Un alimentatore fai-da-te per tutte le stagioni

Ho un amico (smettete di ridere, è la verità!). Lo chiameremo Joe (perché questo è il suo nome). A dire il vero, non ricordo più come ci siamo conosciuti, anche se so che è stato via Internet. Joe e io stavamo parlando oggi via e-mail. Joe dice di avere delle e-mail che risalgono all'aprile del 2006, ma riguardano una discussione che era già in corso, quindi abbiamo deciso di fissare al 1 aprile 2005 la data in cui ci siamo conosciuti. Ciò significa che, fra appena tre anni, saranno vent'anni che ci conosciamo. Questo mi ha fatto capire che molte delle persone che oggi annovero tra i miei amici più cari le ho conosciute via Internet. E questo fa riflettere.

Avete visto la serie televisiva The Equalizer con Queen Latifah nei panni di Robyn McCall? Uno dei suoi amici è Harry Keshegian (interpretato da Adam Goldberg). Harry è un abilissimo hacker che vive nascosto in una stazione della metropolitana inutilizzata che, essendo cresciuto con Batman e Robin, ho sempre considerato la sua "Batcaverna". Joe è l'equivalente inglese di Harry. Esce raramente alla luce del sole e vive in un idilliaco paesino di campagna appena fuori Cambridge, dove lavora a tempo pieno (di giorno) come ingegnere senior di software e hardware presso il London Ambulance Service. La sera (spesso per tutta la notte), Joe crea gli aggeggi e gli arnesi più incredibili che abbiate mai visto.

Il motivo per cui mi sto dilungando su questo argomento è che, così come Robyn si rivolge ad Harry quando ha un problema, io mi rivolgo a Joe. Un paio di settimane fa, ad esempio, è arrivato sulla mia scrivania un progetto interessante. Si trattava dell'utilizzo del vecchio microcontroller PIC a 8 bit, come PIC16F18346-I/P di Microchip Technology.

In un prossimo blog potrei raccontarvi le mie avventure con i PIC. Per ora, però, c'è altra carne sul fuoco. Il mio problema è che, oltre a programmare questi piccoli "mascalzoni", devo anche sottoporli a una serie di test. A sua volta, ciò richiede la creazione di una scheda personalizzata con uno zoccolo DIL a 20 pin a forza di inserimento nulla (ZIF), come 222-3343-00-0602J di 3M, circondato da una manciata di altre cose come interruttori DIP, interruttori rotativi 1P12T, terminali di sonda per il mio oscilloscopio e... la lista continua (se siete davvero sfortunati, questa scheda potrebbe essere presentata in un blog futuro).

Tra i suoi molti altri talenti, Joe è un guru dei PIC (forse è addirittura cintura nera in tecnologia PIC), quindi ho fissato una chiamata Zoom per chiedergli dei consigli. Abbiamo trascorso felicemente un'oretta a scambiarci idee e poi ci siamo salutati. Immaginate la mia sorpresa e la mia gioia quando la mattina seguente ho scoperto che Joe aveva deciso di creare la progettazione della scheda per semplice diletto.

E in questo angolo...

Mentre mi stava illustrando lo schema e il layout della scheda (ancora una volta, grazie alle meraviglie di Zoom), Joe ha buttato lì un commento del tipo: "E quest'area in questo angolo è il mio circuito di alimentazione standard". Quando ho chiesto di spiegarsi meglio, Joe mi ha detto che aveva deciso che sarebbe stata una buona idea testare i PIC sia a 5 che a 3,3 V, per cui ha inserito un circuito collaudato che utilizza per molti dei suoi progetti.

Mi ha detto che non usa mai l'USB per alimentare le sue creazioni perché "non si può essere sicuri di poter contare su 5 V costanti". Ha anche spiegato che, da quando uno gli ha mentito, non si fida più degli alimentatori che dichiarano di avere +Ve sul connettore interno e 0 V (massa) su quello esterno. A onor del vero, questo mi ha ricordato un paio di diffusori per computer piuttosto attraenti che avevo acquistato e che sono andati in fumo a causa di un evento simile. Tutto ciò ha indotto Joe a creare un proprio circuito che accetta come ingresso una tensione da 7 a 25 V, che può essere alternata o continua (la corrente continua può essere di entrambe le polarità). A sua volta, questo alimentatore fornisce valori affidabilissimi di 5 V e 3,3 V c.c. per alimentare i suoi vari aggeggi.

Mi è sembrata un'ottima idea. Talmente buona che ho chiesto a Joe se poteva farne una scheda separata utilizzabile da altri appassionati (come il sottoscritto) per i propri progetti hobbistici. Probabilmente avrete già intuito che la mattina dopo ho trovato questo progetto nella mia casella di posta elettronica, insieme al permesso di Joe di metterlo a disposizione di chiunque fosse interessato.

Sentire la potenza

Lo schema circuitale per l'alimentatore (PSU) di Joe è illustrato nella Figura 1. A prima vista, si potrebbe pensare che non sia nulla di rivoluzionario. Ma più si va a fondo, più ci si rende conto che è il frutto di molte riflessioni. Ad esempio il fatto che la scheda sia popolata su un solo lato consente agli appassionati di realizzare la propria versione a casa, se lo desiderano. Joe ha anche gentilmente fornito i file di progettazione per chi preferisce schede realizzate in modo professionale.

Figura 1: A prima vista lo schema circuitale della PSU sembra semplice, ma è stato studiato con molta attenzione, come ad esempio il fatto che il file di progettazione sia basato su un solo lato, il che permette agli appassionati di realizzare la propria scheda a casa. (Immagine per gentile concessione di Joe Farr)

Per discutere dei componenti, dobbiamo tener conto anche del layout, come illustrato nella Figura 2. Cominciamo con il connettore di alimentazione SK1, che può essere un qualsiasi connettore cilindrico per schede a circuiti stampati con l'ingombro corretto. Per i miei alimentatori a parete, in genere uso una versione da 2,1 mm, come 54-00166 di Tensility International Corp. In alternativa, è possibile saldare semplicemente i fili della fonte di alimentazione alle piazzole "a" e "b" della scheda.

Figura 2: Utilizzando i valori, i tipi e i piazzamenti dei componenti indicati sulla serigrafia (ad esempio, il regolatore IC2 è mostrato collegato alle piazzole/ai fori di via IC2a), l'alimentatore accetta in ingresso da 7 a 25 V c.a. o c.c., restituendo uscite estremamente affidabili di 5 e 3,3 V. Tuttavia, scambiando alcuni componenti (ad esempio, collegando un tipo diverso di regolatore alle piazzole/ai fori di via IC2b), è possibile ottenere diverse altre combinazioni di tensione. (Immagine per gentile concessione di Joe Farr)

Nel caso del connettore di uscita, SK2, la versione a cinque pin di Molex è ideale perché consente di scollegare facilmente la scheda dal resto del progetto. Tuttavia, è possibile utilizzare qualsiasi connettore a cinque pin con un passo standard di 2,54 mm, oppure saldare i pin della basetta o i fili direttamente alla scheda.

Per quanto riguarda BR1, possiamo utilizzare qualsiasi raddrizzatore a ponte con una tensione di esercizio di almeno 50 V e una corrente nominale di almeno 1 A (sempre leggermente superiore al carico massimo combinato della scheda).

Per quanto riguarda la nostra particolare implementazione di questo progetto, abbiamo bisogno sia di un'uscita a 5 V, generata da IC1, sia di un'uscita a 3,3 V, generata da IC2. Per IC1 abbiamo usato un 7805 che si trovava nello scrigno dei pezzi di ricambio di Joe (il componente che abbiamo utilizzato era simile a MC7805ACTG di onsemi). Nel caso di IC2, il progetto originale, rappresentato sulla serigrafia, prevede l'utilizzo di un regolatore LDO (a bassa caduta di tensione) LD1117V33, come LD1117V33 di STMicroelectronics. È raffigurato sul lato destro della Figura 3, che mostra la PSU finita.

Figura 3: La PSU finita. Il ponticello tra "d" ed "e" (al centro) significa che l'ingresso di IC2 è pilotato dall'uscita di IC1 (vedere le note sotto). Il collegamento del resistore di limitazione della corrente (R1) tra "f" e "i" significa che il LED1 è alimentato dall'uscita di IC2 per segnalare che tutti gli elementi della catena di alimentazione (BR1, IC1 e IC2) funzionano. (Immagine per gentile concessione di Joe Farr)

Il condensatore C1 è un dispositivo elettrolitico da 470 µF che deve avere una tensione nominale superiore a quella massima di ingresso prevista per la scheda (noi abbiamo usato un componente da 35 V). Nel caso dei condensatori C2 e C3, è possibile utilizzare praticamente qualsiasi condensatore da 100 nF con una tensione di lavoro superiore a 35 V. Per quanto riguarda il condensatore C4, se IC2 è un regolatore LD1117V33, l'ideale è un condensatore da 10 µF/16 V. Se invece per IC2 si utilizza un regolatore 78xx (vedere anche più avanti le discussioni sui regolatori), questo condensatore deve essere rimpiazzato con un altro da 100 nF identico a C2 e C3.

LED1 è un qualsiasi diodo luminescente (LED) da 5 o 3 mm con una tensione diretta di circa 2 V. Il valore del resistore di limitazione della corrente, R1, che dovrebbe avere una potenza nominale di 0,25 watt, dipende dalla tensione di uscita che verrà utilizzata per pilotare il LED (vedere le discussioni seguenti).

Punti rilevanti su cui riflettere

Un regolatore funziona prendendo la tensione di ingresso e abbassandola in modo che corrisponda a quella di uscita specificata. Nel caso dei regolatori utilizzati qui, la differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita viene dissipata sotto forma di calore, il che significa che il regolatore può raggiungere temperature estremamente elevate. Per ridurre al minimo il calore da dissipare, provare a impostare la tensione di ingresso in modo che sia superiore di circa 3 V rispetto all'uscita di qualsiasi regolatore collegato. Inoltre, quando si utilizza la scheda in corrente continua, è necessario tenere conto del raddrizzatore a ponte che abbassa la tensione di ingresso di circa 1 V.

Alcuni regolatori, come LD1117V33, hanno la linguetta di montaggio metallica collegata al pin di uscita del dispositivo. Per contro, nei regolatori 78xx è collegata al pin centrale (di messa a terra).

Come detto in precedenza, il progetto presentato qui è destinato a fornire uscite a 5 e 3,3 V, ma può essere facilmente modificato per adattarsi ad altre combinazioni di tensione, ad esempio 12 e 5 V, a seconda delle esigenze. In questo caso, il regolatore utilizzato per IC1 può essere un qualsiasi regolatore di tipo 78xx (NON tentare di utilizzare un regolatore serie 79xx su questa scheda poiché la piedinatura è diversa).

Per IC2 sono disponibili due opzioni. Come abbiamo già detto, il progetto originale utilizza un regolatore da 3,3 V LD1117V33. Questi regolatori devono utilizzare le piazzole IC2a, perché hanno una piedinatura diversa rispetto ai più comuni dispositivi della serie 78xx. Se si desidera utilizzare un 78xx per il secondo regolatore, è necessario montarlo sulle piazzole contrassegnate IC2b.

Il regolatore IC1 è sempre alimentato direttamente dall'uscita del raddrizzatore a ponte e dal condensatore C1. Per contro, a seconda delle esigenze, esistono due possibilità per pilotare il regolatore IC2. Se si desidera, può essere alimentato direttamente dal raddrizzatore a ponte (inserire il ponticello tra "c" ed "e"). In alternativa, può essere alimentato dall'uscita di IC1 (inserire il ponticello tra "d" ed "e"). Quest'ultima opzione è utile se la tensione di uscita di IC1 è superiore a quella di ingresso minima richiesta per IC2, come nel caso della mia implementazione. Questo ridurrà il calore, ma presuppone che il regolatore IC1 abbia una capacità sufficiente per alimentare il circuito e il regolatore IC2.

Se il resistore di limitazione della corrente del LED1, R1, è collegato tra "f" e "g", il LED sarà alimentato dall'uscita del raddrizzatore a ponte, BR1. Se R1 è collegato tra "f" e "h", sarà alimentato dall'uscita di IC1. E se R1 è collegato tra "f" e "i", sarà alimentato dall'uscita di IC2. A seconda della tensione di ingresso applicata al LED, per ottenere una luminosità ragionevole occorre regolare il valore del resistore R1. Puntando a circa 10 mA, che danno una buona luminosità senza sollecitare il LED, si suggeriscono alcuni valori del resistore per tensioni diverse: 3,3 V = 150 Ω, 5 V = 330 Ω, 12 V = 1 KΩ, 15 V = 1,2 KΩ.

Conclusione

Ecco qua. Non è una PSU dell'era spaziale con tantissime fantastiche funzioni, ma è una piccola scheda di lavoro fai-da-te che può essere utilizzata per soddisfare i requisiti di molti progetti amatoriali. Ho intenzione di tenerne una scorta, insieme a una collezione di regolatori, pronti a entrare in azione per progetti futuri. Che ne dite? Come al solito, i vostri commenti, le domande e i suggerimenti sono più che benvenuti.