Il rinfresca-pile USB

Manteniamo fresche le pile ricaricabili

Le prestazioni delle pile ricaricabili sono migliorate significativamente nel corso degli anni. I primi elementi formato stilo al nickel-cadmio avevano capacità di 4-500mAh, aumentate nel tempo fino a 8-900. L'avvento della tecnologia nickel-metallo idruro ha portato la capacità per elemento a 2700-2800 mAh (reali o presunti) tuttavia queste ultime hanno una autoscarica non proprio trascurabile, tanto che, se utilizzate saltuariamente, quando servono sono regolarmente scariche. L'idea mi è venuta mentre ero in coda alla cassa del ferramenta. Accanto avevo un espositore di pile ricaricabili, disposte in blister da quattro con una scritta "pronte all'uso". Il blister in questione ha due lamelle metalliche; quando inserito in una delle fessure dell'espositore, un circuito mantiene la carica delle pile, probabilmente facendovi scorrere qualche mA a compensare il normale processo di autoscarica. Un led verde segnala la presenza del blister nella fessura. Nonostante le innumerevoli soluzioni disponibili in commercio, probabilmente migliori di questa, ho deciso di costruire un aggeggio adatto a mantenere la carica degli elementi. Allo scopo ho previsto di utilizzare una presa USB del computer: funzionamento discontinuo giornaliero o quasi, da pochi minuti a qualche ora. La tensione disponibile sulla presa USB è di 5 volt, con corrente limitata a circa 500 mA, più che sufficienti allo scopo. Mi sono anche imposto di riciclare tutto l'occorrente o quasi dal cassetto dei componenti recuperati, cercando una soluzione minimale, modulare, pratica; alla fine sono giunto a questo risultato.


Lo schema rappresentato è nella versione per due elementi tipo ministilo ed è composto da due sezioni identiche ed indipendenti. Il circuito può essere espanso aggiungendo altre sezioni, limitate solo dall'assorbimento massimo complessivo che non deve superare i 500mA. In questo modo è possibile mantenere in carica una o più pile, ovviando nel contempo al limite dei 5 volt forniti dalla USB che non permetterebbero la carica di più elementi in serie fra loro.. Ciascuna sezione non è altro che un regolatore a corrente costante unito ad un circuito di segnalazione del funzionamento. Considerando la sezione a sinistra, il transistor Q1 è portato in conduzione dalla resistenza di polarizzazione R2; la corrente di emettitore attraversa R1, D2 e la pila connessa ai terminali a+ e a-. R1 ha la funzione di impostare la corrente regolata: quando la differenza di potenziale ai suoi capi raggiunge la soglia di conduzione della giunzione b-e di Q2, questo comincia a sottrarre polarizzazione a Q1, così che la corrente regolata rimane costante. Il valore di R1 si determina con la formula R=0.7/Ir, dove Ir sta per corrente regolata. Con 12 ohm si ottengono circa 55 mA. A completare il circuito rimane la parte relativa al led di segnalazione. Quando una pila è inserita nel circuito, la tensione sulla base di Q1 è più bassa rispetto a quella di alimentazione di quel tanto che basta a portare in conduzione Q3, accendendo il led connesso al suo collettore. In questo modo l'attivazione del led conferma non tanto l'accensione del circuito, ma l'effettivo passaggio di corrente attraverso la pila. Eventuali falsi contatti del portapile sono dunque visualizzati a colpo d'occhio. Quando la fonte di alimentazione viene spenta, il diodo D2 impedisce la scarica della pila attraverso il circuito. Per l'utilizzo proposto, è bene dimensionare la corrente di ricarica ad un valore tale da compensare "comodamente" l'autoscarica, ma senza raggiungere valori così alti da rovinare la pila in caso di uso prolungato. Dai dati in mio possesso risulta che un elemento ricaricabile Ni/Cd o Ni/Mh può sopportare senza danni a tempo indefinito una corrente di ricarica fino a circa un ventesimo della capacità nominale; considerato l'uso intermittente di una o due ore al giorno questo limite è largamente rispettato. Quindi con 50mA posso mantenere "fresche" pile da 1000 mAh in su; attualmente ho regolato il circuito a 40 mA per elementi ministilo da 800 mAh. Forse lo espanderò per ospitare altri elementi tipo stilo, magari con una corrente un po' più alta per gestire quelli da 2300 mAh.
Componenti
Trattare qualche decina di mA in corrente continua consente l'uso di qualunque transistor bipolare, con l'unica attenzione dovuta alla piedinatura e, ovviamente, alla tipologia NPN o PNP. Alzando la corrente oltre i 70-80 mA conviene adottare per Q1 qualcosa di appena più robusto, ad esempio il BC337. Se la corrente effettivamente erogata è inferiore alle attese significa che il transistor scelto per Q1 ha un guadagno troppo basso; in questo caso occorre ridurre il valore di R2 a 1800-1500 ohm per polarizzare quanto basta il transistor. Per quanto riguarda la disposizione ho preparato un layout grande come la sagoma di una ministilo e con due "rails" di alimentazione che permettono di realizzare una piastra grande quanto il portapile che ci interessa replicando a piacimento il modulo base.
Lato rame Disposizione componenti
La rev. 1.0


"...armoniosamente inserita in un sontuoso contenitore che comprende un avvolgicavo integrato..." va be' non esageriamo. Ecco il primo prototipo, adatto a due ministilo. D2 e D12 sono montati sotto la millefori, aggiunti in un secondo tempo. Un'altra possibile soluzione potrebbe seere quella di addossare il circuito a un hub USB, che in questo modo avrebbe un doppio utilizzo. Ho constatato, contro ogni aspettativa, che in mancanza di alimentazione e con pila inserita la giunzione base-collettore di Q2 è polarizzata direttamente, quindi la pila si scarica da qualche parte, forse sul ramo Q3-R3-D1, forse all'interno del pc attraverso R2. Ad evitare ogni rischio ho ritoccato lo schema e inserito i diodi D2-D12.


I portapile comunemente reperibili sono predisposti per il collegamento in serie degli elementi, che comporta l'inserimento alternato degli stessi (positivo in alto-positivo in basso-positivo in alto ecc.). Per questo utilizzo volevo che le pile fossero allineate nello stesso verso, quindi ho riposizionato opportunamente le placchette di contatto in alto (polo positivo) e le molle in basso (polo negativo) saldandovi i fili che si collegano al circuito regolatore. All done.


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