Este año en el Consumer Electronics Show en Las Vegas, el gran tema fue el "Internet de las cosas" - la idea de que todo en el medio ambiente humano, desde los aparatos de cocina a equipos industriales, podría estar equipado con sensores y procesadores que pueden intercambiar datos, ayudando con el mantenimiento y la coordinación de las tareas.

Al darse cuenta de que la visión, sin embargo, requiere transmisores que sean lo suficientemente potentes como para transmitir a dispositivos a decenas de metros de distancia, pero lo suficiente como para durar meses de bajo consumo - o incluso que se puedan abastecer de la energía del calor o de las vibraciones mecánicas.
"Un desafío clave es el diseño de estos circuitos con extremadamente bajo consumo de energía en modo stand-by, ya que la mayoría de estos dispositivos está esperando ocioso, algún evento para desencadenar una comunicación", explica Anantha Chandrakasan, profesor de ingeniería eléctrica en MIT. "Cuando está encendido, usted quiere ser lo más eficiente posible, y cuando está apagado, usted quiere realmente cortar el consumo de energía fuera de estado, la energía que se pierde."
Esta semana, en el Instituto Internacional de Ingeniería Eléctrica y Electrónica en la Conferencias de Solid-State, el grupo de Chandrakasan presentará un nuevo diseño de transmisor que reduce la fuga de estado 100 veces. Al mismo tiempo, proporciona la energía adecuada para la transmisión Bluetooth, o incluso más extensa para el protocolo de comunicación inalámbrica 802.15.4.
"El truco es que la tomamos prestadas técnicas que utilizamos para reducir la fuga de energía en circuitos digitales", explica Chandrakasan. El elemento básico de un circuito digital es un transistor, en el que dos conductores eléctricos están conectados por un material semiconductor, como silicio. En sus estados nativos, los semiconductores no son particularmente buenos conductores. Pero en un transistor, el semiconductor tiene un segundo cable que se asienta en la parte superior del mismo, que se extiende perpendicularmente a los conductores eléctricos. El envío de una carga positiva a través de este cable - conocida como puerta - atrae los electrones hacia ella. La concentración de electrones crea un puente que la corriente puede cruzar entre los conductores.
Pero mientras los semiconductores no son naturalmente muy buenos conductores, tampoco son aislantes perfectos. Aun cuando no se aplica carga a la puerta, alguna corriente aun se pierde a través del transistor. No es mucho, pero en el tiempo, puede haber una gran diferencia en la vida de la batería de un dispositivo que pasa la mayor parte de su tiempo ocioso, sin hacer nada.

En negativo
Chandrakasan - junto con Arun Paidimarri, un estudiante graduado del MIT en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y el primer autor del artículo, y Nathan Ickes, un científico de investigación en el laboratorio de Chandrakasan - reduce la fuga mediante la aplicación de una carga negativa a la puerta cuando el transmisor está inactivo. Esto conduce electrones lejos de los conductores eléctricos, haciendo que el semiconductor sea mucho mejor aislante.
Por supuesto, esta estrategia sólo funciona si la generación de la carga negativa consume menos energía que el circuito, que de lo contrario perdería fuga. En las pruebas realizadas en un chip prototipo fabricado a través del programa de investigación de la Taiwan Semiconductor Manufacturing Çompany, los investigadores del MIT encontraron que su circuito consumió sólo 20 picovatios de potencia para salvar 10.000 picovatios en fuga.
Para generar la carga negativa de manera eficiente, los investigadores del MIT utilizan un circuito conocido como una bomba de carga, que es una pequeña red de condensadores - componentes electrónicos que pueden almacenar carga - e interruptores. Cuando la bomba de carga está expuesta a la tensión que impulsa el chip, la carga se acumula en uno de los condensadores. Lanzando uno de los interruptores, conecta el extremo positivo del condensador al suelo, haciendo que una corriente fluya por el otro extremo. Este proceso se repite una y otra vez. La única alimentación drenada verdadera viene de lanzar el interruptor, lo que sucede alrededor de 15 veces por segundo.

Activado
Para hacer que el transmisor sea más eficiente cuando está activo, los investigadores adoptaron técnicas que han sido durante mucho tiempo una característica del trabajo en grupo de Chandrakasan. Normalmente, la frecuencia a la que un transmisor puede transmitir es una función de su tensión. Pero los investigadores del MIT descomponen el problema de generar una señal electromagnética en pasos discretos, sólo algunos de los cuales requieren voltajes más altos. Para esos pasos, el circuito utiliza condensadores e inductores para aumentar la tensión a nivel local. Eso mantiene la tensión general del circuito baja, al tiempo que permite las transmisiones de alta frecuencia.
Lo que esas eficiencias significan para la vida de la batería depende de la frecuencia en que el transmisor está en funcionamiento. Pero se puede hacer con la radiodifusión sólo cada hora más o menos, el circuito de los investigadores podría reducir el consumo de energía en 100 veces.
Esta investigación fue financiada por Shell y Texas Instruments.

Por Larry Hardesty, MIT News Office

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