Porque el Lumia 530 se calienta durante una comunicacion telefonica prolongada y la bateria se "evapora" (¡No son las brujas!)

Muchos fabricantes de telefonos celulares  en el manual de usuario nos recomiendan (en el del Lumia 530 tambien) encarecidamete que no mantengamos comunicaciones prolongadas ... ¿Por que? bueno es simplemente una cuestión de fisica elemental... y más que lógica... y hasta incluso por razones de salud... (como veremos mas tarde)

Por cierto... aunque yo en alguno de mis post diga que creo en las brujas («meigas») y en los milagros... (en eso si creo) es solamente una manifestacion de mi siempre espiritu festivo ... porque... ¡En electronica no existen los milagros! ...el que yo en tono festivo (repito) diga que algo es cosa de brujas... («meigas»)  es simplemente para expresar que YO no le encuentro explicacion logica al fenomeno de que se trate .... ¡Pero tenerla la tiene ! ...¡Vaya si la tiene!  aunque nosotros los «tesnicos» (observese el sarcástico entrecomillado) no sepamos encontrarla... entonces humoristicamente le echamos la culpa al «duende del taller» y los gallegos (mi madre era gallega) a las «meigas»... pero sabemos perfectamente que es simplemente consecuencia de una anomalia de funcionamiento ...un componente defectuoso ...una mala soldadura...  ¡cualquier cosa puede ocurrir!...

Hace mucho tiempo en España la TV (obviamente en blanco y negro) ... estaba aun en mantillas ...¡ni siquiera estaba  en pañales!... Y en una revista especializada «Revista española de electrónica» existia un apartado donde los tecnicos españoles de TV publicaban las averias curiosas que habian encontrado en su vida profesional ... y la reparacion efectuada para subsanar la averia... y la mencionada revista a las averias semanalmente  seleccionadas... les otorgaba un premio...

Pero habia un tal «Amado» en Oviedo (Tecnico oficial de Telefunken) que semana si... semana no... salia premiado... porque sus averias eran de lo mas curiosas e inexplicables ... luego se descubrió que el muy «Litofácico» primero provocaba las averias introduciendo un componente defectuoso (una resistencia cortada... un condensador con fuga ..etc..etc...) en el circuito... a continuación veia los sintomas que su jugarreta habia provocado en el receptor de TV los apuntaba... inmediatamente  sustituia el componente averiado (Que previamente habia colocado en sustitucion del que el Receptor traia de origen)  por un componente igual en perfecto estado... ¡Y a ganar premios «revisteriles» !... La verdad es que aquellas averias «resueltas» (obsérvese el entrecomillado)  por Amado... ¡Eran como para creer en brujas!....

Y es que por muy extraña e inexplicable que resulte una averia... siempre resulta tener una explicacion de lo mas lógica... aunque nosotros no la lleguemos a descubrir...

Les cuento (para que vean) una anecdota que me ocurrio a mi personalmente ...

Estaba yo montando la seccion de radio de un automovil teledirigido ... y una vez completado todo el montaje... naturalmente lo puse en prueba ... y aquel «juguete»  se empeñaba en o bien ir recto (en eso no habia problema) o bien en girar siempre hacia el mismo lado ... ¡Ahi si habia  un problema mas bien peliagudo!....obviamente volvi a comprobar todo el montaje.... y... extrañamente ¡Todo perfectamente OK!... repase todas las soldaduras una por una ..y lo volvi a probar ... ¡pues nada!... que el auto empeñado en girar siempre para el mismo lado ... Asi que me puse a investigar concienzudamente sobre el esquema del circuito que pudiese ser la causa.... y llegue a la conclusion de que aquel efecto solamente podria producirse si yo habia colocado un diodo de señal (1N 914) que equipaba el montaje... al reves de lo que venia en el esquema... mirada inquisitorial del montaje ...¡Todo OK!... y el diodo posiblemente culpable etaba perfectamente soldado y  en la posicion correcta a juzgar por las bandas coloreadas que el diodo (1N914) encapsulado en cristal... trae impresas de fabrica para indicarnos su polaridad... o sea que todo estaba OK.... ¡Pero aquello seguia funcionando a su antojo!... total que ya muy desconfiado... procedo a medir el diodo... ¡Y no podia dar credito a mis ojos!... El diodo habia salido de fabrica con las bandas de colores INVERTIDAS .... ¿Brujas ?.... ¡NO!... ¡Fallo garrafal del operario de la fábrica al colocar la cinta con los diodos en la maquina de pintar !... ¡Y en este caso "si" parecia que habia brujas!... (Ni que decir tiene que desde entonces a todos los diodos les aplico el Tester antes de soldarlos  en el montaje....  ¡A mi no ...otra vez noooo!... jajajaja)

Pero volviendo al titulo de nuestro "post" ... en Termodinamica se estudia que el calor es lo que se denomina «una energia degradada» ... que ese calor producido... son pèrdidas de eficacia de un aparato ... y se procura disminuirlas ... (por ejemplo mecanicamente por medio de cojinetes o de lubricantes para disminuir el rozamiento y con ello las perdidas de energia por calor ) ...

En electrónica ocurre «sastamente» lo mismo... el calor es una perdida de energia eficaz que se produce en el montaje ¡Y hay que tratar de eliminarlo!....... (Obviamente en un montaje calefactor nooo.... jajajaja)

Un telefono celular ..es simplemente lo que en radio se denomina un «transceiver» (un Transmisor Receptor)... y como tal en el circuito llevan una etapa receptora ..y una etapa transmisora... que como cualquier etapa transmisora necesita desarrollar una potencia de emision suficiente para excitar la etapa receptora de un repetidor... si estamos en telefonia...O si estamos en una red WIFI... la de un Router...

Muchos habremos comprobado que si estamos dentro de un "super" y nos suena el CEL ...nuestro corresponsal (el que nos está llamando)... ¡No nos oye!... Nosotros en cambio si oimos perfectamente sus angustiosos ¡oye!..¡oye! ¿me oyes ?... ¡y claro que lo oimos!... ¡Pero el a nosotros ni flores!... ¿Por que ?... pues sencillamente porque el repetidor emite a veces hasta con Kilowatios (Miles de watios) de potencia en antena ... y nuetro telefono celular (por ejemplo el Lumia 530) emite (Por Ley) con unos miseros MILIWATIOS... (Milesimas de Watio) normalmente unos 10 mW a plena potencia

A pesar de que los fabricantes afinan hasta lo mas inverosmil para que la potencia generada en el paso final emisor sea transferida casi integramente y con las menores perdidas posibles al sistema radiante (o sea la antenita incluida en el circuito impreso en el interior del celular (En nuestro caso el Lumia 530 )... dado que la conductividad infinita no existe y que todos los materiales oponen una cierta resistencia mayor o menor al paso de la corriente electrica ... resulta que debido a la conocida formula de la ley de Ohm... VxI = W... (que sustituyendo elementos en la formula se transforma en I elevado al cuadrado... multiplicado por R = W)  donde I =  intensidad de corriente que recorre un conductor  y R = resistencia total presentada por ese conductor al paso de una corriente electrica (resistencia total obtenida multiplicando la llamada resistencia especifica del conductor expresada en Ohmios por unidad de longitud.... un parametro representada por la letra griega ro... (Y que obviamente depende del material empleado en la construccion del conductor... cobre ..plata..oro...niquel...niquelina... etc..etc...)  multiplicada  por la longitud del conductor  L (Expresada en las unidades de longitud del sistema metrico decimal empleado) ...por lo tanto... ro  x L = R... y por otra parte   W = potencia disipada en ese conductor

Esto nos indica que el paso de la corriente electrica a traves de un conductor (que siempre tiene una ro > 0 )  genera siempre una cierta cantidad de calor dependiente de la intensidad I que atraviesa dicho conductor ... recordemos «Intensidad I elevada al cuadrado... multiplicada por  resistencia R =  W (potencia disipada) ....y como en la naturaleza no existe el material perfecto conductor (ro = 0) el paso de una corriente electrica a traves de un conductor... origina siempre en el mismo un aumento de temperatura... ¡Siempre!

Por otra parte como la tranferencia de energia no es nunca de 100%  quedandose siempre un tanto por ciento perdido en forma de calor ... (por eso al calor se le denomina en termodinamica «Una energia degradada»  (Como conseuencia de nuetra ya conocida formula fisica  I elevado al cuadrado multiplicado por  R = W )... ese calor producido por la perdida de potencia electromagnetica a radiar por la antena ...se disipa en el montaje (en nuestro caso en el paso final de transmisión) en forma de calor ...  y por lo tanto como ya hemos dicho este calor («energia parasita»)  desprendido  eleva de temperatura al paso final de transmision ... y si ese calor no es suficientemente  y eficazmente transferido al «entorno».... (termino termodinámico) el paso final «Se frie».... y nos quedamos sin transmision ...
Existen  dos sistemas principales para evacuar ese calor «parasito»  producido por la formula... (I elevado al cuadrado multiplicado por R = Wpotencia en forma de calor)...

Si los materiales empleados tuviesen resistencia interna cero (ro = 0) al paso de la corriente... (Lo que se denomina conductividad infinita).... el paso final a plena potencia de transmision permaneceria frio como un muerto ...Pero como eso no es el caso ... ese calor «parasito» producido hay que «transferirlo» de alguna manera (para evitar problemas)  al «entorno» (termino termodinámico) y para ello  existen DOS formas principales una es la radiacion y otra la inercia termica ...

En un sistema de operacion continua y permanente tenemos obligatoriamente que usar la conduccion y radiacion.... esto se funda en que el sistema de refrigeracion sea capaz de evacuar TODO (o un porcentaje muy elevado)  del calor «parasito» producido en el paso final... para ello se utilizan radiadores + ventiladores ...y ultimamente incluso la refrigeracion por circulacion de agua... ¿Sabian Vds. que al principio de su vida la BBC tenia sus lamparas finales sumergidas en el rio Tamesis?

En los sistemas de funcionamiento temporal (por ejemplo el del  Lumia 530) se puede o bien emplear este sistema de conduccion y radiacion  (que en la emision de radioaficionado es el que se utiliza incluso empleando ventilacion forzada por medio de ventiladores y extractores de aire)... O bien el sistema de inercia termica ..que se fundamenta en utilizar como disipador una gran masa de material que durante los periodos temporales de transmision no le de tiempo a alcanzar una temperatura peligrosa para el paso final... (Este sistema es mucho mas facil de utilizar y ocupa un menor volumen)...

Pues bien... este.... el metodo de la inercia termica.... es justamente el sistema utilizado en los Celulares como el Lumia 530  para refrigerar el paso final de transmision...  utilizando pra ello el chasis metalico interno como disipador... dada la poca potencia disipada en dicho paso final... unos pocos miliwatios (siempre inferior a la potencia maxima reglamentada por por ley) normalmente suelen trabajar a unos 10 miliwatios a potencia maxima... para no superar el SAR legal admitido

Pero dada la propia naturaleza del sistema de disipacion ..si a pesar de que el paso final de un Celular solamente puede (repito por Ley) emitir unos 10 miliwatios ...si insistimos mucho en la duracion de la transmision (Por eso justamente se nos calienta la orejita)... el chasis metalico podria llegar a adquirir una temperatura peligrosa para la vida de los componentes...

Menos mal que los microprocesadores que equipan los SmartPhone (por ejemplo el del Lumia Nokia 530) tienen una proteccion térmica interna... por lo que al llegar a determinada temperatura... dejan instantaneamente de funcionar... salvandonos asi el preciado componente.... (y lo mismo ocurre con el paso final de transmision)....  ¡Pero mas vale no abusar! ...¡por si las «flay» !

Ahora hablemos del mayor consumo de bateria de un CEL en transmision... comparado con ese mismo CEL en estado de recepción... Como en recepción la señal que nos llega desde el repetidor o desde el Router (si operamos en WIFI) suele ser mas que suficiente... el receptor no tiene que realizar demasiadas «heroicidades» para trasladar la señal amplificada y decodificada transformada en video o en audio a la pantalla o al altavoz respectivamente ... por lo tanto no necesita disipar demasiada energia para cubrir su funcion ... ¡El resultado... un escaso consumo de bateria...!

Otra cosa muy diferente ocurre en la etapa de transmision... que tiene la muy ingrata obligacion de excitar en forma ondulatoria lo que los tecnicos de radio denominamos el «eter» ( para simplificar) con potencia suficiente para «llegar» a destino y crear alli un campo suficiente para excitar el paso de entrada de un receptor (el que sea)....

(Por ejemplo el voltaje de la señal llegada a antena necesario para excitar el paso de entrada de un receptor de comunicaciones moderno es de 0.1 microvoltio...)

Reiteramos (para que no quede ninguna duda) que algo muy diferente ocurre dentro de la etapa de emision del SmartPhone.  (en nuestro caso el Lumia 530) que como hemos visto necesita generar y por lo tanto disipar.... mucha mas potencia

( por si les interesa les diré  que un rendimiento del 40% en un paso amplificador lineal de potencia funcionando en clase A.... se considera un rendimiento optimo...obviamente el resto 60% son perdidas en forma de calor )

la  potencia de emision en un paso final se obtiene por la aplicación de nuestra conocida formula I xV =W (siendo W potencia de radiacion en antena)... en el caso del Lumia 530 (en realidad de cualquier CEL ) esta potencia disipada en el paso final esta por Ley limitada a un numero determinado máximo de miliwatios (milesimas de watio) radiado en antena (recordemos unos 10 miliwatios por ley segun normas de la ultima reunion mundial internacional de la ITU dada la posicion normal de utilizacion del Lumia530 la antena emisora muy cerca del cerebro porque si la potencia fuese mayor podria afectar al mencionado cerebro ) y que mas del 60% de esa potencia disipada en el paso final ...no es aprovechada convirtiendose  en energia parasita en forma de calor.. si queremos obtener 10 miliwatios de radiacion efectiva y hacemos  calculos vemos que necesitamos consumir en el paso final 25 miliwatios ..  ...

En los router esta limitacion de potencia aunque tambien esta limitada por ley la limitacion no es tan drastica como en un celular... (Por ejemplo en el Lumia 530)  ya que la antena transmisora  esta siempre bastante mas lejos de nuestro  cerebro  (como minimo un metro) que en el caso de un telefono celular (por ejemplo el Lumia 530)

 Por eso en los router tambien  se pueden emplear antenas colineales de gran ganancia  o antenas directivas  de ganancia aun mayor sobre todo si estas se situan sobre el techo del edificio...... en mi caso por ejemplo uso .(aqui en el cuarto de radio situado en la azotea y sobre la cobertura de dicho cuarto de radio y por lo tanto externamente a el ) .. una antena tipo Yagi de un monton de elementos... enfundada en un cilindro de fibra de vidrio (que resulta absolutamente «transparente»  a las radiaciones electromagneticas)  y que sirve  para proteger la delicadisima (y costosisima) antena... de la acción de los agentes atmosfericos.... que posee 13 decibelios  .. o lo que es lo mismo una ganancia en potencia de transmision  de 20 veces  igual a  4.47 de ganancia en tension o lo que es lo mismo si una señal recibida genera un campo de 1 microvoltio yo tendria a la salida de la antena  de una señal  de 4.5 microvoltios ... mas que suficiente para excitar la entrada de recepcion de mi router...

Este tipo de antenas se situan (para eso estan construidas) en el techo de un edificio (como una vulgar antena de TV ) y en algunos casos (dependiendo de la longitud del cable de enlace entre el Router y la Antena) se pueden emplear además etapas amplificadoras bidireccionales intermedias que compensen las perdidas producidas en el cable coaxial de enlace (que en estas altisimas frecuencias son muy notables) entre el Router y la antena exterior...

En mi caso dado que la longitud del cable es solamente de metro y medio no es necesaria esta etapa amplificadora bidireccional ya que las perdidas en esa longitud de cable son practicamente despreciables...

La ganancia de potencia que me proporciona esta antena al concentrar toda la potencia emitida en un lobulo muy estrecho ¡Es impresionante!.... (ya lo han visto la potencia multiplicada por 20 ) o sea que 100 miiwatios (creo recordar maximo de potencia de emision permitida en un router) se transformarian en el lobulo direccional en 2000 miliwatios o lo que es igual 2 watios que en estas frecuencias es una potencia ya muy respetable...

Tal es asi que si un corresponsal situado en linea recta con mi antena sin obstaculos fisicos (edificios..arboles etc..etc...) de por medio y utilizase a su vez una antena direccional podriamos efectuar enlaces WIFI a cientos de kilometros ...

Sobre todo teniendo en cuenta que una antena direccional gana exactamente lo mismo en las dos direcciones ... (transmitiendo o recibiendo)  y en este caso las ganancias de ambas antenas se suman ... (por ejemplo si la ganancia de  la antena empleada por mi corresponsal fuese de 10 dB la ganancia total de potencia entre ambos seria de 13+10 = 23 dB o sea un total de ganancia en potencia de 30 veces o o que es igual en intensidad de campo de 3,16 + 4,47 =  7,63 ¡Algo impresionante!)

Oviamente en este caso de una antena direccional... salvo que te pongas directamente delante de la antena y dentro del lobulo de radiacion (lo que no suele ser el caso ) evidentemente no existe ningun problema de salud... maxime cuando toda la emision o practicamente toda... (porque siempre aparece un pequeñisimo lobulo parasito) esta dirigida dentro de un lobulo muy estrecho y en una determinada direccion (aquella en que nuestra antena «apunte» )

Pero volviendo al caso de utilizacion normal o sea el del caso de un telefono portatil por ejemplo el Lumia 530 (operando en la banda de 900 Mhertz otorgada por la ultima conferencia mundial de la ITU al servicio de telefonia movil)...

Dado que el voltaje de descarga util de la bateria es constante (en el caso del Lumia 530 = 3 voltios)... el unico parametro variable con posibilidad de ser aplicado a la formula seria la I (intensidad) por lo tanto el paso final «retuerce» a la pobre bateria para que esta le suministre la intensidad necesaria...  ¡El resultado... la rapida descarga  de la bateria con el CEL (por ejemplo el  lumia 530) en estado de emision!

He ahi la explicacion de porque la bateria de un Lumia 530 se descarga mucho mas rapidamente en estado de transmision que en estado de recepción 

Como posible comparación les dire que cuando en mi cuarto de radio enciendo mi equipo de onda corta... el amperimetro del cuadro  electrico con todo funcionando ..(Transceiver en estado de recepcion  ... frigorifico... y las 4 computadoras.... mas los tubos fluorescentes del techo encendidos  )...  detecta unos 3 amperes de consumo total electrico en el cuarto de radio... pero basta que le de al alta del transceiver  y ponga mis 500watios en antena para que la aguja del amperimetro "brinque" alegremente hasta los 20 amperes.... ¿brujas ?.... nooo... simplemente... ¡Consumo del paso final de mi instalacion de onda corta en estado de emision!

(si necesitan alguna aclaracion sobre esto no duden en preguntarme a la cuenta que justamente para este foro he abierto en mi servidor de correo... y que pueden ver  aqui abajo)

Ximielga
insider del windows10 tecnical Preview
(milumia530@ximielga.com)