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Se si stanno sperimentando circuiti, serve un buon alimentatore.
Certamente ci sono poche voci elettroniche che diano origine ad una scelta altrettanto vasta di quella degli alimentatori. Perchè, allora, aggiungerne un' altro ?

Essenzialmente perchè ci serviva un alimentatore autonomo per le nostre demo board e per lo sviluppo in generale.
Certamente si potrebbe utilizzare uno dei tanti wall plug made in China, ma la richiesta era quella di NON avere una connessione con la rete elettrica, per vari motivi: in primo luogo, per mantenere isolato il circuito in prova ed evitare ogni possibile loop di alimentazione durante lo sviluppo; in secondo luogo, per non avere ulteriori fili e aggeggi sul tavolo già ingombro.

Quindi, una alimentazione a batteria.
Il problema delle batterie è che hanno valori tali da combinare quasi per nulla con le tensioni tipiche dei circuiti logici, che sono essenzialmente 5V e 3.3V. Certamente i microcontroller recenti possono funzionare tra 2 e 5.5V, e due o tre batterie NiMh o Alcaline o una cella al Litio andrebbero bene.
Però è probabile che, durante lo sviluppo, si voglia utilizzare una tensione specifica sufficientemente precisa e le batterie hanno una tensione il cui valore scende durante l' uso. Quindi occorre un qualche stabilizzatore, con la possibilità di commutare l' uscita tra i valori più comunemente utilizzati.

Una prima idea è quella di usare una tensione maggiore, ad esempio 4 batterie da 1.5V o una Litio da 7.5V e abbassarla con un LDO. Ci sono, però, alcune contro indicazioni:
- le batterie alcaline costano ed una volta scariche si buttano
- le batterie ricaricabili hanno una tensione minore (typ. 1.2V) per cui il 5V sarebbe possibile partendo da almeno 5 elementi. Troppo ingombrante.
- le batterie al Litio in piccoli pacchetti da 7.5V si posso recuperare con una certa facilità, ma la potenza persa sulla caduta di tensione del regolatore lineare renderebbe basso il rendimento.

Si è passati quindi alla soluzione switch mode. E, in questo caso, è possibile tanto uno step up che uno step down.
Per l' applicazione non è richiesta una corrente elevata: 300 mA dovrebbero essere sufficienti ad alimentare la stragrande maggioranza dei circuiti attorno al microcontroller, anche usando piccoli LCD con retro illuminazione o qualche display a 7 segmenti. Si è optato per uno step-up, dato che i controller più recenti per questi circuiti hanno rendimenti elevati e funzionano da "battery squeezer", anche con tensioni molto basse (sotto il volt).

Per avere un oggetto più piccolo possibile, la scelta cade essenzialmente sulle batterie o accumulatori cilindrici, quindi una tensione da 1.2 a 4.6 V. Occorre uno step up.
Occorre, però, una certa autonomia. Quindi un rendimento quanto più elevato possibile da parte dello switching e una capacità delle batterie non minima. Sono escluse a priori le AAAA in quanto per ora non comuni e adatte solo ad apparecchi a bassissimo consumo. Le batterie formato AAA hanno dimensioni minori delle AA, ma anche una capacità ridotta. Inoltre il formato AA è quello più facilmente reperibile, sia come elementi a carbone o alcalini, non ricaricabili, che come NiMh o NiCd o altre tecnologie, diventando quindi la scelta ottimale.
Per quanto riguarda il numero, una sola batteria non crea problemi ad uno step up che deve elevare a 3V, ma è meno adatta per il 5V, sopratutto se vogliamo estrarre una certa corrente. Tre elementi sono possibili, ma il risultato finale diventa più ingombrante. Due elementi sono un buon compromesso.

L' offerta di integrati adatti è molto ampia, dato che l' alimentazione a batterie è diventata fatto comune.

Tra tutte le possibilità è stato scelto l' integrato L6920 di ST (analogo è il MAX1674 di Maxim), che ha numerosi punti a favore:

parte con una tensione molto bassa (1V), per cui può "strizzare" a fondo le batterie
sono impostabili le tensioni di uscita fisse 3.3V e 5V senza partitori
è possibile avere una regolazione variabile tra 2 e 5.2V
il chip contiene anche il comparatore per la verifica dello stato delle batterie
è resistente all' inversione della tensione di alimentazione (batterie inserite al contrario)
richiede un numero minimo di componenti esterni
ha un rendimento elevato (>90% a 200 mA).

Rispetto al più recente e meno costoso MCP1640 di Microchip, L6920 consente una corrente maggiore, ma, sopratutto, integra il comparatore per il controllo della batteria, cosa assolutamente indispensabile se si intendono utilizzare accumulatori: se per le batterie non ricaricabili è utile procedere fino al completo esaurimento dell' elemento, è inimmaginabile utilizzare batterie ricaricabili senza un sistema di indicazione di stato, dato che una scarica troppo profonda riduce pesantemente la loro aspettativa di vita. MCP1640 va ottimamente, grazie anche alle sue minuscole dimensioni, per sistemi finiti, dove il microcontroller potrà verificare attraverso in ingresso ADC o il modulo HLVD lo stato delle batterie, mentre qui, trattandosi di un modulo previsto per essere impiegato in ogni genere di applicazione, la completa autonomia delle funzioni è indispensabile. Il maggior costo di L6920 compensa ampiamente l'implementazione di un comparatore esterno, con la relativa tensione di riferimento e i passivi necessari.

Il modulo UBS-12

Il circuito stampato è un doppia faccia a fori metallizzati, in fibra di vetro, con solder e serigrafia componenti.

Ad esclusione dei supporti delle batterie, dei jumper e di poche altre parti, la maggioranza dei componenti è a montaggio superficiale.

Nello schema, i condensatori C5 e C1 rappresentano dei gruppi di più elementi a basso ESR in parallelo, per ottenere un ESR ancora minore, assieme ad una capacità di corrente di picco elevata. Questo ha lo scopo di minimizzare il ripple e ottimizzare il rendimento.

I jumper di configurazione, quelli di collegamento del carico, LED e interruttore, assieme al trimmer multigiri di regolazione della tensione variabile, sono facilmente e comodamente accessibili.

Anche le batterie, montate su holder elastici, sono sostituibili con estrema facilità.

Le due batterie AA (B1 e B2) sono la fonte primaria di alimentazione, con l' interruttore S1 che le collega al resto del circuito. Sulla serigrafia è indicata la polarità corretta di inserzione, ma, in ogni caso, è implementato un sistema di sicurezza anti-distrazione.

In posizione OFF è comunque funzionante il ramo composto da D1, R9 e LED2. Il suo scopo è quello di fornire una indicazione visiva nel caso in cui siano state inserite le batterie al contrario: il diodo D1 normalmente non conduce, per cui, se le batterie sono inserite correttamente, il LED non assorbe corrente. Se erroneamente si inverte la polarità delle batterie, il LED si accende.

Esso è posizionato sotto l' interruttore e la sua accensione indica di non azionarlo.

Se si stanno sostituendo le batterie con l' interruttore su ON, L6920 è progettato per sostenere l' inversione dell' alimentazione e il LED avvisa prontamente della situazione anomala.

Questa soluzione, apparentemente semplicistica, è stata scelta perchè è l' unica che non introduce alcuna caduta di tensione tra le batterie e il convertitore DC/DC, cosa che invece si avrebbe con un diodo in serie (non meno di 0.4V usando uno Schottky). Meglio sarebbe un MOSFET P, che introdurrebbe comunque una resistenza e che, in ogni caso, richiederebbe una indicazione visiva del fatto che le batterie sono state inserite in modo incorretto.
Il LED, invece, combinato con la resistenza dell' L6920 all' inversione di polarità, è semplice ed efficace.
Poteva essere omesso? Per quanto riguarda l' integrato, sì, ma va tenuto presente che ci sono anche dei condensatori elettrolitici e questi, polarizzati a tensione contraria, sono a rischio se la situazione si prolunga più che tanto.

Il convertitore step up sfrutta l' energia immagazzinata nella L1, che è una induttanza schermata a bassa resistenza.

Il MOSFET di switch è interno all' L6920 e può portare oltre 1A.

All' uscita, pin 8, diversi condensatori a bassissima ESR riducono il ripple a valori trascurabili per l' alimentazione di un microcontroller.

Il circuito stampato, con un ampio piano di massa, è disegnato per avere le minori impedenze possibili.

Particolare cura è stata posta nella scelta dell' induttore, che di dimensioni maggiori di quelle usate in altre applicazioni di questo convertitore step-up; la scelta è dovuta a due fattori:
- la corrente
- la resistenza della bobina
In particolare, il foglio dati di L6920D specifica che la corrente dello switch ha un massimo di 1.2A e quindi, per ottenere le massime prestazioni, occorre che l' induttore possa sostenere questa corrente. Inoltre, il suo valore di resistenza è molto basso, in modo da migliorare il rendimento. Il valore abbastanza elevato dell' induttanza consente di massimizzare la corrente e minimizzare il ripple.

Analoga cura è stata posta nella scelta dei condensatori, che sono elettrolitici al tantalio con ESR bassissimo (15 mohm), accoppiati con multistrato ceramici per un ulteriore miglioramento della prestazione.
In questo modo si ottiene un basso ripple con una elevata corrente in uscita.

Una particolarità della realizzazione è l' accoppiamento termico dell' integrato con il rame del circuito stampato, effettuata con uno strato di compound termo conduttivo all' argento applicato al di sotto del package; questo consente di migliorare la temperatura del componente nell' uso prolungato a corrente elevata.

L6920 dispone di un ingresso LBI (Low Battery Input) che viene collegato alla tensione delle batterie attraverso un partitore (R1 , R2 e R3), il quale stabilisce un livello di intervento di batteria scarica a 2.0V (jumper J6 chiuso) per accumulatori NiMh e NiCd e di 1.8V (J6 aperto) per alcaline e carbone. Il comparatore interno attiva l' uscita LBO (Low Battery Output) che è normalmente a livello 1. Questa uscita comanda Q1: ll LED1 sarà acceso fino a che il livello delle batterie è maggiore di quello impostato al pin LBI e si spegnerà quando le batterie avranno tensione minore.
Da osservare che il convertitore continua a funzionare anche se l' indicazione di batteria bassa è attiva. Questo è voluto in quanto non ha senso "tagliare" improvvisamente l' alimentazione del circuito collegato: l' utente viene avvisato dallo spegnimento del LED1 che la situazione delle batterie è al limite ed è il caso di sostituirle. In questo modo ha tutto l' agio possibile di terminare quanto è in corso, quindi sostituire le pile.

LED1 e LED2

S1	LD2	LD1	Funzione
OFF	OFF	OFF	modulo spento
x	ON	OFF	batterie inserite al contrario **
ON	OFF	ON	modulo funzionante correttamente
ON	OFF	OFF	batterie scariche o corto circuito in uscita

Poichè il LED1 è alimentato dal convertitore, funge da carico a vuoto per stabilizzare l'uscita; la sua luminosità sarà massima alla tensione di 5V e minima a quella di 2V.

Selezione indicatore stato batterie - J6

Lo spegnimento del LED LD1 avvisa della situazione di batteria scarica. Da notare che si tratta solamente di una indicazione visiva e che il convertitore non viene bloccato; l' utente a sua discrezione, se necessario, non sarà obbligato a sospendere il lavoro (dato che il chip continua a funzionare anche sotto il volt) e potrà sostituire le batterie in un secondo tempo.

Da notare che, nel caso di batterie non ricaricabili, è possibile procedere ancora al di sotto degli 1.8V (0.9V per elemento), fino alla scarica più assoluta (il convertitore opera con tensioni sotto il volt), ma va tenuto conto che la resistenza interna delle batterie diventa preminente e la loro capacità di fornire corrente al di sotto degli 0.9-0.95V per elemento si riduce drasticamente. Per le batterie ricaricabili, allo spegnimento del LED1, è consigliabile la sostituzione e la ricarica.

Tensione di uscita - J7.

La tensione di uscita viene determinata su due valori fissi o variabile con i jumper J7

J1	Tensione	Note
1-2	5V	Tensione fissa predeterminata
2-3	3.3V	Tensione fissa predeterminata
4-5	2 < V < 5.2	Tensione variabile

Nella posizione 4-5 del jumper, la tensione in uscita si regola finemente con il multigiri R6.

AVVERTENZA:

E' obbligatorio inserire un ponticello nelle spinette di selezione della tensione
va inserito UN SOLO ponticello per volta
manovre di disinserzione e inserzione dei jumper vanno fatte tassativamente con il modulo spento

3.3V

var.

Uscita - J1-J5

L' uscita è disponibile su 5 diversi connettori:
J1, J2 e J3 hanno un connettore tipo Molex passo 2.54, maschio, polarizzato, per collegamenti volanti con spine Molex femmina per cavo.

J4 e J5 sono previsti per collegare il modulo ad una breadboard, utilizzando delle spine passo 2.54.

Con queste spine, il modulo si inserisce perfettamente nelle vie di alimentazione della board.

Per sfruttare a pieno lo spazio della breadboard, UBS-12 viene sostenuto da due piedini in nylon che lo portano allo stesso livello della breadboard senza fare leva sulle spine di interconnessione.

L' inserzione diretta del modulo di alimentazione è possibile per tutte le breadboard standard con due vie di alimentazione per lato, con il positivo sul rail rosso e il negativo sul blu.

Montando solamente J4 o J5, ci si può connettere a qualsiasi tipo di scheda prototipo.

Interruttore di accensione, LED di segnalazione e jumper di configurazione sono comodamente accessibili senza staccare l' alimentatore dalla breadboard.

Avendo disponibili le principali tensioni di alimentazione dei circuiti logici, 5V e 3.3V, UBS-12 permette di realizzare sulla breadboard i più svariati circuiti, anche con l' impiego della nostra scheda Miniboard.
Inoltre, la possibilità di avere tensioni stabilizzate in un ampio raggio, tra 2 e 5.2V circa, consente di sperimentare la più ampia gamma di circuiti.

UBS-12 e Uniboard

Il modulo UBS-12 collegato ad una Uniboard con un breve cavo bipolare su J3; tutte le uscite sono disponibili per collegarsi direttamente ad altri circuiti.

Il "pacchetto" formato dalla Uniboard e dall' alimentatore costituisce un insieme solido e stabile, che non occupa spazio inutile sul banco di lavoro, non richiede cavi di collegamento con alimentatori esterni e non ha alcun collegamento con la rete elettrica.
Basta connettere il tool di sviluppo (Pickit, RealIce, ecc.) e si può cominciare a lavorare in piena sicurezza, di svolgere lo sviluppo senza problemi di interferenze e disturbi, senza grovigli di cavi e in uno spazio limitatissimo accanto alla tastiera del PC.

La possibilità di ottenere tensioni stabilizzate tra 2 e 5.2V circa permette di collaudare ogni genere di applicazione e verificare la risposta del microcontroller e dei componenti nelle più diverse situazioni di alimentazione.

Altre applicazioni

UBS-12 è stato pensato non solo per alimentare Uniboard o breadboard, ma anche per essere facilmente integrabile su millefori, prototipi o realizzazioni di tutti i tipi dove serva una tensione autonoma compresa tra 2 e 5V.

Un altro impiego pratico è quello di generatore di 5V portatile per la ricarica di cellulari, lettori MP3, foto camere e altri apparati che solitamente sono ricaricati dalla porta USB. La possibilità di utilizzare ogni genere di batterie elimina il problemi di recuperare un tipo particolare di accumulatore in situazioni o luoghi dove questo sia problematico. Un semplice cavo adatterà l' uscita di UBS-12 con il plug USB richiesto.

Per chi non ha tempo o modo di realizzare da se l' alimentatore, UBS-12 è disponibile come prodotto finito o come kit con i componenti SMD premontati; oppure il solo circuito stampato.

Alimentatore autonomo 2-5V

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