I Raspberry Pi sono ottimi strumenti per lo sviluppo di tutte le fasi di progettazione, ma sono creati per attingere energia dalla porta micro USB, che è una fonte di alimentazione da 5 V relativamente precisa. Tutta la protezione in ingresso per la tua scheda ruota attorno all'energia fornita tramite quella porta USB.
Anche se si dispone di un ingresso a 5V ben regolato da connettere direttamente ai pin GPIO di terra a 5V, si aggirano importanti fattori di protezione, come fuso e diodo di protezione inversa. La soluzione migliore è rappresentata dall'alimentazione attraverso porta USB, ma non è possibile connettere semplicemente una batteria, visto che non abbiamo batterie a 5V. Di solito vengono utilizzate quattro batterie AA (oltre 6V quando completamente cariche), una batteria a 9V o due batterie a ioni di litio da 3,7 (7,4V). Nessuna di queste soluzioni è adatta a un Raspberry Pi. Come facciamo, quindi, a mantenerle a 5V? Di seguito, tre opzioni: buona, ottima e migliore.
Buona: un partitore del resistore.
Il metodo con partitore di resistore sfrutta il principio dei circuiti di base:
È possibile portare il Vout a 5V quando si conosce Vin e si selezionano correttamente R1 e R2. R1 e R2 possono avere qualunque valore, ma devono rispondere a: Vout/Vin = (r1)/(r1+r2). È bene sempre tenere presente che questo metodo disperde direttamente l'energia in eccesso sotto forma di calore, quindi conviene utilizzare una fonte di energia relativamente vicina a 5V, come quattro batterie AA (6V). Questo metodo disperde direttamente l'energia in eccesso sotto forma di calore, quindi conviene utilizzarlo per voltaggi vicini ai 5V. Un pacco di batterie AA (6V) andrebbero bene. Una batteria da 9V peggiorerebbe molto i livelli di efficienza.
Un'altra considerazione riguarda la classificazione potenza dei propri resistori. Una volta calcolati i valori della resistenza che si vuole utilizzare, occorre trovare resistori con classificazioni potenza sufficienti. Occorre ricordare che l'energia dispersa corrisponde alla corrente che scorre attraverso il resistore per la tensione in calo nel resistore. Ad esempio, se si desidera che il Vout sia 5V da un pacco di batterie a 6V, è possibile utilizzare resistori R1=100 e R2=20. Tutti numeri pari. Se si vuole fornire massimo 1A al Pi (il che dovrebbe essere consentito) e P=IV, l'energia attraverso R1 (il resistore top, che diventa calore) dovrebbe essere 1V*1A = 1W. Non è impossibile trovare un resistore a 1W 100ohm, ma produrrebbe comunque molto calore. In questo caso, se si stava provando a passare da 9 a 5V, si perdono 4W a 1A. Si produrrà molto calore e il resistore sarà più costoso.
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La scarica
Vantaggi: facile ed economica.
Svantaggi: Spreca molta elettricità e, se eseguita in modo scorretto, può provocare incendi. Il rapporto del resistore, inoltre, è statico, mentre la tensione della batteria cala quando la stessa si scarica, e con esso cala anche la tensione d'uscita. Occorre ricordare che i partitori del resistore non sono progettati per fornire corrente al Vout, quindi se si cerca di dare maggiore potenza al Pi i calcoli devono adeguarsi.
Ottimo: Un regolatore lineare (LDO).
Un regolatore LDO (low drop out) è un regolatore lineare progettato per mantenere la tensione di uscita ai livelli desiderati, anche quando la tensione in entrata si avvicina a quella di uscita. Quindi, mentre un regolatore standard potrebbe essere in grado di fornire 5V se la tensione in entrata è maggiore di 6V, un LDO è in grado di fornire 5V anche se la tensione in entrata è di soli 5,25V. Si tratta dello stesso concetto, comunicato tramite diverse strategie di marketing.
Molte schede amatoriali utilizzano delle versioni del regolatore lineare 1117, non senza una ragione. Il 1117 garantisce un'uscita a 5V costante fino a 1,3A da tensioni in entrata fino a 15V. È economico e viene venduto in un formato a buchi, per essere connesso direttamente alla breadboard. Se si aggiungono due condensatori (uno in entrata e uno in uscita), si ha un'uscita a tensione costante, anche se la tensione della batteria cambia. Un regolatore lineare, però, e solo un partitore di revisore molto apprezzato ed è progettato per regolare le tensioni simili alla tensione di uscita desiderata. È leggermente più efficace dei resistori a 4W di cui si è parlato in precedenza, ma brucia molto calore, se si passa da 9 a 5V.
La scarica:
Pro: È economica, facile e la tensione di uscita non cambia quando la batteria si scarica.
Contro: È molto poco efficiente e necessita di gestione del calore.
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Migliore: Convertitore di potenza CC/CC
Il modo più efficiente per alimentare il proprio Pi consiste nell'utilizzare un regolatore di commutazione. Prossimamente daremo maggiori informazioni su come progettare il proprio circuito, ma per il momento è possibile utilizzare un modulo CC/CC già pronto, come il CC6-1205SF-E di TDK-Lambda. Questo modulo non richiede componenti esterni, si connette direttamente alla breadboard e garantisce efficienza intorno all'80%, contro il 50% o meno dei metodi meno evoluti.
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CC6-1205SF-E
TDK-Lambda Americas Convertitore da DC a DC e modulo di regolazione della commutazione Visualizza
La scarica:
Pro: È efficiente, non ha componenti esterni ed è una soluzione davvero pronta all'uso.
Contro: È la soluzione più costosa.
Se non si sa come ottenere 5V regolati nella porta USB, basta comprare un cavo micro USB come il 687840002 di Molex, tagliare l'estremità non-micro e connettere i propri 5V ai giusti cavi di terra ed elettrici. Gli altri cavi possono rimanere sconnessi e senza guaina.
Se si desidera alimentare il proprio Pi a batteria, esistono due opzioni. È possibile alimentare il proprio progetto ovunque, a patto di scegliere il metodo migliore e prendere le dovute precauzioni.