente para el modo de reserva de baja potencia.
Las fuentes de baja potencia gastan proporcionalmente menos que una de alta potencia. El uso de una fuente de energía secundaria ya es práctica común en diseño de sistemas de más de 50 vatios, como computadoras personales, monitores y televisores. Con las más nuevas fuentes conmutadas que consumen sólo 200 o 300 mW, esta opción puede ser ahora también rentable para los aparatos de potencia más baja.

Apague la fuente de energía cuando el aparato está apagado.
Una manera simple de hacer ésto es diseñar el aparato para que el interruptor de corte esté en el lado de alto voltaje del suministro de energía. Otras posibilidades incluyen diseñar un suministro de energía inteligente que pueda darse cuenta cuándo el aparato se ha apagado, u ofreciendo un modo de reserva optativo usando una fuente con una llave de tres posiciones On-listo-Off. Si un aparato necesita simplemente unos miliwatts de potencia en modo de reserva, pueden usarse baterías recargables para proporcionar energía a los componentes que lo necesitan. Como las tecnologías fotovoltaicas y de almacenamiento de energía mejoran, puede ser rentable incluso tener componentes o cargadores de baterías alimentados con pequeñas células fotovoltaicas.

Algunas de las fuentes de energía menos eficientes son las fuentes lineales externas, o «wallpacks». Se estima que mil millones de wallpacks están conectados actualmente en las casas de Estados Unidos, cada una consume aproximadamente 2 vatios en promedio. Reemplazando éstas con fuentes conmutadas, podrían ahorrarse en los EE.UU. más de 1 GW (gigawatt) de potencia. Implementando las otras medidas de eficacia descritas arriba podría ahorrarse varias veces esta cantidad.

Circuitería

Después de la fuente de energía, el próximo destino desde una perspectiva electrónica es la circuitería interior. Dependiendo del aparato, la circuitería contiene uno o más osciladores y algún tipo de circuitería de control casi seguramente, la combinación que permite al aparato realizar funciones pre-programadas por el fabricante o pedidas por el usuario. Circuitería más compleja también puede contener memoria, donde la información, como las preferencias del consumidor, puede guardarse. Existiendo tecnologías de management de energía, los aparatos tienen la capacidad de reducir el consumo de energía en reserva de cualquier circuitería a menos de un microwatt (EPC 1998). (Vea Tabla 1).

Osciladores.
Un oscilador es un objeto, típicamente un cristal que vibra a una frecuencia muy específica cuando pasa electricidad a través de él. Esta vibración suministra un tiempo a la circuitería, sincronizando las operaciones en un dispositivo lógico. Los osciladores de frecuencia más alta consumen más energía y causan que toda la circuitería que funciona en esa frecuencia consuma más energía también. Cuando un aparato está en modo de reserva, se puede retardar el tiempo de activación de los componentes de reserva, sin embargo, eficacias más altas pueden obtenerse cambiando por un oscilador de frecuencia más baja. Los osciladores de baja frecuencia son usados normalmente para conservar energía en aplicaciones de carga de baterías (battery powered).

Circuitos de Control.
Los componentes de muchos aparatos son manejados por algún tipo de circuito de control. La mayoría de los aparatos hogareños tienen circuitos de control muy simples y consisten de un solo chip microcontrolador y su entorno. Una excepción a este caso es la computadora que usa un sistema mucho más complejo de circuitería y chips de circuitos integrados (IC) para controlar el sistema.

El consumo de energía del circuito de control depende de la complejidad del sistema. En general, más y más grandes chips necesitan más energía. Sin embargo, dado que las porciones de circuitería, e incluso las porciones de chips, pueden desconectarse mientras que otras porciones permanecen alimentadas, incluso la circuitería más compleja necesita una cantidad muy pequeña de energía para responder cuando sea necesario.

Memoria.
Hay normalmente varios tipos diferentes de memoria usados en dispositivos electrónicos. El dispositivo de almacenamiento más común es el registro. La mayoría de los aparatos tiene varios registros, por ejemplo, para mantener un reloj o los canales pre-programados de un receptor. Este tipo de memoria está compuesto de apenas unos transistores, cada uno exige sólo microwatts de energía continua para retener la información. Esta cantidad diminuta de energía es proporcionada a menudo por una batería o un supercapacitor para proteger los datos contra el corte de energía.

La memoria no volátil, por definición, no usa energía para retener información. Algunas desventajas asociadas hoy con las tecnologías de memorias no-volátiles son alto costo, baja velocidad, y número limitado de lecturas/escrituras. Se espera mejorar las tecnologías de memorias rápidamente debido a la alta demanda para los componentes de baja potencia que son necesarios para las aplicaciones portátiles. Una tecnología tal es la RAM ferroeléctrica no-volátil (FeRAM) que promete lecturas/escrituras ilimitadas, alta velocidad, y bajo consumo, a los mismos precios que la memoria existente. Se espera el gran volumen de producción de FeRAM para antes del final de 1998 (Matsumoto & Hara 1998).

Cargadores de Baterías.
Algunos cargadores de batería continúan proporcionando energía incluso cuando la batería está totalmente cargada. Esto es particularmente cierto para las baterías alcalinas y de níquel-cadmio pues las consecuencias por la sobrecarga son reducidas. La tecnología existente, tal como la usada por el cargador de batería de ion de litio, es capaz de detener el flujo de energía cuando no se necesita.

Entrada/Salida

El sistema entrada/salida o «E/S» consiste en emisores y receptores que le permiten a un aparato comunicarse con el usuario y con otros dispositivos electrónicos y también monitorear el sistema y su ambiente. Algunos de los dispositivos de E/S más comunes y sus valores de consumo en reserva se muestran en la Tabla 1. Éstos son sólo un fragmento diminuto de los emisores y receptores disponibles en el mercado, pero son los más comúnmente usados en aparatos residenciales.

Emisores.
Un emisor es cualquier dispositivo que envía luz o algún otro tipo de señal. Un display es un tipo específico de emisor, frecuentemente es usado para mostrar tiempo, estado, o simplemente para iluminar botones en un aparato que está en modo de reserva. Los display luminiscentes más comunes son los diodos emisores de luz (LEDs) y los fluorescentes (VFDs). Estos display están en forma de luces redondas u ovaladas que pueden usarse individualmente o pueden agruparse para crear formas y caracteres. Un display no-luminiscente normalmente usado es el display de cristal líquido (LCD) que es típicamente negro y blanco. En algunas aplicaciones, como computadoras portátiles, los LCDs son reforzados con color e iluminación de fondo.

Algunos emisores pueden consumir cantidades no-triviales de energía dependiendo de qué tan brillante debe ser el signo. A menudo, ésto depende de cuán lejos debe viajar el signo hasta su receptor determinado. El consumo de energía en los display también depende de su tamaño y complejidad. Una luz de reserva simple, por ejemplo, que consiste de 1 solo LED, sólo consume alrededor de una vigésima parte de un vatio. Un display de reloj de cuatro dígitos completos, por otro lado, requiere aproximadamente 30 LEDs y aproximadamente 30 veces esa energía. Las más nuevas tecnologías de display logran las mismas metas, con significativamente menos energía.

Receptores.
Los receptores son dispositivos que perciben una señal entrante y retransmiten el mensaje a los componentes que pueden interpretar y/o reaccionar al mensaje. Los receptores están regularmente en ON en todo momento para que los aparatos en modo de reserva puedan responder a condiciones externas o señales. Los receptores más comunes poseen sensores infrarrojos o de radio para la recepción de las señales de control remoto. Algunos otros receptores comunes incluyen sensores de temperatura, detectores de movimiento, y los dispositivos de detección de señal analógico y digital. Como se muestra en la Tabla 1, la mayoría de estos dispositivos consume menos de 0.1 Watt.

Casos de Estudio

Nosotros estudiamos dos casos para ilustrar cómo las mejores tecnologías de ingeniería descriptas arriba pueden usarse para reducir el consumo de energía en reserva. El primer estudio involucra una máquina de video juego con conexión a Internet durante 1998, y el segundo caso investiga el consumo de energía de un abridor de portón de garaje actualmente en el mercado. Estudios de casos similares presentados por Meier & Huber (1997) involucran la utilización de fuentes de alimentación más eficaces para un disco rígido y un cargador de teléfono celular. Los dos casos descritos debajo son más complejos porque, además, ellos examinan el mejoramiento de la eficacia de la circuitería y la E/S.

Ing. Sergio A. Luñansky Traducción y Adaptación
Ing. Raúl D. Triventi Colaboración en la traducción
Mirta N. Luñansky Colaboración en la revisión