Schema per Mostrare l’Utilizzo dei supercondensatori come Batterie di back-up per i Moduli RTC come il DS3231…
INTRO
I moduli RTC come il DS3231 o altri hanno solitamente l’alloggiamento per una cella CR2032 da 3V. Questa cella è detta batteria di back-up e permette al modulo di continuare a contare lo scorrere del tempo anche se il nostro circuito non è alimentato.
In questo articolo mostreremo come utilizzare un supercondensatore (o supercapacitore) da circa 2.5-7.5F (si avete capito bene sono unità di Farad) al posto di questa batteria di back-up. Mostreremo il circuito di carica e diverse soluzioni adoperabili. Verrà illustrato inoltre come la batteria di back-up è connessa e come regolare la corrente di carica.
DS3231 E MODULO RTC
Il DS3231 è un chip economico che realizza un Real Time Clock con comunicazione I2C, ovvero se interrogato da un microcontrollore invia l’ora e la data oppure se configurato come source di interrupt può inviare al microcontrollore un segnale con un tempo ben preciso. Utilizza un oscillatore interno e un sensore di temperatura per calibrarsi. Dispone di un pin di ingresso per la batteria e uno per la tensione di alimentazione dell’intero circuito. Le tensioni di funzionamento sono per entrambi i pin tra 2.3V e 5.5V.
Guardando lo schema del modulo DS3231 appare chiara la presenza di due terminali separati, uno per VCC e l’altro per l’alimentazione dalla batteria VBAT. La batteria viene ricaricata da VCC con una corrente pari a (VCC-0.7-VBAT)/200 quindi con alimentazione a 5V, supponendo la tensione della batteria a 2.5V , si avrà una corrente di carica di 9mA. Questo resistore serve anche come protezione e limite di corrente nel caso la batteria fosse a 0V.
SOSTITUIZIONE CON SUPERCONDENSATORE
Considerando il circuito di carica presente, ovvero un diodo in modo tale che la corrente scorra solo nel verso entrante quindi nella batteria e un resistore di protezione, si potrebbe saldate al posto dell’alloggiamento porta batteria direttamente un supercondensatore da qualche Farad. La corrente massima in questo caso sarà (5-0.6)/200 = 22mA quando il condensatore è completamente scarico. Il condensatore si caricherà al suo valore massimo di 4.4V circa ovvero VCC-0.6 dove 0.6V è la caduta sul diodo.
Facciamo due calcoli sul tempo di carica e scarica supponendo il circuito di carica presente e il consumo in stand-by di 3µA con tensione massima di carica 4.4V e minima di funzionamento di 2.3V (rimaniamo larghi su 2.4V).
- Condensatore da 1F: 15 minuti circa per caricarsi, supponendo una corrente di autoscarica di 7µA farà rimanere il DS3231 in funzione per circa due giorni e mezzo.
- Condensatore da 2.5F: 40 minuti circa per caricarsi, supponendo una corrente di autoscarica di 25µA farà rimanere il DS3231 in funzione per circa 2 giorni.
- Condensatore da 5F: 2ore circa per caricarsi, supponendo una corrente di autoscarica di 30µA farà rimanere il DS3231 in funzione per circa 2 giorni e mezzo.
Bisogna stare attenti alla corrente di autoscarica del supercondensatore. Come si vede dall’esempio aumentando la capacità aumenta anche l’autoscarica rendendo meno efficace l’uso di un supercondensatore da 2.5F invece di uno da 1F.
Inoltre potete variare il tempo di carica se ad esempio non avete a disposizione una corrente elevata di carica.
Ad esempio nel mio caso ho utilizzato un resistore da 820 Ohm in modo tale che la corrente massima sia circa 5mA. Inoltre si può sostituire il diodo 1N4148 con uno a giunzione Schottky in modo tale che si perdano soli 0.35V e avere una tensione massima sul condensatore di 4.65V invece di 4.3V quando il modulo è alimentato a 5V.
CARICA CON CARICABATTERIA TP5100
I supercondensatori possono essere trattati come normali batterie agli ioni di litio e possono essere quindi caricati molto velocemente utilizzando lo stesso principio della carica delle celle al litio. Si possono caricare quindi con una corrente costante in una prima fase e poi caricati a tensione costante.
Considerando che le celle al litio hanno tensioni di 4.2V, questo sistema può essere usato benissimo per i supercondensatori da 5V. La soluzione più semplice è usare un modulo TP5100 ovvero un modulo caricatore per 1 o due celle agli ioni di litio.
Senza collegare i pin di SET la tensione di uscita è 4.2V quindi si riesce a caricare perfettamente un supercondensatore. La corrente di carica dipende dal valore dei due resistori nel cerchio viola (Rsense). Vi sono due resistori da 0.1 Ohm quindi in parallelo 0.05 Ohm.
Il valore della corrente di carica è (0.1/Rsense) 0.1/0.05=2A. I supercondensatori hanno una corrente massima che dipende dalla sua capacità. Quelli a valori bassi hanno correnti basse intorno 0.5A. bisogna quindi usare un Rsense di 0.2 Ohm.
Questo circuito è perfetto se si vuole una carica veloce e controllabile
Ciao. Articolo interessante in linea generale ed ottimo per tante applicazioni, ma personalmente non trovo utile alimentare un DS3231 con un supercondensatore che mi abbandona dopo un paio di giorni. I miei DS3231 sono alimentati con una piccola LIR2032 ricaricabile da 3.6V 45mAh, che con 3uA di consumo e quasi nessuna auto-scarica dura un anno e mezzo, ed il modulo dell’RTC provvede al mantenimento della sua carica in presenza di alimentazione esterna. Da parte mia posso affermare che un orologio con tale modulo ri-alimentato dopo più di un anno aveva ancora l’ora corretta. C’è purtroppo da dire che alcuni produttori fabbricano questi moduli RTC con una più economica CR3032 risparmiando anche il diodo dedicato al circuito di ricarica. E non lo dichiarano! Inoltre, per migliorare la carica di un supercondensatore rispetto ad una semplice rete diodo-resistenza, è meglio usare un LTC4425 (https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/4425fa.pdf) che fornisce la logica ottimale per la carica di un supercap ed il suo mantenimento. Oppure un MAX17701, o simili IC dedicati.