Alimentiamo Arduino a Batteria

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di Giovanni Carrera

Spesso, per esigenze pratiche, sentiamo la necessità di affrancare il nostro progetto dai vincoli imposti dai cavi d’alimentazione da rete. Una soluzione semplice ed economica è quella di usare un ‘mobile power bank’ per alimentare Arduino o altri circuiti a 5v.

La capacità dei power bank, ormai molto diffusi e reperibili anche a costi bassi, è molto alta, comunemente maggiore di 2000mAh, anche se alcuni costruttori cinesi stampano valori poco veritieri, come accade per le batterie in essi contenute. Questo tipo di alimentazione è particolarmente adatto per sistemi portatili e molto compatti, e fornisce un’autonomia di parecchie ore. Io uso questi dispositivi già da qualche anno.

Il power bank

Esso serve per dare energia ai nostri smartphone o tablet, quando hanno le batterie scariche e non siamo vicino a una presa rete. Questi dispositivi incorporano, in un piccolo volume, una o più batterie ricaricabili ai polimeri di Litio, un caricabatteria (da 5 V a 4,2V) e un alimentatore switching step-up per produrre i 5V in uscita dai 3.6-3.7 V della batteria. La figura 1 mostra lo schema funzionale di un tipico power bank.

Figura 1: Schema funzionale del power bank

Normalmente esso è dotato di due connettori USB femmina: un’uscita di tipo A per alimentare il cellulare o tablet e uno di tipo micro USB per caricare la batteria interna, a esso si connette un normale alimentatore a 5-5,5V da 1 o 2 A, ormai diventato uno standard per i telefoni cellulari e tablet di recente generazione. Solitamente essi sono forniti di uno o più cavetti per adattarsi ai cellulari e tablet, tipicamente con connettore USB micro o con standard IPhone. Col cavetto terminante con USB micro, possiamo alimentare diverse schede, tra cui Arduino Due, Yun e Teensy. Arduino Nano richiede un connettore USB mini mentre per Arduino Uno occorre un comune cavo USB A/USB B, tipo quello usato per le stampanti. In molti casi tutto è fatto da un solo circuito integrato che richiede solo pochi altri componenti. Le immagini di figura 2 mostrano lo schema e l’aspetto di un power bank realizzato con il chip HT4921.

 

Figura 2 Schema e aspetto di un tipico power bank

Questo circuito, che ho trovato nei sistemi più economici, ha qualche difetto. Dopo diverso tempo di inutilizzo, la batteria si scarica completamente, diventando spesso non più ricaricabile. Questo è dovuto al fatto che esiste una corrente di auto-scarica non tanto della batteria ma degli stessi circuiti, in alcuni casi ho misurato fino a 2 mA. Occorre sapere che le batterie agli ioni di litio non devono essere scaricate completamente, come quelle al piombo. Altrimenti intervengono fenomeni elettrochimici irreversibili e si deve sostituire la batteria. Per risolvere il problema io ho dovuto modificare alcuni power bank economici, come quello esaminato, inserendo un interruttore esterno, in serie alla batteria. Con l’esperienza d’uso dei power bank acquisita già da qualche anno, posso suggerire di utilizzare preferibilmente quelli che hanno un interruttore di alimentazione, possibilmente non elettronico. Costano di più ma non hanno un autoconsumo che riduce notevolmente l’autonomia della batteria. Molti power bank, solitamente quelli più performanti, hanno anche un sistema di autospegnimento: si spengono dopo qualche decina di secondi se il consumo è al di sotto di una certa soglia. Questo purtroppo diventa un difetto se alimentiamo circuiti che consumano solo pochi milliampere, quindi, dobbiamo scegliere quelli privi di autospegnimento per alimentare circuiti a basso consumo.

Se non ci servono i 5 volt

Per motivi di risparmio energetico, oggi molti sistemi a microcontrollore sono alimentati a tensioni più basse, valore tipico 3.3 V. In questo caso basta usare un modulo caricabatteria per batterie agli ioni di litio e una batteria di adeguata capacità. La figura 3 mostra lo schema e l’aspetto di un tipico esempio di questi caricabatteria.

 

Figura 3 Esempio di caricabatteria a 1 cella al litio.

 

Il chip TP4056 è un carica batteria adatto per una singola cella agli ioni di litio. Esso è di tipo lineare a corrente costante, nella fase di carica iniziale, e passa a tensione costante a 4.2 V nella parte finale. Il resistore R4 regola la corrente di carica, per R4=1.2k come da schema, si raggiunge una corrente ideale di carica di 1 A, in realtà ci sono problemi dissipativi se la batteria richiedesse a lungo questa corrente. Se volessimo ridurre la corrente massima di carica occorre rimuovere questo resistore e sostituirlo con uno di maggiore resistenza secondo la formula:

RPROG =R4 = VPROG×1200/ IB =1200/ IB

Dove R4 è la resistenza di programmazione in ohm, la corrente IB è in ampere e VPROG = 1V. Nella foto, questo resistore è vicino al bordo sinistro, in centro. Il pin 1 dovrebbe essere collegato a un termistore NTC a contatto della batteria, ma qui non è usato. Ci sono due led di stato: quello collegato al pin 7 (CHRG) ha l’intensità luminosa proporzionale alla corrente di carica e si spegne alla fine e l’altro led (STDBY) si accende a fine carica e la mantiene. Se la batteria è assente o difettosa o se la tensione in ingresso è troppo bassa, entrambi i led sono spenti. Il resistore R1 ha un valore

Questo circuito ha un’uscita che varia da 3.7V (scarica) a 4.2V (carica batteria). I circuiti a 3.3V, solitamente, non accettano questi valori, per cui è necessario usare un regolatore a bassa caduta, detto LDO (Low Drop Out) che accetti in ingresso tensioni di questi valori, ossia anche con soli 300 mV di caduta. La maggior parte dei regolatori LDO con uscita a 3.3V sono fatti per lavorare con 5 V in ingresso e non funzionano con cadute inferiori al volt. Io ho utilizzato il chip smd  MCP1825S-3302 che ha una tensione di drop-out di soli 210 mV a 500mA di corrente. Lo schema di figura 4 è un esempio applicativo di questo regolatore.

Figura 4: Schema di alimentazione con batteria a 3,3 V

Io già da qualche anno preferisco usare le batterie agli ioni di litio e litio polimero (LiPo) per alimentare i miei sistemi, sono più leggere di quelle NiMH (nichel metal-idrato), di seguito alcune caratteristiche positive:

  • non hanno memoria chimica;
  • hanno una densità energetica elevata;
  • non perdono carica alle basse temperature e hanno poca autoscarica;
  • possono erogare forti correnti di scarica;
  • si caricano in tempi relativamente brevi.

Naturalmente hanno anche degli aspetti negativi:

  • richiedono un caricabatteria più complesso;
  • richiedono circuiti di protezione abbastanza sofisticati, spesso incorporati nel pacco batteria perché misurano anche la temperatura delle celle;
  • non devono scaricarsi completamente;
  • costi relativamente maggiori.

Il fatto che ormai sono diffusissime su molti dispositivi portatili come cellulati, tablet, computer laptop, elettro-utensili, evidenzia che i pregi sono superiori ai difetti. Per applicazioni dove si richiede una notevole energia accumulata come ad esempio veicoli elettrici, mezzi di sollevamento etc., sono ora disponibili batterie al litio-ferro-fosfato (LiFePO4 ).

Circuiti di protezione delle batterie al litio

Per le considerazioni viste è bene proteggere le batterie con appositi circuiti. Nei battery pack spesso sono già presenti questi circuiti. Essi proteggono le batterie ricaricabili agli ioni di litio o ai polimeri di litio da tensioni eccessive di carica e di scarica scollegando le batterie mediante i mosfet a canale N. Un tipico circuito di protezione per due celle è quello di figura 5.

 

Figura 5 – Esempio di circuito di protezione per due celle.

 

Nel circuito sono usati due chip, ciascuno dei quali ha due mosfet messi in parallelo per aumentare la corrente, e il costruttore indica 3 A come corrente massima sopportata. In figura 6 è mostrato lo schema elettrico.

Figura 6 – Schema elettrico del circuito precedente

 

Il chip MM3220, nei vari tipi contraddistinti da ulteriori sigle, ha due soglie, una di sovra-tensione e una di sotto-tensione al di fuori di queste sono aperti i rispettivi mosfet. Per esempio il chip MM3220H03NRH ha una soglia superiore di 4.25V e una inferiore di 3.20 V (per ogni cella), con isteresi e ritardi noti. Il circuito si collega, per esempio, con due batterie tipo 18650 (18 mm di diametro e 65 di lunghezza) come in figura 7.

 

Figura 7 – Collegamento del circuito di protezione.

Esistono numerosi chip di protezione adatti per una o più celle. Alcuni sono in grado anche di misurare e controllare la corrente di carica e la temperatura delle batterie, mediante termistori. Questi sono solitamente usati nei pacchi batterie dei computer.

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About The Author

Sono nato a Genova nel 1947, ingegnere elettronico e professore universitario. Appassionato di elettronica sin da ragazzo. Ho praticamente assistito all’evoluzione dei computer a iniziare da quelli con memoria a nuclei magnetici da 32kB e con i disk pack da 80MB fino ai moderni PC con SSD. Dalla fine degli anni ’70 ho progettato moltissimi sistemi basati su cpu 6502, 8085, e infine sui PIC e Arduino. Nei primi tempi ho progettato e anche auto-costruito molti sistemi di sviluppo e di programmazione dei microcontrollori. Ho iniziato a sviluppare il firmware sui 6502 con compilatori Assembler, Forth e Basic per poi passare al Pascal per i PIC e al C con Arduino e derivati. Su PC utilizzo prevalentemente i linguaggi Matlab/ Octave (per elaborazione e analisi dati), Simulink (per la simulazione), ed Excel. Uso il CAD per la simulazione dei circuiti e per la realizzazione degli schemi. I prototipi li realizzo su schede millefori con sottili fili di connessione con isolamento resistente al calore come il Kynar o il PTFE. Negli anni mi sono fatto un laboratorio elettronico molto ben attrezzato che mi permette di eseguire misure accurate sui miei prototipi. Per la ricerca universitaria e per i corsi che tenevo, ho acquisito notevoli conoscenze su strumentazione di bordo e di laboratorio, sensori e attuatori, sistemi di acquisizione e automazione, analisi dati, simulazione di impianti, radiotecnica e GPS. Ho anche progettato moltissime apparecchiature analogiche e digitali per specifici impieghi nel campo della ricerca, come sistemi di monitoraggio strutturale e controllo di servo-attuatori idraulici. Ho anche messo a punto, a partire dal 2002, alcuni sistemi per rilevare i moti nave mediante una rete di ricevitori GPS carrier phase tracking, con accuratezza centimetrica. Dal 2015, ho incominciato a pubblicare, in lingua inglese per avere maggiore diffusione, sul mio blog “ArduPicLab” molte idee e progetti originali, in parte pubblicati anche sui siti americani Hackster.io e Hackaday.io. Da quell’anno ho pubblicato anche nove progetti su riviste italiane, sei su “Fare Elettronica” e tre su “Elettronica Open Source”.

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