Reducerea consumului de putere în aplicaţiile cu alimentare prin linii de semnal

14 FEBRUARIE 2007

Aplicaţiile de control cu alimentare prin linia de semnal trebuie sa folosească orice caracteristică si tehnică de stocare a puterii pentru a fi o eficientă sursă de putere pentru componentele care lucrează la tensiuni joase. Un minim de putere de 50 mW aplicat secţiei de control, poate disipa de la 2 pana la 3 waţi în rezerva de putere. Controlul unei asemenea cantităţi de caldură adaugă un cost suplimentar unităţii. Dar, câteva idei inteligente în materie de proiectare şi cea mai nouă generaţie de microcontrollere care lucrează cu puteri mici, pot reduce semnificativ căldura şi totodată imbunătăţii eficienţa în aplicaţiile cu alimentare prin linia de semnal.

Microcontrollere care lucrează la puteri joase: vechi vs. nou
Alegerea microcontroller-ului potrivit este fundamentală pentru reducerea puterii şi căldurii în produsul finit. Dar şi microcontroller-ele mai vechi, în tehnologie CMOS susţin că lucrează cu puteri mici, însă, singurele care pot reduce semnificativ consumul de curent şi pot asigura un management eficient al puterii sunt cele mai noi microcontrollere, care sunt proiectate special pentru a funcţiona pe baterii. Comparând mai vechea tehnologie CMOS cu cele mai noi microcontrollere se pot observa urmatoarele diferenţe: opţiuni de frecvenţă joasă a ceasului, tensiuni mai mici, Sleep modes şi optimizări ale curenţilor mici, acestea împreună reducând semnificativ consumul de curent.
În mod general vechea versiune folosea un curent de la 1 la 2 mA, pe când un nou microcontroller de 3V cu un ceas de 32 kHz foloseşte mai puţin de 18 µA în timp ce îşi petrece jumătate din timp oprit. Obţinerea unei asemenea reduceri în curent nu este dificil de realizat cu un microcontroller nou, dacă funcţia sa este să pornească un TRIAC la fiecare jumătate de ciclu şi să monitorizeze câteva butoane.

Comutarea TRAC-urilor
TRIAC-urile sunt o alegere des întâlnită pentru comutarea curentului alternativ, datorită naturii de interconectare şi capacităţii de comutare bidirectională. Cu toate acestea,capacitatea de interconectare (latching) a unui TRIAC, are implicatii directe pentru produs. Deoarece TRIAC-ul este interconectat, odată ce conduce mai mult decât curentul minim, se poate opri atacarea în poartă a acestuia, economisind o cantitate considerabilă de curent. În consecinţă, un impuls de 3 mA, cu o laţime de 300 µS pe poarta unui TRIAC cu sensibilitate ridicată este suficient pentru a-l menţine deschis pe durata unei jumătăţi de formă de undă. Cu alte cuvinte, impulsurile de 3mA, mediate pe o jumătate de ciclu de 60Hz echivalează cu un curent continuu mai mic de 100 µA. În concluzie, un tren de impulsuri înguste pe un TRIAC pot econimisi aproape 96% din curentul folosit în mod convenţional pentru controlul TRIAC-ului.

Interfaţa utilizatorului
Diodele LED care lucrează la curenţi mici sunt în mod frecvent folosite în modelele mai vechi ca indicatoare pentru intefaţa utilizatorului. Însă diodele LED pot folosi între 1 şi 5 mA fiecare, un dezavantaj semnificativ pentru un produs ce vrea să economisească microamperi. Microcontroller-ele ce lucrează cu puteri mici, cu drivere LCD incorporate pe chip pot reprezenta o soluţie.
Un driver LCD obişnuit va folosi mai puţin de 30-40 µA, cu un plus de 100-200 µA pentru a genera tensiunile de polarizare, pentru afişaj. Când este comparat cu cel care necesită 1-5 mA pentru un singur LED, avantajele LCD-ului sunt evidente. Nu numai că necesită un curent mai mic, dar totodată oferă proiectantului un display mai flexibil şi mai uşor de folosit.

Dar, desigur, una din principalele defecte ale display-ului LCD este vizibilitatea scazută la o intensitate luminoasă mică. Soluţia evidentă ar fi să se adauge o sursă de lumină care să mărească contrastul display-ului. Însă, dacă este adăugată o diodă LED, produsul ar consuma mult curent. O alternativă ar fi sa fie folosit un fundat electroluminiscent (EL) cu un display LCD, care să evite apariţia unor astfel de probleme, deoarece panourile EL pot fi alimentate direct de la sursa de 110 VAC cu doar un mic rezistor de limitare a curentului. Deci, un fundal EL nu ar avea un impact asupra consumului scăzut de curent la tensiune mică.
Puterea poate fi redusă şi de la butoanele interfeţei utilizatorului. În mod normal această interfaţă constă în unul sau mai multe butoane având rezistoare individuale cu ajutorul cărora se acţionează nivelele logice ale unui microcontroller. Chiar dacă folosirea acestui tip de rezistoare pare să nu fie o îmbunatăţire, funcţia de pullup a noilor microcontrollere, poate ajuta la reducerea consumului de putere. Această funcţie de pullup conferă o sursă comparabilă de curent, excluzând costul pentru rezistoarele externe. Funcţia poate fi activată şi dezactivată cu ajutorul soft-ului utilizat, lucru care poate fi folosit pentru a limita consumul de curent, permiţând alimentarea numai în momentele în care microcontroller-ul citeşte inicaţiile butoanelor.

Economii globale
Combinând modalitaţile de economisire a puterii, şi anume: în microcontroller, la interfaţa utilizatorului şi la nivelul stadiilor de comutare a TRIAC-urilor, acest produs poate fi comparat cu un circuit obişnuit.
Modelul iniţial, folosind un microcontroller în tehnologie CMOS, un TRIAC, 2 butoane şi 6 diode LED, ar avea nevoie de aproximativ 10 mA: 3 mA pentru TRIAC, 5 mA pentru fiecare LED (presupunând că este nevoie doar de unul) şi 2 mA pentru microcontroller. Pentru a crea acest curent la 5 V, peste 2.4 W ar trebui sa fie disipaţi în sursa de putere:
2.4 W = (110 VAC – 5 VDC) * (10 mA + 10 mA + 3 mA)
Curentul pe durata jumătăţii pozitive a ciclului este de 10 mA, cu un plus de 10 mA pentru a încărca condensatorul ce asigură curent pe durata jumătăţii negative a ciclului. Încă 3 mA sunt folosiţi pentru a polariza dioda zener.
Folosind tehnicile de reducere a curentului prezentate mai sus, consumul de curent pentru un model echivalent folosind un microcontroller ce lucrează la puteri mici ar fi de mai puţin de 400 µA: o medie de 100 µA pentru TRIAC, 240 µA pentru LCD si 18 µA pentru microcontroller. Pentru a crea acest curent, sursa de putere ar disipa doar 140 mW, realizându-se astfel o reducere de 2.25 W putere, comparând acest model cu cel iniţial folosind un microcontroller în tehnologie CMOS.
140 mW = (110 VAC – 3 VDC) * (400 µA + 400 µA + 500 µA)
Această valoare a puterii disipate de către sursă înseamnă că rezistoarele de 0.25 W pot fi înlocuite cu rezistoare de 3 sau 4 W în sursa de alimentare convenţională. Poate fi folosită, de asemenea, o dioda zener de putere mică, cu un curent de polarizare de numai 500 µA. În cele din urmă, capacitatea poate fi redusă până la a şaptea parte din cea folosită în modelul iniţial. Rezultatul final este micşorarea costului, plus un model cu un display mai avansat pentru o mai uşoară folosire, şi caracteristici îmbunătăţite care să satisfacă cerinţele clienţilor.

Managementul puterii economisite
Toate caracteristicile ce oferă un consum redus, menţionate în acest articol se regăsesc în familia de microcontrollere PIC pe 8 biţi, cu memorie FLASH, produse de compania Microchip Technology’s. Funcţionează la curenţi mici, cu funcţii de control al frecvenţei de tact, de sleep, cu opţuni pentru funcţia de pullup şi driver LCD incorporat. Alte opţiuni periferice includ memorii EEPROM, funcţii de captură/comparare/PWM timer, module ADC pe 10 biţi, comparatoare şi diverse periferice hardware de comunicare serială. Această combinaţie între tehnici de consum redus şi o multitudine de funcţii periferice oferă utilizatorului versatilitatea necesară pentru creşterea performanţelor, reducerea consumului şi a costului prin eliminarea componentelor externe.

Rezumat
Cea mai recentă versiune a microcontroller-elor cu consum redus poate fi folosită pentru a reduce simţitor necesităţile de curent în aplicaţiile de tip offline. Reducerile de consum pot apărea datorită microcontroller-ului, interfeţei utilizatorului şi la comutarea TRIAC-urilor prin utilizarea unui microcontroller care combină optimizarea de putere mică, creşteri slabe ale tensiunii şi driver LCD incorporat. Se poate reduce consumul de la o valoare tipică de 2.4 waţi pentru un model convenţional, la doar 140mW.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre