Autonomía de batería por perfil de trabajo

Por qué las calculadoras de autonomía dan mal

Todas hacen lo mismo: capacidad dividida por consumo. Eso describe una linterna. Un proyecto a batería no consume una corriente constante: despierta, mide, transmite y se duerme, y entre el sueño y la transmisión hay cuatro órdenes de magnitud de diferencia. Un ESP32 que reporta cada 15 minutos pasa el 99,3% del tiempo a 10 µA y el 0,7% restante a 160 mA.

Y hay dos consumos que ninguna calculadora incluye y que casi siempre son el resultado:

• El regulador de tu placa. Un AMS1117, el que trae prácticamente toda placa DevKit, consume 5 mA para sí mismo, duerma el micro o no. En el perfil de arriba eso es el 61,84% de la batería: más que el micro, el LED y la autodescarga juntos.
• La autodescarga de la celda. Una 18650 de 3400 mAh que pierde 3% al mes se gasta sola a 141,7 µA. Cuando tu circuito consume menos que eso, seguir optimizando código no cambia absolutamente nada.

Por eso la respuesta de esta herramienta no es la autonomía en días sino dónde se te va la batería. Ese dato es el que cambia lo que hay que hacer.

El mismo proyecto, dos montajes, siete veces de diferencia

Este es el resultado que más le duele a la gente, y es el mismo firmware con la misma celda. Despertar cada 15 minutos, 5 s de radio a 160 mA, 1 s de CPU y el resto durmiendo, sobre una 18650 de 3400 mAh usada al 80%.

7,425 veces más autonomía sin tocar una línea de código. En la columna de la izquierda, el 86% de la energía se va en cosas que no son tu proyecto: el regulador, el LED de encendido y el chip USB serial que ya no usas después de programar la placa.

Lo que consume de verdad cada micro

Los tres números que hay que conocer de cualquier placa son: cuánto consume transmitiendo, cuánto despierta sin radio y cuánto durmiendo. Los de sueño profundo salen del datasheet y son sólidos. Los de la ventana de radio no pueden salir del datasheet, y esa distinción importa: el fabricante publica el peak instantáneo de transmisión, no el promedio de los segundos que tarda tu placa en asociarse a la red, pedir IP y mandar el dato.

El regulador, que es el consumo que nadie cuenta

Un regulador lineal, o LDO, no transforma potencia: la corriente que entra es la misma que sale y la diferencia de tensión se va en calor. Eso tiene dos consecuencias que cambian el cálculo. La primera es que a la corriente del circuito hay que sumarle la de reposo del chip tal cual, sin relación de tensiones de por medio. La segunda es que esa corriente de reposo va desde 1,6 µA hasta 5 mA según cuál compraste, que es un factor de tres mil.

Dos advertencias sobre esta tabla, porque son las que más plata ahorran:

• El AMS1117 además pide carga mínima. Su datasheet especifica 5 mA típicos de carga mínima para regular dentro de tolerancia, así que ni siquiera puedes contar con que baje cuando tu circuito no pide nada. Es un chip diseñado para alimentar una placa enchufada, no para vivir de una celda.
• Del ME6211 circula un dato falso. En medio internet aparece con 25 µA de reposo. Su datasheet, en la tabla del ME6211C33, dice 60 µA. Nosotros usamos 60. Sigue siendo un LDO decente y muy superior al AMS1117, pero no es lo que promete el copy que anda dando vueltas.

Cada cuánto reportar, que es la otra palanca

La otra mitad del problema es el ciclo de trabajo. Mientras más seguido despiertes, menos importa lo bien que duermas: llega un punto donde el deep sleep deja de ser el tema y lo que manda es el tiempo encendido.

Fíjate en las dos puntas. Reportando cada minuto pasas el 18% del tiempo despierto y la batería dura días; reportando cada 6 horas ya no manda el micro sino la celda, que se descarga sola. Entre esos dos extremos está la decisión de diseño de verdad, y no depende de tu código sino de cada cuánto necesitas el dato.

Cómo se duerme de verdad

Poner el micro en deep sleep es la parte fácil y es solo la mitad del trabajo. Lo que hay que apagar es todo lo demás:

1. El LED de encendido. Un LED con su resistencia de 1 kΩ a 3,3 V son cerca de 2 mA que nunca se apagan. Desoldarlo es la optimización con mejor relación entre esfuerzo y resultado de todo el proyecto.
2. El chip USB serial. Un CH340 o un CP2102 sigue alimentado aunque no haya cable conectado. En una NodeMCU eso es otro par de miliamperes.
3. Los sensores. Un DHT22, un BME280 o un módulo de relé consumen aunque el micro duerma. Alimentarlos desde un pin GPIO, si el consumo lo permite, o desde un MOSFET de lado alto, deja el consumo en cero mientras no se usan.
4. El divisor de tensión que mide la batería. Dos resistencias de 100 kΩ a 3,7 V son 18 µA permanentes, más que el sueño del propio chip. Con 1 MΩ bajan a 1,8 µA, y si el ADC lo tolera, mejor aún con un MOSFET que lo corte.
5. El WiFi antes de dormir. Llamar a la función de desconexión y apagar la radio antes de entrar en deep sleep evita que el módulo se despierte solo a mantener la asociación.

Seguridad con litio, que acá sí es en serio

• Nunca cargues litio bajo 0 grados. Se forma litio metálico en el ánodo, el daño es permanente y queda el riesgo de un corto interno.
• Nunca pases de 4,2 V ni bajes de 2,5 V por celda. Bajo 2,0 V la celda no se recarga, se reemplaza.
• Nunca uses una celda desnuda en un proyecto que queda solo. Va con placa de protección o BMS, siempre.
• Nunca cargues sin supervisión ni sobre superficies inflamables.
• Nunca uses una celda hinchada, golpeada o con el envoltorio roto.

Y una advertencia de mercado: en Chile circulan muchas celdas reenvasadas con capacidad inventada. Si vas a dimensionar autonomía con un número, mide la capacidad real con un cargador analizador antes de confiar en el envoltorio, sobre todo si promete más de 3500 mAh en formato 18650, que hoy no existe físicamente.

Un último detalle de diseño: esta calculadora te dice cuánto dura la batería hasta el corte que tú definiste en profundidad de descarga. No la uses para justificar dejar la celda descargándose hasta cero.

Cómo se comprueba en la mesa

Todo lo anterior es un punto de partida. La única verdad es medir, y la forma de hacerlo es esta:

1. El multímetro va en serie entre la batería y la placa, con el cable rojo en el jack de amperes. En paralelo estarías midiendo tensión, no corriente.
2. Empieza en la escala de miliamperes y baja a la de microamperes recién cuando el micro esté durmiendo. Muchos multímetros de banco cambian de escala solos y se pierden el peak.
3. Ojo con la resistencia del propio instrumento. En la escala de µA, el shunt del multímetro puede ser de cientos de ohm, y con un peak de 160 mA la caída de tensión resetea el micro. Por eso el sueño se mide en µA y el peak con otro método.
4. Para la ventana de radio, lo que sirve es un medidor que integre, tipo un USB tester en línea, o un osciloscopio con una resistencia shunt. El promedio de esa ventana es el número que va en la calculadora.
5. Mide tu celda antes de confiar en ella. Un cargador analizador te da la capacidad real en mAh, que es el otro número del que depende todo el cálculo.

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