Abbiamo visto come sia possibile alimentare un raspberry PI a batteria. Oggi impareremo a calcolare i parametri necessari per il progetto.

Il Raspberry PI è un single board computer particolarmente versatile, si presta al pilotaggio di apparati esterni tramite GPIO, può essere programmato in C o in Python, funziona con un sistema operativo gratuito completo a 32 o 64 bit basato su Linux, ed ha un fattore di forma che ne implica la portabilità.

Purtroppo, però, come tutti i computer fissi ha il vincolo dell’alimentazione. Il Raspbrry PI ad esempio richiede un alimentatore specifico da 5V in corrente continua, in grado di erogare 3.1A di corrente per garantirne il funzionamento a pieno regime. Allora come possiamo coniugare l’implicita versatilità di questo SBC con la trasportabilità?

Efficienza e consumi

Abbiamo detto che il PI 4 consuma oltre 7W a pieno regime. Questo però non significa che il nostro beniamino sia così esoso di energia: Un Raspberry PI 4 che non usi il wifi, non usi il bluetooth, e non abbia un monitor collegato, consuma molto poco, ntorno ai 700mA. Il problema è che un sistema del genere non ha in pratica alcuna utilità.

Se invece usassimo un Raspbrry PI Zero W per le nostre attività, avremmo un SBC con un sistema operativo (e capacità) equivalenti al PI 4, ma con consumi decisamente inferiori:

• 100 mA: funzionamento normale, senza periferiche connesse e con connessioni wireless spente
• 160 mA: con connettività Bluetooth attiva
• 170 mA: Con Wifi Attivo
• 230 mA: Con modulo camera connesso e attivo in cattura video

A questo aggiungiamo che un sistema per la raccolta di informazioni in genere si “attiva” tipicamente un numero limitato di volte al giorno, e per un periodo di tempo piuttosto breve (il tempo, appunto, di acquisire i dati dai sensori). Con le batterie collegate, è possibile configurare un server web per i sensori in un campo aperto, applicare l’apprendimento automatico a una TVCC o persino controllare gli attuatori da qualsiasi punto della casa. L’unico inconveniente nell’uso delle batterie è che occorre iniziare a pensare al consumo energetico. Ma questo è gestibile.

Facciamo due conti

Il Raspberry Pi Zero consuma decisamente meno energia rispetto al Raspberry Pi 4B. Per dimostrare, convertiamo queste valutazioni correnti in termini di durata della batteria.

Supponiamo di avere una singola batteria al litio cilindrica 18650 con capacità di 2200 mAh. Quanto tempo durerebbe un Raspberry Pi 4B?

Per ottenerela durata della batteria, dividiamo 2200 mAh per l’amperaggio del Raspberry Pi 4B.

Capacità batteria / Corrente assorbita = 2200 mAh / 1250 mA = 1 ora e 45 minuti

Un’ora e 45 minuti di tempo operativo non rappresenta dcisamente una opzione valida per un device portatile. Tuttavia, se collegassimo un Raspberry PI Zero W, i risultati sarebbero molto più incoraggianti:

Capacità batteria / Corrente assorbita = 2200 mAh / 170 mA = circa 13 ore!

Attenzione: il calcolo appena visto è valido per una singola batteria al litio, quindi abbiamo un ampio margine di miglioramento. È possibile aggiungere più batterie in parallelo per prolungare la durata della batteria. Inoltre, la corrente nominale è la media del datasheet. Le letture attuali effettive possono variare a seconda dell’attività e delle periferiche del Raspberry Pi.+

Ricordiamo infine che circuiti del genere hanno una capacità di erogazione in corrente ben definita: occorre fare attenzione a non superare i limiti descritti sul datasheet dei componenti.

Capacità delle batterie

Forti dell’equazione appena scoperta, possiamo formulare una stima approssimativa della durata della batteria del nostro dispositivo. Ad esempio, con una batteria da 1000 mAh, il dispositivo con una corrente nominale di 1000 mA sarà attivo per un’ora. Allo stesso modo, con un power bank da 40.000 mAh, che è essenzialmente costituito da batterie al litio in parallelo, il dispositivo da 4 A sarà attivo per dieci ore, e un dispositivo da 1 A per 40 ore. Dipende davvero dalle esigenze della nostra applicazione.

Convertitori DC-DC

Tutti i nostri calcoli presumono che le batterie siano collegate direttamente a un Raspberry Pi, il che non rappresenta una best-practice. Alimentando con una batteria, occorre disporre di un convertitore DC/DC per convertire la tensione della batteria da 3,7 V in una tensione Raspberry Pi da 5 V, il che significa che è anche necessario considerare l’efficienza del convertitore. L’efficienza influisce sulla durata della batteria come un moltiplicatore, come dichiarato nelle schede tecniche.

Controllo di carica della batteria

Infine, utilizzando il Pi con una batteria ricaricabile, bisogna disporre di un controller di carica della batteria. I controller di carica, a volte chiamati BMS (Battery Management System, o sistema di gestione della batteria), regolano la corrente e la tensione in ingresso alle batterie. Sono anche utilizzati per prevenire il sovraccarico, come monitor di corrente, blocco per sottotensione, ricarica automatica, ecc. In parole povere, consentono di caricare le batterie al litio in modo sicuro, prolungando la durata della batteria.

Possibili soluzioni

Una volta scelto il Pi appropriato, la dimensione della batteria corretta, un convertitore DC-DC e un controller di carica della batteria, possiamo ora procedere alle possibili configurazioni del circuito.

Ci sono tre configurazioni tipicamente usate per questo lavoro. La prima è la configurazione minima.

 

Questa configurazione è ottima per i test. Ideale per provare il sistema per alcuni minuti e osservare se funziona. Tuttavia, non non è assolutamente il caso di utilizzarla come soluzione permanente. Questo progetto infatti prevede il coollegamento di 3,7 V al pin 5 V. Quando il livello della batteria scende a 3,3 V, il Pi si spegne anche se la batteria non è completamente esaurita. Inoltre durante la fase di ricarica è necessario scollegare il Raspberry Pi dalla batteria, ragione in più per non utilizzarlo se non in fase di test, magari su di una breadboard.

Per evitare questo problema è necessario disporre di un convertitore DC/DC che porti i 3,7 V della batteria a 5 V standard. Utilizziamo l’uscita del regolatore di carica. Colleghiamo la batteria all’ingresso del convertitore (attraverso il regolatore) e l’uscita al pin 5V del Pi. Con questa configurazione la gestione della carica delle batterie è demandata al convretitore. Inoltre, non è necessario scollegare le batterie ogni volta che si carica grazie ai circuiti integrati dei convertitori DC/DC.

 

L’ultima configurazione utilizza un modulo power boost (ad esempio quello di Adafruit). Questo modulo funziona come un controller di carica della batteria e un convertitore DC/DC in uno. Non è necessario disporre di connessioni separate. Basta collegare una batteria LiIon/LiPoly da 3,7 V oer avere un’uscita a 5 V costante e una ricarica USB regolata.

Considerazioni finali

Come sempre accade in questi casi, per avere maggiore sicurezza e flessibilità occorre investire, ma almeno il risultato è garantito. Ricordiamo che lavorare con le batterie ricaricabili è potenzialmente rischioso, e coviene sempre spendere qualche euro in più utilizzando materiale certo e garantito. Ripetiamo di fare attenzione alle caratteristiche di targa dei circuiti adottati e di non superare i consumi di corrente per i quali tali oggetti sono configurati.

Link utili:

• Raspberry PI Zero W
• Convertitore 3.7V DC – 5V DC
• Regolatore di carica
• Adafruit Powerboost 1000C
• Batteria LiIon 18650
• Batteria LiPO 1000 mAh/3.7V

(Questo articolo è stato tradotto, sviluppato ed esteso a partire da questo).