Come (e quando) realizzare un semplice partitore di tensione per utilizzare sensori con Arduino o Raspberry PI

Quando si utilizzano due dispositivi che funzionano a tensioni diverse, è necessario un modo semplice e rapido per passare da un livello di tensione a un altro.

Se ad esempio volessi utilizzare un microcontrollore Arduino (che funziona a cinque volt) e farlo interagire con un sensore accelerometro che funziona a 3,3 volt, avrei bisogno di un modo per convertire il segnale a cinque volt proveniente da Arduino in un segnale da 3,3 volt per il chip dell’accelerometro.

Molti dispositivi digitali funzionano a 5 o 3,3 volt. Pertanto è prassi comune il dover convertire tra tali livelli di tensione.

Quando si passa da una tensione più alta a una più bassa, realizzare un partitore di tensione con due resistori è spesso la soluzione più semplice. Tutto ciò di cui si ha bisogno è una coppia di resistori il cui rapporto trasformerà un ingresso a 5 volt fino a circa 3,3 volt.

In questo caso, il rapporto tra l’uscita 3,3 volt e l’ingresso cinque volt è di circa 2/3. Quindi, in base all’equazione del divisore di tensione, dovrò selezionare i resistori, in modo tale che R₂ diviso per R₁ + R₂ sia uguale a 2/3.

Ora, se creassi un partitore di tensione con un resistore da 1 ohm in alto e un resistore da due ohm in basso, questo ridimensionerebbe correttamente una tensione di ingresso di 5 volt da 2/3 a 3,3 volt. In pratica, però, l’uso di un resistore da 1 o 2 ohm produrrebbe il flusso di molta corrente, a causa dei piccoli valori ohmici scelti. Quindi, per questi tipi di applicazioni con partitori di tensione, di solito è meglio usare resistori nell’intervallo da 1 kohm a 10 kohm, perché non assorbano una corrente eccessiva.

Ricordiamo che per la Legge di Ohm, con un partitore composto da resistori da 1 ohm avremmo correnti di 3 Ampere, e potenze che i resistori dovrebbero dissipare dell’ordine di 15-20 W. Decisamente troppi per resistori classici da 1/4 o 1/8 di W.

Collegheremo invece due resistori da un kohm in serie per creare un resistore da due kohm. Avremo così raggiunto il medesimo rapporto di valori di resistenza di prima, ma con valori di resistenza molto più alti, quindi meno corrente scorrerà attraverso il partitore di tensione.

Il divisore di tensione è collegato a una fonte di alimentazione a 5 volt, che rappresenta il segnale a 5 volt che occorre ripartire. L’uscita del partitore di tensione è di circa 3,3 volt, che viene misurata attraverso i due resistori in serie che agiscono come una resistenza da due kohm.

Ci sono alcune cose da considerare quando si utilizza un partitore di tensione come variatore di livello.

Innanzi tutto, è possibile solo passare da una tensione più alta a una tensione più bassa. Se è necessario passare da 3,3 a 5 volt, ci sono altri circuiti che è possibile utilizzare, ma coinvolgono diodi o transistor. 

In secondo luogo, è necessario usare un divisore di tensione di questo tipo esclusivamente per segnali che usano una quantità abbastanza piccola di corrente, come i segnali di comunicazione tra dispositivi digitali che richiedono solo pochi milliampere. Non utilizzare un divisore di tensione per fornire energia a un dispositivo perché ciò richiederà al divisore di tensione di gestire quantità di corrente molto maggiori e di dissipare più energia.

Spesso i giovani maker hanno la brillante idea di poter prendere un adattatore da 12 volt e usare un paio di resistori per creare l’alimentatore da 5 volt di cui hanno bisogno per un progetto. Questo procedimento non funziona per diversi motivi.

Collegando un dispositivo al partitore di tensione significa collegare un carico elettrico con una certa quantità di resistenza interna. Il collegamento di quel carico al partitore di tensione crea un nuovo percorso potenziale per la corrente. Ciò modifica la resistenza del circuito e il rapporto del partitore di tensione, che quindi non emette più 5 volt.

Ma anche progettando il partitore di tensione per abbinare il carico specifico all’uscita di cinque volt, esiste un ulteriore problema. Il resistore superiore deve dissipare una potenza sufficiente a causare una caduta di tensione di sette volt, riducendo la tensione di ingresso da 12 volt a 5 volt, e lo fa creando calore. Tutta la corrente assorbita dal carico e dalla metà inferiore di questo divisore di tensione deve passare attraverso quel singolo resistore superiore.

Ad esempio, l’uso di questo circuito per alimentare qualcosa come un Raspberry Pi, che assorbe circa 400 milliampere di corrente, richiederebbe alla resistenza superiore per dissipare diversi watt di potenza. È molto inefficiente e brucerà rapidamente uno dei piccoli resistori da un quarto di watt che di solito si utilizzano. Se è necessario spostare la tensione di alimentazione in un circuito, è opportuno utilizzare un regolatore di tensione o un adattatore di commutazione. Questi dispositivi sono progettati specificamente per tale scopo e sono molto più efficienti di un semplice divisore di tensione.

Il partitore di tensione risulta invece ottimale per alimentare i sensori collegati ad Arduino, e in genere per pilotare segnali a basso livello di potenza.

 

Link utili:

• Arduino
• Multimetro digitale
• Breadboard e cavi di collegamento
• Resistori da 1 kohm