ElettroTanica per operare in "/P"

Operare una stazione radio portatile presuppone l'accettare una serie di compromessi determinati dall'esigenza di contenere peso, ingombro e consumo delle apparecchiature che verosimilmente dovranno essere riposte in uno zaino, borsa o altro contenitore destinato ad essere trasportato. Così si spiegano potenze ridotte, antenne dalla foggia improbabile purchè leggere, radio miniaturizzate ed altre soluzioni appositamente ottimizzate. Questo progetto nasce dall'esigenza di superare l'autonomia delle batterie a corredo dei nostri preziosi apparecchietti, magari non più così prestanti dopo qualche anno di battaglie. In particolare la necessità che mi ha spinto a sviluppare la elettrotanica era quella di alimentare, oltre al portatile VHF, un ricevitore GPS per costituire una stazione APRS. Ma, ad esempio, è possibile collegare una presa USB all'uscita dei 5V per realizzare una sorta di "Minty Boost all' eritropoietina" col quale ricaricare il cellulare, alimentare a banco i circuiti in fase di test, oppure gli altoparlanti amplificati per l'mp3....


Le principali caratteristiche si possono riassumere in:
Costruzione

In sè il progetto è piuttosto semplice e fa parte della categoria che chiamo "scacciapensieri", in quanto di sicuro funzionamento e poco impegnativo. Tuttavia ha ambizioni didattiche (un ripassino sull'uso dei componenti discreti in tempi di tecnologie sofisticate) nonchè ecologiche: sto pensando di applicare una targhetta "Per la realizzazione di questo apparecchio sono stati utilizzati esclusivamente componenti riciclati e destinati alla discarica.". La parte elettronica vera e propria è costituita dai circuiti di ricarica della batteria e di regolazione dei 5V, montati su una unica basetta che trova posto nel contenitore a lato della batteria e che possono essere realizzati anche separatamente; la restante parte del progetto non è altro che una serie di cablaggi e connettori da adattare alle proprie esigenze.


Premetto che lo schema è il risultato di un collage di soluzioni circuitali ampiamente collaudate e non certo ideate allo scopo. Ma ecco come funziona. La prima sezione, costituita da D1, D3, C1 e C2 forma un filtro di ingresso per ripulire l' alimentazione esterna da "spikes" di tensione, magari negativi, prodotti ad esempio dall'impianto elettrico dell'auto. La soluzione proposta consente di collegare anche fonti di alimentazione in corrente alternata; in questo caso verrà sfruttata una sola semionda. Il circuito di carica si sviluppa attorno a U1, un LM317, regolato dal trimmer V1 per fornire una tensione costante. Per una batteria al piombo-gel un buon valore di taratura è di circa 7.1-7.2 volt da misurarsi sui morsetti a carica completata. Occorre però limitare la corrente di carica ad un valore che non danneggi la batteria o il circuito: di questo si occupano R3, Q2, R2, R4 e Q1. Con l'aumentare della corrente che scorre nella R3 si raggiunge la soglia di conduzione di Q2, che polarizza Q1 che a sua volta abbassa la tensione sul piedino di controllo di U1, diminuendo la tensione in uscita e dunque la corrente di carica della batteria. Il diodo D5 impedisce che durante l'utilizzo la batteria si scarichi sui componenti del regolatore. La sezione di destra dello schema costituisce un regolatore di tensione a basso dropout, cioè in grado di lavorare anche con differenze minime di tensione fra ingresso e uscita. Il led D101, meglio se rosso a causa delle caratteristiche elettriche più adatte al lavoro che deve svolgere, funziona quasi come uno zener, creando un riferimento di circa 1.9 volt sostanzialmente costanti, che sono applicati al collettore di Q102. La sua base è polarizzata dal partitore resistivo composto da R102, V101 e R103 e dunque è direttamente proporzionale alla tensione di uscita del circuito. Se questa si abbassa tanto da mandare in conduzione Q102, questi a sua volta polarizza Q101 che "prelevando" corrente dalla base di Q104 ne aumenta la conduzione riportando in equilibrio il circuito. Una ulteriore sezione dello schema, costituita da R101 e Q103, forma un limitatore della corrente erogata: similmente a quanto già detto per il regolatore di carica, se la corrente che scorre in R101 raggiunge il valore tale da provocare una caduta di tensione sufficiente ad attivare Q103, questi toglierà polarizzazione a Q104, facendo diminuire tensione e corrente sul carico.

Il circuito stampato
La elettrotanica deve avere una ragionevole solidità meccanica, resistere a urti e vibrazioni in modo da poter essere sballottata a cuor leggero. Quindi ho optato per il montaggio della parte elettronica su basetta ramata, anche se realizzata a pennarello dal momento che la densità dei componenti lo consente. Ecco dunque il master predisposto:


Disposizione dei componenti


I morsetti denominati P1 sono da collegare alla fonte di alimentazione esterna, la batteria sarà collegata a P2 (con interposizione di interruttore e fusibile) mentre a P3 sarà collegata l'uscita a 5V verso i dispositivi esterni.

Dimensionamento e considerazioni
I parametri modificabili sono: tipo e capacità dell'accumulatore, massima corrente di carica e massima corrente erogata a 5V. Per quanto riguarda la batteria ho usato una piombo-gel da 6V/4Ah perchè già disponibile, in effetti è un po' sovradimensionata. Poco male? Non esattamente, visto che pesa come un incudine. Per il mio utilizzo sarebbe bastata una più piccola, da 2Ah o poco meno. Il circuito di carica a tensione costante e corrente limitata mi sembra piuttosto adatto anche alla ricarica di un paio di celle Li-ion, regolando per una tensione di circa 4.2 volt per cella. Ad essere precisi a quel punto bisognerebbe però implementare un circuitino che suddivida esattamente la tensione sulle due celle. Vantaggi: grande risparmio di peso in rapporto alla capacità. Svantaggi: costo, disponibilità, autoscarica maggiore rispetto alle Pb-gel. I componenti che determinano la limitazione di corrente sono, come detto, R3 e R101. Sono dimensionate con la formula R = 0.7/Ir, dove Ir sta per corrente regolata, 0.7 è la soglia di conduzione di Q2/Q103. Con il valore indicato nello schema si ha l'intervento delle protezioni a circa 580 mA; occorre verificare la dissipazione termica di U1 e Q104 ed eventualmente intervenire secondo necesità. Per il mio specifico utilizzo ho montato due resistenze da 2.2 ohm, che si traducono in poco più di 300 mA. Valore quasi ottimale per la ricarica della batteria, abbondante per l'alimentazione del GPS (circa 40 mA) o di TNC/modem (decine di mA). Qualche considerazione su Q104: deve reggere la corrente del carico ed avere un guadagno accettabile. Infatti la corrente di polarizzazione scorre verso massa ed è a tutti gli effetti energia sprecata. Un transistor con elevato guadagno avrà bisogno di una corrente di base molto piccola rispetto a quella di collettore, facendoci sfruttare quasi tutti i mAh della nostra batteria. Spesso i PNP di potenza hanno un Hfe che non supera il 10, quindi meglio un transistor di media potenza con Hfe di almeno 50, meglio se ancora maggiore. Un parametro piuttosto importante è il valore di Vcesat, che deve essere basso. Infatti per garantire i 5 volt sul carico, considerata una caduta di tensione media di 0.3 volt su R101 e la tensione di batteria di 6 volt, rimangono a disposizione solo 0.7 volt, valore massimo di Vcesat che Q104 puo' avere oltre il quale il circuito non riesce più a regolare la tensione in uscita. Un valore medio per i transistor più comuni è di 0.5 volt, io nel cassetto ho trovato un BD430 che ha una Ic di 2 A e una Vcesat a 1A di solo 0.2 volt. Hfe misurato: 96.Sembra fatto apposta!


I rimanenti transistor sono generici di bassa potenza, i tipi indicati sono solo un riferimento. Nella realizzazione ho usato modelli con sigle industriali sconosciute, che il provatransistor mi ha determinato come dispositivi al silicio e, ovviamente, funzionanti. I diodi impiegati sono da 1A massimo, i classici della serie 1N400x. La verifica della dissipazione di calore riguarda R3, R101, U1 e Q104. Per le resistenze, con i valori indicati nello schema, avremo la dissipazione di (I x I x R) = 0.58 x 0.58 x 1.2 = 0.4 W, quindi è il caso di usare componenti da 1W. Q104 non necessita di particolari attenzioni, dissipando,a batteria completamente carica o in carica, una potenza pari a (Vin -Vr101-Vout) x I = (7.2 - 0.6 - 5) x 0.58 = 0.9 W. E' stata considerata la condizione puù sfavorevole, quindi nell'utilizzo normale non ci sarà bisogno di dissipatori. U1 invece, considerando una alimentazione esterna di 13.8V, dissipa nelle peggiori condizioni,cioè "a limitatore" e batteria completamente scarica, (Vin - Vd1 - Vr3 - Vout) x I = (13.8 - 0.6 - 0.6 - 6) x 0.58 = 3.82 W, che impongono il montaggio di una aletta in alluminio o il suo fissaggio alla scatola della elettrotanica, se metallica. E' pur vero che il LM317 è protetto termicamente e che a 150°C si "siede", ma avere componenti arroventati in giro non mi lascia tranquillo, senza contare che simili atti di sadismo su ciarpame elettronico altrimenti destinato ad un sereno riposo in discarica sono da condannare categoricamente. Ecco come si presenta la basetta fresca di collaudo.


Una scatola delle giuste dimensioni, trapano e lime....
Il primo utilizzo reale, la ricarica del lettore mp3...


Ed ecco la stazione APRS, pronta a finire in uno zainetto monospalla.


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