Alimentatore per breadboard MB102: 5V/3,3V e limiti di corrente

Un alimentatore per breadboard (il modello più diffuso è l'MB102) è una piccola scheda che regola la tensione di un alimentatore da rete o della porta USB e la distribuisce come 5 V e 3,3 V sulle linee di alimentazione della breadboard. Si innesta direttamente a un'estremità della breadboard, alimenta separatamente le linee positiva e negativa di ciascun lato e ha dei jumper che ti permettono di scegliere 5 V o 3,3 V per ogni linea. Così puoi alimentare sensori, display e integrati senza affaticare il regolatore di Arduino e usare insieme componenti a 3,3 V e a 5 V sulla stessa breadboard.

Questa piccola scheda però ha un limite di corrente molto più basso di quanto si pensi. In questo articolo vedrai, con i calcoli, i componenti dell'MB102, come scegliere l'alimentatore giusto, come impostare i jumper, quanti milliampere eroga davvero e perché il regolatore AMS1117 si scalda. Poi vedrai perché servo e motori non funzionano con questo modulo, come funziona l'ingresso USB, come innestarlo nel verso giusto, il GND comune con Arduino e gli errori più comuni.

Cos'è un alimentatore per breadboard e come funziona?

Sulla scheda MB102 ci sono due regolatori lineari: l'AMS1117-5.0 abbassa la tensione di ingresso a 5 V e l'AMS1117-3.3 a 3,3 V. Nella maggior parte delle schede il regolatore a 3,3 V è alimentato dall'uscita a 5 V, quindi la corrente che prelevi dalla linea a 3,3 V passa prima anche dal regolatore a 5 V. All'ingresso ci sono un diodo contro l'inversione di polarità, un interruttore e un LED che indica la presenza di tensione. Le due file di pin sotto la scheda si inseriscono nelle linee positiva e negativa ai due bordi della breadboard.

Quale alimentatore scegliere? Cosa significa l'ingresso 6,5–12 V

Perché un regolatore lineare funzioni, il suo ingresso deve superare l'uscita di un certo margine; questa differenza si chiama tensione di dropout e nell'AMS1117 è di circa 1,1–1,3 V a seconda della corrente di carico. Anche il diodo di protezione all'ingresso si prende qualche decimo di volt. Per questo all'ingresso servono almeno 6,5 V perché l'uscita a 5 V sia davvero 5 V. Se colleghi un alimentatore da 5 V vedrai 3,5–4 V in uscita e Arduino, display o sensori funzioneranno in modo instabile. Nella parte alta dell'intervallo il problema è il calore: più è alta la tensione di ingresso, più potenza il regolatore dissipa in calore.

Impostare i jumper 5 V e 3,3 V

A ciascuna estremità della scheda c'è un connettore a tre pin con un jumper; ognuno controlla la linea di alimentazione di un lato della breadboard. Se metti il jumper dal lato con la scritta "5V", quella linea riceve 5 V; su "3.3V" riceve 3,3 V; se togli del tutto il jumper, quella linea non viene alimentata. In questo modo puoi impostare un lato a 5 V per un LCD e Arduino e l'altro a 3,3 V per un nRF24L01 o un sensore. Le linee negative (GND) dei due lati sono sempre in comune.

Il vero limite di corrente: perché anche 700 mA è ottimistico

Il datasheet dell'AMS1117 dice 1 A e i venditori dichiarano "meno di 700 mA" per il modulo. Ma questi valori presuppongono un regolatore ben raffreddato. Un regolatore lineare dissipa come calore la differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita: P = (Vin − Vout) × I. Sull'MB102 il regolatore è saldato su una piccola area di rame della scheda e non ha dissipatore. Un contenitore SOT-223 in queste condizioni può dissipare circa 1 W in modo continuo; oltre si surriscalda, entra in protezione termica e taglia o abbassa l'uscita.

Il lato a 3,3 V si calcola a parte: poiché il regolatore a 3,3 V è alimentato a 5 V, produce (5 − 3,3) × I di calore; a 300 mA sono 0,5 W. In più, quei 300 mA si sommano anche al carico del regolatore a 5 V. In breve, l'MB102 è ideale per circuiti da qualche centinaio di milliampere, come LED, sensori, un LCD e un Arduino Nano. Per carichi maggiori passa a un regolatore switching come il convertitore step-down LM2596; questi regolatori trasformano la differenza di tensione in corrente in modo efficiente invece che in calore.

Bilancio di corrente: quanto assorbe il tuo circuito?

Prima di scegliere il modulo, somma a grandi linee la corrente totale dei componenti del tuo circuito. I valori qui sotto sono medie tipiche; i componenti con motori o radio hanno picchi brevi molto più alti. Se la corrente continua totale supera i 300 mA o i picchi superano i 500 mA, l'MB102 da solo non basta.

Perché non basta per servo e motori?

Appena un servo SG90 inizia a muoversi assorbe per un attimo qualche centinaio di milliampere, e fino a 650 mA quando è sotto sforzo; nei servo grandi come l'MG996R si superano i 2 A. Anche i motori in corrente continua e i motori passo-passo chiedono molta corrente all'avvio. Questa corrente improvvisa raggiunge il limite del regolatore e la linea a 5 V scende per un attimo sotto i 4 V. Cala anche la tensione di un Arduino alimentato dalla stessa linea e la scheda si resetta da sola; il servo trema e sull'LCD compaiono caratteri strani. Inoltre i disturbi delle spazzole dei motori rovinano le misure dei sensori più delicati.

• Alimenta servo e motori da una sorgente separata: un alimentatore a 5 V da almeno 2 A, un convertitore step-down come l'LM2596 o 4 pile AA sono buone scelte.
• Unisci i GND: anche con una sorgente separata, collega il GND dell'alimentazione dei motori al GND di Arduino; altrimenti il segnale resta senza riferimento.
• Aggiungi un condensatore sull'alimentazione del servo: un condensatore elettrolitico da 470–1000 µF sui fili di alimentazione del servo smorza i picchi di corrente.
• Usa l'MB102 solo per la parte logica: Arduino, sensori e display sull'MB102, i motori sulla loro alimentazione.

Se vuoi vedere questo calo con i tuoi occhi, prova il codice qui sotto. Arduino Uno può misurare la propria tensione di alimentazione confrontando il suo riferimento interno da 1,1 V con l'alimentazione; non serve alcun collegamento esterno. Alimenta Arduino e servo dalla linea a 5 V dell'MB102 e osserva nel Monitor seriale la tensione minima mentre il servo si muove:

1// Arduino kendi besleme gerilimini ölçer, servo hareket ederken düşüşü yakalar
2// The Arduino measures its own supply voltage and catches the dip while a servo moves
3// Arduino 5V ve GND -> MB102 5 V hattı / Arduino 5V and GND -> MB102 5 V rail; servo sinyali / servo signal -> D9
4#include <Servo.h>
5
6Servo servo;
7long minVcc = 99999;
8
9long readVcc() {
10  // Dahili 1,1 V referansını AVcc'ye göre ölç / measure the internal 1.1 V reference against AVcc
11  ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1);
12  delay(2);                                // referansın oturmasını bekle / let the reference settle
13  ADCSRA |= _BV(ADSC);                     // dönüşümü başlat / start the conversion
14  while (bit_is_set(ADCSRA, ADSC));        // bitmesini bekle / wait until done
15  long result = ADCL;
16  result |= ADCH << 8;
17  return 1125300L / result;                // 1,1 V x 1023 x 1000 / sonuç = mV / result in mV
18}
19
20void setup() {
21  Serial.begin(9600);
22  servo.attach(9);
23}
24
25void loop() {
26  for (int angle = 0; angle <= 180; angle += 90) {
27    servo.write(angle);
28    unsigned long start = millis();
29    while (millis() - start < 600) {       // hareket boyunca ölç / measure during the move
30      long vcc = readVcc();
31      if (vcc < minVcc) minVcc = vcc;
32    }
33    Serial.print("Aci / Angle: ");
34    Serial.print(angle);
35    Serial.print("  Vcc: ");
36    Serial.print(readVcc());
37    Serial.print(" mV  en dusuk / minimum: ");
38    Serial.print(minVcc);
39    Serial.println(" mV");
40  }
41}

Il risultato può scostarsi del ±10 % a seconda del valore reale del riferimento interno; per una misura più precisa, misura una volta la linea a 5 V con il multimetro e correggi di conseguenza la costante 1125300. Se con il servo collegato il minimo scende sotto 4,5 V o la scheda si resetta, è il momento di spostare il servo su un'alimentazione separata.

L'ingresso USB: ingresso e uscita di alimentazione insieme

La presa USB-A dell'MB102 si può usare in due modi. Quando alimenti la scheda dal jack DC, la presa diventa un'uscita a 5 V e può alimentare un piccolo dispositivo USB. Quando la alimenti con un cavo USB A-A o con un power bank, la presa diventa un ingresso: in questo caso i 5 V in arrivo saltano il regolatore a 5 V e vanno direttamente sulla linea, mentre il regolatore a 3,3 V continua a funzionare. Una porta USB del computer di solito fornisce 500 mA (900 mA con USB 3) e l'unica protezione contro i cortocircuiti è il limite di corrente della porta. Se usi un power bank, ricorda che molti modelli si spengono da soli con correnti basse.

Innestarlo sulla breadboard nel verso giusto

L'MB102 è progettato per l'estremità delle breadboard standard da 830 punti: i pin sotto la scheda si inseriscono nelle due linee di alimentazione (positiva e negativa) di ogni lato. Sotto o sopra la scheda ci sono i segni + e −; assicurati che coincidano con le linee rossa (positivo) e blu (negativo) della breadboard. Su alcune breadboard le linee colorate sono stampate al contrario o mancano del tutto; se innesti il modulo al contrario, la linea positiva diventa GND, quella negativa diventa 5 V e tutto il circuito viene alimentato con polarità invertita. Sulle breadboard lunghe le linee di alimentazione possono essere interrotte a metà; se i componenti all'altra estremità non funzionano, verifica la continuità delle linee.

1. Metti l'interruttore del modulo su spento e imposta i jumper sulla tensione che vuoi.
2. Premi il modulo sull'estremità della breadboard in modo che i segni + e − coincidano con le linee rossa e blu.
3. Collega l'alimentatore al jack DC e accendi; il LED dovrebbe accendersi.
4. Misura le due linee con il multimetro; se i valori sono corretti, spegni e inizia a montare il circuito.
5. Quando il circuito è pronto, controlla ancora i collegamenti, soprattutto il GND, prima di accendere.

GND comune con Arduino e alimentare Arduino

Ci sono due modi corretti di usare l'MB102 con un Arduino. Primo modo: Arduino è alimentato via USB e l'MB102 alimenta solo sensori e moduli. In questo caso devi collegare il pin GND di Arduino alla linea negativa della breadboard; senza GND comune, il segnale a 5 V inviato da Arduino non ha un riferimento dall'altra parte e il circuito si comporta in modo casuale. Trovi i dettagli nell'articolo GND e massa comune. Secondo modo: alimentare anche Arduino dall'MB102. Colleghi la linea a 5 V al pin 5V di Arduino e la linea negativa a GND; così si bypassa il regolatore di Arduino.

• Se alimenti Arduino dal pin 5V, non collegare l'USB: sull'Uno non c'è una separazione completa tra pin 5V e USB, e le due sorgenti a 5 V finiscono collegate tra loro.
• Non dare 5 V al pin VIN: VIN va al regolatore di Arduino e richiede almeno 7 V; con 5 V la scheda non funziona bene.
• Non alimentare l'ESP32 dalla linea a 3,3 V: i picchi Wi-Fi da 400–500 mA mettono in crisi il regolatore a 3,3 V dell'MB102 e causano l'errore di brownout. Alimenta la scheda di sviluppo ESP32 con 5 V dal suo pin 5V/VIN.
• Alimenta il Raspberry Pi Pico dal pin VSYS: VSYS accetta 1,8–5,5 V, quindi la linea a 5 V va bene. Usa questa strada invece di dare tensione dall'esterno al pin 3V3.

Controllare la tensione di alimentazione con ESP32 e Raspberry Pi Pico

Con l'ESP32 non puoi misurare direttamente la linea a 5 V, perché i suoi ingressi ADC reggono al massimo 3,3 V. La soluzione è un partitore di tensione con due resistenze da 10 kΩ: la linea a 5 V viene dimezzata e si può collegare in sicurezza al GPIO 34. La funzione analogReadMilliVolts() usa la calibrazione di fabbrica dell'ESP32 per restituire direttamente i millivolt, e la media di 32 letture riduce il rumore:

1// ESP32 ile MB102 5 V hattını izlemek / Monitoring the MB102 5 V rail with an ESP32
2// 5 V hattı -> 10k -> GPIO 34 -> 10k -> GND (gerilim bölücü / voltage divider)
3const int SENSE_PIN = 34;          // yalnız giriş, ADC1 / input only, ADC1
4const float DIVIDER = 2.0;         // 10k + 10k: gerilim yarıya iner / voltage is halved
5const float LOW_LIMIT = 4.75;      // bu değerin altı sorunlu / below this is a problem
6
7void setup() {
8  Serial.begin(115200);
9  analogSetPinAttenuation(SENSE_PIN, ADC_11db);   // 0-3,3 V aralığı / 0-3.3 V range
10}
11
12void loop() {
13  uint32_t sum = 0;
14  for (int i = 0; i < 32; i++) {   // 32 ölçümün ortalaması / average of 32 readings
15    sum += analogReadMilliVolts(SENSE_PIN);
16  }
17  float rail = (sum / 32.0) * DIVIDER / 1000.0;
18  Serial.printf("5V hatti / 5V rail: %.2f V %s\n", rail,
19                rail < LOW_LIMIT ? "DUSUK / LOW" : "normal");
20  delay(500);
21}

Sul Raspberry Pi Pico non servono componenti aggiuntivi: la scheda ha un partitore che divide VSYS per tre, collegato al canale ADC3 (GPIO 29). Quando colleghi la linea a 5 V dell'MB102 a VSYS, il codice MicroPython qui sotto stampa l'alimentazione e il valore più basso rilevato. Sul Pico W questo canale è condiviso con il chip wireless e la lettura richiede un metodo diverso; il codice è per il Pico senza Wi-Fi.

1# Raspberry Pi Pico (W olmayan / non-W): VSYS gerilimini okumak / reading the VSYS voltage
2# MB102 5 V hattı -> Pico VSYS (pin 39), GND -> GND
3from machine import ADC
4import time
5
6vsys = ADC(29)                       # ADC3: VSYS / 3 iç bölücü / internal VSYS / 3 divider
7low = 99.0
8
9while True:
10    volts = vsys.read_u16() * 3.3 / 65535 * 3
11    if volts < low:
12        low = volts                  # en düşük değeri sakla / keep the lowest value
13    print("VSYS: {:.2f} V  en dusuk / min: {:.2f} V".format(volts, low))
14    time.sleep(0.5)

Progetti adatti all'MB102 e progetti che non lo sono

• Adatto: prove con LED e pulsanti. Semaforo, LED in sequenza e progetti con pulsanti assorbono qualche decina di milliampere.
• Adatto: circuiti con sensori e display. I circuiti di misura con DHT11, LDR, HC-SR04, LCD 16x2 e OLED sono ideali per l'MB102.
• Adatto: circuiti a tensioni miste. Un Arduino a 5 V da un lato e un modulo a 3,3 V dall'altro.
• Al limite: un solo piccolo servo. Un SG90 che si muove a vuoto può funzionare, ma sotto carico aspettati reset e tremolii.
• Non adatto: robot con motori e più servo. Le auto robot che muovono i motori con un L298N hanno bisogno di un pacco batterie proprio.
• Non adatto: strisce LED lunghe. Più di 10 LED WS2812B alla massima luminosità superano il limite del modulo.

Errori comuni e soluzioni

L'MB102 è il modo più pratico per avere 5 V e 3,3 V puliti e selezionabili sulla breadboard, purché tu ne conosca i limiti: usa un alimentatore da 7–9 V, tieni la corrente totale entro qualche centinaio di milliampere, alimenta i motori a parte e metti sempre il GND in comune. Nell'app BlueGrays trovi progetti con LED, semaforo, servo e motore passo-passo, passo dopo passo con schemi del circuito, elenco dei componenti e codice.