01 · Punto de partida
Anda acá, falla allá
En tu mesa con fuente de laboratorio todo vale; a batería, con calor y cables largos, aparecen el consumo, el fan-out y los flotantes. Cinco reglas evitan el 90 % de los “a veces”.
- ¿Cuánto consume una puerta a cada frecuencia?
- ¿Cuántas entradas aguanta una salida?
- ¿Cuál es el checklist antes de cerrar?
- ¿Cuánto dura la batería?
02 · Consumo
Quieto no gasta, rápido sí
CMOS en reposo: µA (fugas). Conmutando: cada flanco carga C a V²: con C = 50 pF, Vcc = 5 V y f = 1 MHz son 1,25 mW por puerta. ×20 puertas y 16 MHz: 400 mW que calientan y vacían baterías.
03 · Fan-out
Hasta acá llega
| Destino | Fan-out | Límite real |
|---|---|---|
| Entradas HC | 50+ | Capacitancia (retardo) |
| Entradas LS | 10 | Corriente |
| LED directo | 1 tenue | 4 mA cómodos |
En continua sobra; en MHz la capacitancia total frena los flancos (más C = más lento + más consumo). Relojes a muchos destinos: buffer dedicado.
04 · Checklist
Cinco antes de cerrar
- 1. Vcc en rango
- HC: 2–6 V, sin picos. Medir con carga puesta, no en vacío.
- 2. Desacople 100 nF
- Uno por chip, pegado (Tema 12). A MHz, bulk + cerámico por zona.
- 3. Sin flotantes
- Toda entrada a algo (Temas 3, 8): AND→1, OR→0, enable atado, spare atadas.
- 4. Salidas sin pelea
- Ninguna contra otra ni contra Vcc/GND (salvo open-collector con pull). Tri-estados alternados.
- 5. Temperatura y rango
- Comercial 0–70 °C: gabinete al sol la supera. Derating o grado industrial (−40–85).
05 · Consumo en código
Presupuesto de mW
Potencia dinámica más autonomía con pilas AA.
Python en tu navegador. Subí la frecuencia y mirá derretirse la batería.
def consumo(n_puertas=10, c_pf=50.0, vcc=5.0, f_hz=1e6, reposo_ma=0.5):
p_mw = n_puertas * c_pf * 1e-12 * vcc ** 2 * f_hz * 1000
i_ma = p_mw / vcc + reposo_ma
print(f"{n_puertas} puertas {f_hz/1e6:.0f}MHz {vcc}V: {p_mw:.1f}mW -> {i_ma:.1f}mA")
return i_ma
consumo()
consumo(n_puertas=20, f_hz=16e6)
consumo(n_puertas=20, f_hz=16e6, vcc=3.3)10 a 1 MHz: 12,5 mW (3,0 mA). 20 a 16 MHz: 400 mW (80,5 mA). A 3,3 V: 174 mW. ¿Factor entre 5 y 3,3?
Autonomía
def autonomia(i_ma, mah=2000.0):
h = mah / i_ma
print(f"{i_ma:.1f}mA con {mah:.0f}mAh: {h:.0f}h ({h/24:.1f} dias)")
return h
autonomia(3.0)
autonomia(80.5)06 · Analogía programador
Budget y deploy
- 1mW = budget.
Presupuesto de energía: cada MHz cuesta V². Bajar Vcc rinde al cuadrado.
- 2Fan-out = capacidad.
Conexiones por servidor: en dc sobra, con carga (MHz) se satura.
- 3Checklist = pre-deploy.
Tests, lint y migraciones antes de producción: Vcc, desacople, flotantes.
07 · Exploración
Laboratorio: ¿cuánto dura?
Elegí puertas, frecuencia y Vcc (C = 50 pF, reposo 0,5 mA, pilas 2000 mAh): el laboratorio da potencia y días.
Bateriómetro
10 puertas · 1 MHz · 5V
10 puertas 1 MHz 5V: 12,5 mW, 667 h.
Preguntas para explorar
- Probá 20 puertas a 16 MHz y 5 V. ¿Potencia? ¿Autonomía?
- Pasá a 3,3 V. ¿Factor de ahorro? ¿Por qué al cuadrado?
- Con 1 Hz: ¿quién manda en el consumo? ¿Qué enseña para batería?
Ver respuestas sugeridas
- 400 mW, 80,5 mA, ~25 h (1 día). A MHz las pilas duran suspiros.
- ≈ 2,3× (400→174 mW): P ∝ V² (25/10,9). Bajar Vcc es el mejor negocio.
- El reposo (0,5 mA): en lento manda el Iq. Para batería: sleep + Iq bajo (curso 7).
08 · Comprensión
Confusiones frecuentes
«CMOS no consume»
En reposo casi; a MHz consume de verdad (400 mW el ejemplo). La frecuencia factura.
«Fan-out infinito»
En dc sobra; en ac la C total frena flancos y suma consumo. Relojes con buffer, siempre.
«Desacople opcional»
A Hz perdona, a MHz castiga: picos, glitches y resets. Un cerámico por chip no se debate.
«USB alcanza siempre»
500 mA se acaban con LEDs, relés y MHz: presupuestar corriente como se presupuesta código.
09 · Práctica guiada
Ejercicios de presupuesto
Ejercicio 1: reloj a 8 destinos
Clock 8 MHz a 8 entradas HC (10 pF c/u + 30 pF trazas). ¿C total? ¿I dinámica a 5 V? ¿Buffer?
Ver solución razonada
C = 110 pF; I = 110e-12×25×8e6 = 22 mA solo el reloj. Buffer dedicado sí (y serie 33 Ω por línea si hay ringing).
Ejercicio 2: nodo a pilas
Sensor que mide 1 vez/s (10 ms activo a 5 mA, resto sleep 10 µA). ¿Promedio? ¿Autonomía con 2000 mAh?
Ver solución
(5×0,01 + 0,01×0,99)/1 ≈ 0,06 mA: ~3,8 años teóricos. El sleep manda: diseñar dormido.
Ejercicio 3: auditar placa
Placa que resetea al conmutar cargas: aplicá el checklist de 5. ¿Sospechoso n.º 1?
Ver solución
Desacople + estrella de masas: picos de corriente hunden Vcc local. Bulk cerca de la carga + 100 nF en el chip.
10 · Síntesis
Ideas para recordar
- P = N·C·V²·f; 3,3 V gasta 2,3× menos.
- Fan-out dc sobra; ac lo limita C.
- Checklist: Vcc, desacople, flotantes, peleas, temperatura.
- Lento manda Iq; rápido manda f·V².
- Presupuestar mA como código.
Producto en mente. Ahora a cerrar con proyectos: en el próximo tema, cerradura digital.