Le applicazioni elettroniche, siano esse analogiche o digitali, richiedono una continua analisi dei segnali in ingresso/uscita da un qualsiasi circuito. Le forme d’onda dovranno essere amplificate o attenuate, in base alla parte circuitale nella quale andranno ad interagire. In questo testo cercheremo di descrivere brevemente le varie tecniche di conversione, fornendo le indicazioni per un eventuale scelta razionale.
I traslatori di livello, conosciuti anche come convertitori di segnale, sono molto importanti nei dispositivi mobili alimentati a batteria, dove il funzionamento dei circuiti integrati interni hanno la necessità di operare a tensioni differenti. Cellulari, computer portatili, lettori mp3, tutti questi prodotti impiegano tecnologie di conversione, operando a soglie generalmente più alte di quelle fornite dall’accumulatore. Una ragione che spesso impone l’adozione di un traslatore di tensione è la batteria. Via via che viene prelevata corrente dalla batteria, questa diminuisce leggermente la propria differenza di potenziale, causando in sistemi senza accorgimenti, problematiche di funzionamento. Per queste ragioni, circuiti di adattamento sono largamente impiegati non soltanto per la gestione dei livelli logici, ma anche come buon compromesso tra portabilità e funzionalità, dando la possibilità di impiegare sorgenti con una sola soglia e quindi più compatte.
LE TECNOLOGIE DI TRASLAZIONE
Questo ramo dell’elettronica comprende sia le sorgenti di alimentazione che la gestione dei segnali, risulta molto complesso in quanto un eventuale errore nella progettazione, o nell’adozione dell’IC, comporterà una scarica prematura della batteria o una lettura non corretta delle informazioni in ingresso. Esistono nel mercato circuiti integrati, con package standard o SMT, che svolgono in maniera impeccabile la funzione descritta, ma non sono adeguati a tutti i campi d’utilizzo. Molteplici tecniche si impiegano durante una conversione, ma l’aspetto fondamentale che si deve tenere conto riguarda il campo di utilizzo, impegnando il progettista nella scelta efficace.
TRASLAZIONE LINEARE O A PARTITORE
La traslazione lineare è un processo di conversione del segnale impiegabile soltanto quando si richieda soltanto l’attenuazione dello stesso. Si adottano due resistenze in serie formanti la configurazione a partitore di tensione, che opportunamente calcolate, vanno a ridurre della quantità desiderata il valore di tensione in ingresso. Questa configurazione impone un’elevata dispersione di potenza, in quando i resistori son interessati da tutta la corrente necessaria all’interfaccia. Non è tuttalpiù una soluzione molto precisa: lievi sbalzi in ingresso son riportati attenuati anche all’uscita. Poco costosa e semplice da implementare, trova spazio in tutte quelle applicazioni in cui la sorgente è ben nota, avendo la necessità di ridurla per processarla correttamente, ad esempio: ingressi di IC o alimentazione di piccoli circuiti.
TRASLAZIONE BUCK
Il convertitore Buck, come la traslazione lineare, si impiega quando si ha la necessità di ridurre una soglia di tensione. Fa parte dei convertitori switching e risulta essere notevolmente efficiente: integrato in appositi package risulta avere un rendimento anche del 95%. Il sistema impiega una manciata di componenti per funzionare: un transistor, un diodo, un induttore e una capacità. Il principio di funzionamento è molto semplice: quando il transistor è in conduzione, la bobina si carica di energia; nell‘istante in cui il semiconduttore passa in interdizione non è più presente una sorgente di alimentazione, così la carica presente nell’induzione si svuota ai capi del carico. Dimensionando opportunamente il valore dell’induzione e gli istanti di saturazione/interdizione del transistor si ottiene ai capi del carico un valore di tensione, reso accettabile dalla capacità in uscita.
TRASLAZIONE BOOST
La tecnologia Boost fa parte dei convertitori switching, e anche se impiega i medesimi componenti descritti per il convertitore Buck, riesce ad incrementare il valore della tensione d’uscita. Ideale per qualsiasi tipo d’impiego, Boost ha un rendimento prossimo al 90%. Il principio di funzionamento è il seguente: nell’istante in cui il transistor è in saturazione, l’uscita viene cortocircuitata, caricando la bobina di corrente. Nel momento in cui il transistor si interdice, il carico si trova alimentato direttamente dalla sorgente di alimentazione e dalla carica dell’induttore: molto maggiore del valore di tensione della sola sorgente. In parallelo al carico si trova un condensatore, opportunamente dimensionato per garantire il valore di tensione desiderato.
TRASLATORE CON AMPLIFICATORE DI SEGNALE
Mentre le tecniche sopra descritte vengono generalmente utilizzate per garantire un’alimentazione ad una qualsiasi parte di un circuito, gli amplificatori di segnale si utilizzano per adattare le caratteristiche d’ingresso di un sistema con le caratteristiche d’uscita di un altro. Questo genere di traslatori non sono progettati per erogare potenze elevate, ma soltanto per rendere disponibili livelli adeguati. Durante i calcoli per la scelta della componentistica di un circuito è probabilmente la tecnica preferita dai progettisti, in quanto permette all’ingegnere stesso la scelta di tutti i fattori rilevanti del dispositivo.
UN OCCHIATA AL MERCATO
I maggiori produttori di componentistica sono impegnati nella produzione di circuiti integrati che assolvono queste problematiche. Esistono vari tipi di sistemi: per alimentazione, a conversione di segnale, amplificatori, insomma adatti a qualsiasi campo d‘utilizzo.
IL TRASLATORE DI LIVELLO PER SEGNALI
Uno standard di comunicazione, ormai “fuori moda” nei computer, ma tutt’ora impiegato a larga scala nelle applicazioni embadded è l’RS232. La connessione seriale RS232, utilizza segnali in codifica Manchester con valori pari a - 12V per indicare lo zero logico, e 12V per indicare l’uno. Il problema di questo sistema, anche se economico e molto facile da impiegare, presuppone che il dispositivo che l’adotta impieghi un’alimentazione duale: ma quando ci si interfaccia con un circuito a microcontrollore l’alimentazione viene fornita da un'unica sorgente a 5V. Dunque per poter comunicare sfruttando a pieno RS232 l’unica cosa da fare è impiegare un adattatore, meglio conosciuto come MAX232 o ST3232. Maxim e ST, produttori rispettivamente di MAX232 e ST3232, impiegano per il corretto funzionamento di questi due IC la sopracitata tecnologia Boost. Con un numero limitato di condensatori, e qualche resistenza, i due dispositivi son in grado di fare da interpreti tra i comuni segnali 0-5V e gli RS232. La caratteristica che maggiormente interessa riguarda il valore della tensione di alimentazione che si attesta a 5V, rendendo questa fascia di integrati ideali con circuiteria digitale TTL. L’avvento batterie agli ioni di litio, quindi ad alta capacità ma bassa tensione, ha obbligato a rivedere l’ormai a gran lunga impiegata alimentazione a 5V, arrivando a supportare compromessi attorno ai 3,3V. Queste modifiche hanno dato il via a convertitori con soglie più basse, avviando la produzione di traslatori di livello operanti anche con sorgenti a 3,3V. Dopo anni di modifiche e migliorie, il mercato risponde all’utenza con un elevato numero di integrati operanti in questa fascia, con soglie diverse ma con il medesimo principio di funzionamento.
I TRASLATORI DI LIVELLO COME ALIMENTATORI
Di facile impiego e molto diffusi nelle applicazioni portatili sempre garantendo un valore di corrente sostenibile all’utilizzatore. Presenti sopratutto dove non è possibile per ragioni di spazio impiegare un classico alimentatore a trasformatore, spesso si adottano entrambe le tecnologie buck e boost, riuscendo a portare tensioni da 12V anche a 1500V, con un rendimento pari al 90%. Negli impieghi con tensioni duali, e la richiesta di un riferimento a GND all’uscita, non si potrà connettere lo zero dell’output con l’effettivo riferimento dell’ingresso, in quanto non si troveranno allo stesso potenziale.
Figura 1: MAX232 per la conversione dei segnali da TTL a RS232.
IL TRASLATORE DI LIVELLO AD OPERAZIONALI
Una cosa è certa: se non c’è un integrato nel mercato che svolge la funzione a noi interessata, è sempre meglio cercare di realizzare un circuito. Adattare un IC progettato per uno scopo, e farlo funzionare in tutt’altra maniera, non è sicuramente la via più facile per risolvere il problema. Gli amplificatori operazionali, sono la componentistica chiave che permettono ad un qualsiasi progettista di realizzare in proprio un traslatore di livello. Certo, l’impiego di transistor o mosfet porterà ad un risultato analogo, ma con un impiego di spazio maggiore. Lo schema circuitale, collaudato e semplice, che viene in soccorso è il classico amplificatore non invertente: il segnale in ingresso viene riportato in uscita amplificato della costante data dal rapporto tra le due resistenze. Come si vede dalla figura 2, R1 e R2 definiscono l’amplificazione standard, come dato dalla formula: Vout=Vin(1+R1/R2). Non c’è nulla di speciale, si tratta di un comunissimo amplificatore, e come il lettore saprà esiste anche la versione invertente e la configurazione a sommatore, ma ciò solamente per puntualizzare che, anche se i circuiti in vendita sono ottimi, testati e poco ingombranti, delle volte è meglio impegnare uno schema sicuramente idoneo al progetto in atto.
Figura 2: amplificatore operazionale in configurazione non invertente.
Figura 3: applicazione tipica del MAX232.
CONCLUSIONI
Come abbiamo affrontato, i traslatori di livello hanno un campo d’impiego vastissimo, difficilmente individuabile. Ogni applicazione creata per lavorare con sensoristica, o che tende ad interfacciarsi all’esterno, sicuramente ha al suo interno uno dei circuiti descritti qua sopra. Non si riesce ad individuare una configurazione migliore rispetto ad un altra in quanto ogni campo d’utilizzo presuppone tecniche e tecnologie diverse.
Articolo molto interessante. La progettazione di un convertitore di segnali riguarda diversi aspetti ed è una fase tutt’altro che semplice che presuppone la conoscenza del settore di utilizzo e delle varie tipologie di circuiti integrati.
Con la necessità di accoppiare sulla stessa board IC o in generale sezioni di circuito aventi differenti tensioni di alimentazione o che accettano in ingresso segnali di livello massimo pari alla stessa alimentazione, non potendo dunque tollerare tensioni eccedenti tale limite in nessuna misura, la necessità di introdurre nella progettazione stadi di traslazione di livello diventa un requisito di progetto al quale bisogna prestare la giusta attenzione, pena il corretto funzionamento dell’intero sistema progettato.
Vorrei integrare l’articolo con un’altra tecnica di level shifting tipicamente adottata in sostituzione del partitore di tensione in quanto permette di disporre di una banda passante nettamente superiore, lasciando quasi inalterato il profilo del segnale digitale tra ingresso e uscita, senza andare a pesare esageratamente su costi e spazi occupati su board. Infatti, la soluzione prevede l’adozione di due resistori di pull-up e un mosfet a canale N opportunamente collegato. In rete, uno schema tipico prevede l’utilizzo del BSS138, economico e dal package abbastanza minimale nel suo formato SMT. Riporto un link ad un’immagine trovata in rete per meglio descrivere il collegamento circuitale.
https://i.stack.imgur.com/qDDi9.png
Tale configurazione circuitale trova ampio utilizzo nel level shifiting tra ingressi e uscite digitali tra 5V 3,3V, ad esempio per implementare con i giusti livelli di tensione comunicazioni basate sui protocolli I2C, SPI, UART, 1-Wire, ecc.