lunedì 20 aprile 2015

Le insidie dell'alimentazione a 5V

La grande maggioranza delle schede embedded oggi disponibili per gli utilizzi più disparati offrono la possibilità di essere alimentate a 5V tramite l'ubiquitoso connettore microUSB, il quale sta inesorabilmente diventando uno standard per le interfacce dati ed alimentazione dei dispositivi più diffusi e popolari. Basti pensare al Raspberry, ad Arietta e ad Arduino, per citare solo i più noti.

Questa circostanza appare una buona opportunità progettuale per le realizzazioni basate su tali schede in quanto offre senza onere la possibilità di usare uno qualunque degli alimentatori e caricabatterie disponibili per casa senza dover dipendere da un solo tipo e modello, ovvero di poter tralasciare in fase di progetto il particolare alimentatore da utilizzare, perchè tanto un alimentatore a 5V con microUSB si trova... E' invece necessario ricordare che l'alimentazione è un aspetto importante dei progetti ed eccessive semplificazioni portano a volte brutte sorprese. Ci sono passato proprio ultimamente...

Questo post viene dopo diverse settimane di lotta con una scheda a relè che sto costruendo per sperimentare end-2-end il progetto di un controllo remoto via web.

Due sono i rischi che si corrono considerando l'alimentazione a 5V con microUSB una scelta facile e scontata.
Il primo riguarda la qualità dell'alimentatore. Ormai gli alimentatori a 5V con microUSB sono diffusissimi sui banchi dei più piccoli mercatini di cineserie ed hanno forme e prezzi che sembra davvero si possano comprare al chilo. E' proprio questa grande diffusione di oggetti prodotti con scarsa attenzione alla qualità a costituire un rischio. 
Per prima cosa nella grande maggioranza dei casi i dati di etichetta sono imprecisi (a voler essere buoni) e comunque non riferiti a condizioni standard di misura delle prestazioni.
Per esempio, io personalmente considero la corrente erogabile a 5V il 20% in meno rispetto a quanto leggo sull'etichetta made in China. Ma non basta. Tale misera etichetta non dice qual è l'ampiezza del ripple a 50Hz (o ad altra frequenza nel caso degli switching) presente sulla tensione al variare del carico. E probabilmente in molti casi non lo sa nemmeno il produttore stesso per il quale la qualità non è stata certo una priorità.
Il ripple in molti casi non è un problema per il microcontrollore utilizzato nel progetto, sicuramente progettato con una buona robustezza rispetto all'alimentazione, ma potrebbe esserlo per altri dispositivi utilizzati nel circuito.
In particolare i sensori sono molto esposti ad interferenze provenienti dall'alimentazione in quanto spesso i fenomeni elettrici utilizzati per la trasduzione o per attivare determinati stati di attivazione sono definiti in condizioni di stabilità dell'alimentazione. La presenza di segnali estranei provenienti dall'alimentazione possono comprometterne l'affidabilità.

Altro rischio importante è l'interazione, all'interno del circuito, tra elementi logici e commutazioni derivanti da servomotori, relè e altri elementi elettromeccanici tipicamente utilizzati per interagire con il mondo esterno.
La commutazione di elementi ad alta corrente possono provocare transienti all'interno dell'alimentatore "insufficiente" tali da causare transizioni logiche inattese e apparentemente inspiegabili; ciò perché si ha la tendenza psicologica di considerare l'alimentazione una continua perfetta.

E' proprio quanto è accaduto a me ultimamente, testando una scheda avente un relè da 10A controllato a 5V e un sensore PIR. La commutazione del relè richiedeva una corrente di attivazione di quasi 80mA. Utilizzavo un alimentatore a microUSB a 5V che riportava "2A" sulla sua etichette made in China. 2A mi sembravano una sicurezza. Il difetto riscontrato era che, al momento della disattivazione del relè, si instaurava inspiegabilmente un'ulteriore attivazione del sensore ad infrarossi che faceva scattare nuovamente il relè. In sostanza il relè prendeva a ciclare chiuso-aperto-chiuso senza fine.
L'indizio risolutivo l'ho avuto sostituendo la commutazione del relè con l'accensione di un LED. Utilizzando il LED lo strano fenomeno non avveniva! A quel punto ho capito che era qualcosa che aveva a che fare con la corrente commutata per attivare e disattivare il relè. Ho allora provato ad alimentare il sensore PIR con una sorgente differente dall'alimentatore a 5V (e cioè un preciso alimentatore da banco) e, voilà, il problema non c'era più. 

Perciò è necessario considerare al momento del progetto, se la sensibilità dei dispositivi e sensori coinvolti nel circuito possano richiedere soluzioni più complesse del solito alimentatorino a 5V.
In particolare l'introduzione di più linee di alimentazione, anche se tutte a 5V, può rendersi necessaria per separare il mondo digitale da quello elettromeccanico.

Pur apprezzando il trend di standardizzazione che ha generato la grande diffusione di questi alimentatori, mi sono reso conto che è sempre importante non farsi distrarre e porre molta attenzione a cosa alimenterà il nostro circuito e se davvero ci possiamo accontenare del primo che capita.

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