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sábado, abril 01, 2017

Raspberry Pi Trasplante de Regulador de Voltaje (Hard Mod)


Si bien es cierto que para una gran cantidad de aplicaciones alimentamos nuestra placa Raspberry Pi con un adaptador de pared, otros usos podrían requerir de una fuente de alimentación portátil a baterías, como por ejemplo: Construyendo Nuestro Propio Pi(rate)Box Desde Cero.
Lamentablemente el circuito de la fuente de alimentación de la placa Raspberry Pi utiliza un regulador de tensión lineal para la línea de alimentación principal de 3.3V. El regulador de tensión en cuestión es un SE8117T33 fabricado por Seaward Electronics Inc., el cual, si bien es de alto rendimiento, por sus características lineales desperdicia aproximadamente un 30% de energía la cual disipa en forma de calor. Este porcentaje puede parecer despreciable si la placa Raspberry Pi es alimentada utilizando un adaptador de pared, pero cuando se trata de baterías, este porcentaje no es para nada insignificante. Para incrementar la autonomía utilizando baterías, sustituiremos el regulador de tensión lineal por un regulador de tensión switching.
Sin más preámbulos procederemos a analizar las características eléctricas del regulador de tensión original de la placa Raspberry Pi encontradas en la hoja de datos provista por el fabricante.
Características principales del regulador de voltaje SE8117T33:
  • Voltaje de Entrada: 9V (Máx.)
  • Voltaje de Salida: 3.3V
  • Corriente Máxima: 1A
Conociendo estos datos, buscaremos un módulo regulador switching de características iguales o superiores para alimentar correctamente nuestra placa. En el mercado existe una gran cantidad de módulos switching de diversos fabricantes que pueden satisfacer nuestros requerimientos, como por ejemplo, el módulo D24V6ALV de la Casa Pololu, que si bien provee una corriente de salida máxima de 600mA, es suficiente para nuestro propósito. En particular, no me fué posible encontrar dicho módulo dada la actual escasez de componentes electrónicos importados en mi país. Sin desistir de la búsqueda, conseguí mediante un importador local un módulo genérico de procedencia China, rotulado “DSN-MINI-360”, cuyas características eléctricas se detallan a continuación:
Características principales del módulo regulador switching DSN-MINI-360:
  • Voltaje de Entrada: 4.75V – 23V
  • Voltaje de Salida: 1.0V – 17V (Ajustable)
  • Corriente Máxima: 1.8A
  • Eficiencia: 96%
Como podemos observar, las características satisfacen perfectamente nuestros requerimientos, y con una eficiencia del 96% sólo tenemos una pérdida del 4% en contraste con el 30% del regulador de tensión lineal original, obteniendo así una mejora del 26%.
El módulo regulador switching DSN-MINI-360 se observa en las siguientes imágenes:
A continuación debemos soldar al módulo switching los 3 cables de conexión en los lugares correspondientes:
  • IN+ –> Entrada (+) [5V]
  • IN- –> GND (-) [Común a Entrada/Salida]
  • OUT+ –> Salida (+) [3.3V]
En la siguiente imagen se observa el resultado de este proceso:
Habiendo realizado exitosamente el paso anterior, ahora debemos ajustar la tensión de salida del módulo a un voltaje de 3.3V, la misma tensión de salida del regulador de voltaje original de la placa. Conectaremos el módulo switching a una fuente de alimentación cuyo voltaje de salida sea 5V, respetando el esquema de conexiones detallado anteriormente. Con el multímetro ajustado en la escala apropiada, comenzaremos a ajustar el trimpot ayudándonos con un destornillador de precisión hasta obtener el voltaje deseado en la salida. NO DEBE EXCEDER 3.3V!!!
IMPORTANTE: el ajuste de la tensión de salida del módulo switching debe realizarse ANTES de ser conectado a la placa Raspberry Pi. Una tensión de alimentación mayor a 3.3V causará daños irreparables en la placa.
Llegados a este punto, ya tenemos el módulo switching listo para ser instalado como reemplazo del regulador de voltaje original. La etapa siguiente probablemente sea las más crítica (y emocionante) de todo el proceso, que consiste en remover el regulador de voltaje original e instalar el módulo switching como reemplazo del mismo.
Antes de remover el regulador de voltaje SE8117T33, debemos verificar el pinout del mismo para identificar los puntos de conexión de nuestro módulo switching. El pinout se observa en la siguiente imagen:
Luego, buscamos el regulador de voltaje original en la placa Raspberry Pi y en su correspondiente diagrama esquemático para identificar correctamente los puntos de conexión:
Para remover el regulador de tensión original, emplearemos una estación de soldado SMD con aire caliente, en particular he utilizado la estación HONY 908 con excelentes resultados.
Con extremo cuidado calentaremos el componente hasta que sea posible extraerlo de la placa con la ayuda de una brusela antiestática. Debemos asegurarnos de calentar lo suficiente el componente ya que de lo contrario existe el riesgo de dañar los pads del PCB. La placa con el regulador de voltaje removido se observa a continuación:
Si logramos remover el regulador de tensión sin inconvenientes, podemos volver a respirar y la modificación estará casi completa. En caso de tener algún contratiempo, a no perder la calma y revisar el diagrama esquemático en busca de alguna solución.
Con el componente original removido, solamente nos queda soldar los 3 cables de conexión de nuestro módulo switching a los pads correspondientes en nuestra placa Raspberry Pi. También es conveniente fijar el módulo al PCB, para esta tarea utilizaremos un pegamento no abrasivo a base de silicona, por ejemplo “Fastix®”. El único inconveniente será que la frambuesa (logo) quedará oculta. Triste
En particular, he sometido a todo el proceso descripto anteriormente a dos placas Raspberry Pi con excelentes resultados. En las siguientes imágenes se observan ambas placas:
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