9V da una batteria ni-cd con carica USB

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Frugando ancora una volta in tutti i cassetti alla ricerca di una batteria 9V carica per un multimetro che si è spento nel momento del bisogno (come potrebbe essere altrimenti?), Ho pensato che sarebbe stato bello averne uno scatolone di queste batterie. Ho un sacco di piccole batterie ricaricabili in giro, di solito con una capacità di 100..500 mA / h. Ma non c’è molto a 9V, quanto consuma il tester? 5..10 mA con tale potenza fatica qualsiasi step up ad avere una efficienza reale decente.

Pensando, ho deciso di abbandonare il controller PWM e la stabilizzazione con protezioni, qualsiasi tensione tra 8V e 9,5V mi va bene per alimentare il multimetro, nella peggiore delle ipotesi vedrò la spia della batteria accesa. Dopo aver rovistato nella rete per trovare ispirazione per dei buoni circuiti ho avuto l’illuminazione un push-pull auto oscillante con un esiguo numero di giri degli avvolgimenti su un piccolo anello di ferrite. 

Adoro i circuiti push-pull! Bene, solo 3 componenti necessari e sufficienti.  Inoltre, negli schemi a ciclo singolo, gli anelli di ferrite non funzionano, è necessario un gap nel nucleo, senza il quale il nucleo stesso andrà immediatamente in saturazione. 

Lo schema è visibile qui,

Nel processo di fabbricazione, non ho potuto resistere agli esperimenti con diversi anelli e spire, in questi periodi di “arresti domiciliari” dovuti a epidemia il tempo è l’unica cosa che non manca, la conclusione è che tutto funziona, la differenza è solo nella frequenza operativa e nell’efficienza.

Anche il numero di giri non è critico, è importante solo mantenere il rapporto degli avvolgimenti I e II nella regione di 2,4 – 2,6 (per una tensione di ingresso di 3,7 V e un’uscita di 9,0 V). Il circuito funzionerà da un volt e mezzo, la tensione di uscita è impostata dal rapporto delle spire degli avvolgimenti.

Poiché la giunzione BE di ciascuno dei transistor funge da raddrizzatore, è necessario controllare nel manuale il parametro della massima tensione inversa per questa transizione – non tutti i transistor a bassa potenza lo faranno.  Ho preso il primo transistor che avevo nei cassetti BC328 (ne ho in quantità industriali acquistati alle fiere di media tra 1 e 3 cent a pezzo), ho ottenuto con una tensione emettitore di base massima di 5 V – nessun problema, se la transizione si interrompe, la rottura viene invertita nel diodo Zener e tutto funziona come dovrebbe.

È meglio scegliere un anello di ferrite delle dimensioni e permeabilità massime consentite: la frequenza del convertitore sarà inferiore, le perdite in ferrite saranno minori, l’efficienza sarà maggiore, l’interferenza diminuirà notevolmente. In quando è pur sempre un oscillatore. Per l’esperimento, ho costruito il trasformatore su un anello 10 x 7 x 3 mm (circa) quando le dimensioni sono minime è difficile essere precisi, ho avvolto 2 x 10 giri sul primario e 2 x 25 giri al secondario.

Acceso: funziona, la frequenza di conversione è di circa mezzo MHz. Ho inserito il circuito nella custodia di latta della pila ormai esaurita, ho acceso cosi il tester l’ho accesa non lontano dall’analizzatore di spettro e ho rilevato una portante con un livello basso alla frequenza di conversione e due armoniche ancora inferiori altro non era misurabile coperto dal rumore di fondo. Non c’era alcun segnale nella stanza accanto.

Quindi il diavolo non è così terribile come lo si descrive, ma è meglio prendere un anello più grande e abbassare la frequenza di funzionamento. Il circuito inizia a funzionare come previsto solo quando all’uscita c’è almeno un qualche tipo di carico, almeno 0,5 mA. In caso contrario, il convertitore non consuma quasi nulla. Ma c’è una particolarità.

Se si realizza un trasformatore su un piccolo anello con un piccolo numero di giri e una frequenza operativa di diverse centinaia di kilohertz, il circuito può persino accendersi senza carico, lavorare in autonomia, apparentemente a causa della microscopica corrente di dispersione (se il circuito non funziona, la tensione di ingresso meno la caduta alla giunzione dell’emettitore transistor) e avviato dalla corrente di carica della capacità di uscita.

Questo è un altro motivo per scegliere un anello più grande, con una frequenza di lavoro di 150 kHz, non ho riscontrato alcun problema. Una chiara accensione quando il carico è collegato e lo spegnimento spento quando disconnesso.

I punti che indicano l’inizio degli avvolgimenti non sono invano sullo schema. È più semplice avvolgere i due avvolgimenti primari e i due secondari con filo doppio, allora si collega l’inizio di uno con la fine dell’altro (punto medio) e voilà. Ma c’è una probabilità del 50% che il circuito non si avvii dalla prima accensione. 

Probabilmente sarò stato sfortunato io ma, la probabilità nel mio caso era nettamente maggiore!  Se c’è una tensione persistente in uscita, mezzo volt sotto quella d’ingresso vanno scambiati i terminali di uno degli avvolgimenti inizierà a funzionare.

Il condensatore di ingresso, e in particolare il condensatore di uscita, deve essere preso con una perdita minima. Sebbene sia possibile lasciare 0,1 microfarad di ceramica all’ingresso e all’uscita, in tutti i circuiti, i condensatori sono già all’ingresso dell’alimentazione ho preferito non rischiare ed ho messo l’elettrolitico.

Nel mio circuito, l’ondulazione con un carico di 6 mA era di circa 2 mV, non so se fosse solo un’ondulazione, e non qualche altra interferenza: tali piccole tensioni non sono visibili sul mio oscilloscopio antidiluviano. In questo periodo questo ho in casa, il mio laboratorio attrezzato con strumenti validi è per il momento off-limits troppo distante dalla mia abitazione e perciò irraggiungibile senza rischi per la salute mia e degli altri.

Il circuito ovviamente non tollera un cortocircuito dell’uscita, che è stato verificato in pratica da un corto casuale. Un paio di anime di BC328 cadute in battaglia sono volate nel loro paradiso.  Lo schema mostra altri quattro componenti, la batteria, due transistor anch’essi PNP, ormai avevo iniziato ad usare quelli perché cambiare! In ultimo una resistenza, tale circuito provvede alla ricarica della batteria con un numero minimo di componenti. 

Tale circuito è uno specchio di corrente, se ne trovano in gran quantità all’interno dei circuiti integrati analogici, è utile perché fa fare al transistor la funzione di resistenza variabile con un numero veramente ridotto di componenti.

Specchi di corrente (current mirror)

Questo circuito converte la corrente applicata al suo ingresso in una corrente assorbita, che sta in un preciso rapporto con la prima.

Nel circuito di principio dello specchio di corrente, illustrato nella versione con transistor PNP in figura, il transistor TR₁ è connesso come diodo (base e collettore cortocircuitati) ed è disposto ai capi della giunzione base-emettitore di TR₂

Una corrente di riferimento di ingresso

è applicata al BJT collegato come diodo (TR₁), determinando una tensione base-emettitore (V_BE1) adeguata a I_B1.

La tensione di base-emettitore (V_BE2) del transistor TR₂ viene forzata ad uguagliare V_BE1.

Relativamente al nodo N si ha:

IR =I_C1 + I_B1 + I_B2 .

Supponendo i due transistor identici, da 

V_BE1 = V_BE2

 ne discende che 

I_B1 = I_B2 e I_C1 = I_C2 = I₂,

e tenendo presente la relazione in zona di funzionamento lineare fra correnti di base e di collettore 

I_B = I_C/β  

si ha:

Nel caso in cui β >> 2, si ha:

Poiché la variazione di V_BE con la temperatura è generalmente piccola rispetto a V_CC, I₂ è sostanzialmente costante e dipende solo dai valori scelti per V_CC ed R.

Uno specchio di corrente costruito con transistor NPN funziona esattamente nello stesso modo, ma bisogna tenere presente che i versi delle correnti sono invertiti e che la sua uscita assorbe corrente e non si comporta da generatore di corrente.

Le caratteristiche più peculiari dello specchio di corrente sono la sua semplicità e il fatto che si richiede soltanto una caduta di tensione base-emettitore; in tal modo è possibile utilizzare per altri scopi la tensione disponibile rimanente. Visto che voglio ricaricarlo con i 5V provenienti da una uscita USB il circuito sembra ottimale, con la sola caduta di 0.7V ho sufficiente tensione per ricaricare la mia batteria da 3,6V nominali con una corrente costante di

I2 = (5-0,7) / 470 = 9mA

circa in maniera da poterla caricare la notte e se ho urgenza posso sempre usare lo strumento mentre è in carica. Il circuito di ricarica quando non è collegato alla presa USB semplicemente si isola dal circuito non assorbendo nessuna corrente.

Non ho realizzato uno stampato per questa applicazione, ho realizzato il tutto su un ritaglio di millefori da 22mm x 28mm con la batteria esterna ad essa, le dimensioni della batteria  in  altezza sono simili alle dimensioni dell’interno del guscio della batteria  da utilizzare. Un generoso strato di nastro per isolare il tutto e una colatina di colla a caldo rendono il tutto stabile e insensibile alle vibrazioni o urti.

Il cavetto usb che ho rubato ad un muse non più funzionante non arreca troppo fastidio. Il mio intento era quello di non modificare il multimetro, per il futuro vedrò se inserire una presa micro USB direttamente nella basettina SMD per eliminare anche il cavetto.

Mi riprometto di rifare il tutto in SMD in un prossimo futuro per replicare facilmente la basettina e avere più spazio disponibile utilizzando componenti più piccoli ad eccezione della bobina e della batteria che non possono essere rimpiccioliti. Per la situazione attuale mi accontento di avere un apparecchio funzionante e funzionale.

Saluti Amilcare