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Buona parte dei microcontroller può lavorare con tensioni inferiori a 5V. Sono tipici i valori 2.5, 3 e 3.3V. Alcuni modelli, anzi, hanno come tensione massima di alimentazione non i classi 5.5V, ma 3.6V. Lo scopo è quello di ridurre i consumi e permettere il funzionamento con batterie (ad esempio, litio a una cella).

Durante le sperimentazioni diventa necessario avere a portata di mano un regolatore per queste basse tensioni, da usare sulla bredboard oppure da installare in un prototipo. E' molto semplice ottenere questo da una alimentazione pre esistente o da una batteria attraverso un regolatore lineare a bassa caduta di tensione (LDO).

Dato che le correnti assorbite da semplici applicazioni sono molto contenute, solitamente non è necessario disporre di regolatori in grado di trattare vari ampere; LDO in contenitore SOT-233 sono in grado di trattare correnti di 800 mA o più con una tensione di ingresso da 4.75 a 10V o più e ben si adattano al nostro scopo.
Si tratta di componenti molto economici e facilmente reperibili, perchè prodotti da vari costruttori con la stessa sigla o con sigle differenti, ma con le stesse caratteristiche generali.

Il problema che pongono i componenti SMD è la loro piccolezza e la non disponibilità di terminali lunghi e quindi mal si prestano ad un uso diverso da quello del montaggio su circuito stampato.
Dunque, realizziamo un "modulo" che porta questo componente, in modo da poter trattare come un normale tre terminali in contenitore TO-220; in questo modo possiamo usarlo sia su bredboard si come sub-modulo di altri circuiti e verificarne le prestazioni ed il comportamento rispetto alle nostre esigenze.

In particolare qui utilizziamo un componente economico molto facile da reperire: si tratta dell' AS1117 di Alpha e altri, come ad esempio LM1117 di NS, TS1117 di Taiwan Semicond., REG1117 di Texas, LD1117 di ST, AP1117 di Zetex, SPX1117 di Exar o altri.
In particolare, quelli utilizzate per le prove sono tutti recuperati da vecchie schede madri per PC o elettronica di periferiche come CD e simili.

Questo regolatore è disponibile in varie tensioni fisse (1.5V, 2.5V, 2.85V, 3V, 3.3V & 5V) o aggiustabile e in diversi packages (SOT-223, TO-252, TO-220, SOT-89, TO-263, & SO-8).

Qui utilizziamo la versione AS1117-3.3V nel contenitore SOT-223. Pur essendo un dispositivo per montaggio superficiale (SMD), non è così piccolo da non poter essere "trattato" con un mezzi comuni sul banco dello sperimentatore.

Lo schema applicativo e banale, analogo a quello di ogni altro regolatore a tre terminali.

Il regolatore richiede, per la stabilità un condensatore (C1) all' ingresso e uno all' uscita (C2). Al mino potranno essere i classici 0.1uF o più.

Va osservato che la piedinatura è diversa da quella di un 7805: il terminale centrale non è la massa, ma la Vout e l' aletta (tab) è collegata a questa uscita e non al gnd.

Avendo in mano un componente SMD vale la pena di realizzare il tutto in questa tecnica, dato che si tratta di soli tre componenti. Essendo un "fatelo-da-voi" casalingo, è stata scelta l' ovvia soluzione di un circuito mono faccia, anche se un doppia faccia sarebbe l' ideale per il montaggio superficiale.

Anche il circuito stampato è estremamente semplice.

E' stato realizzato in una dimensione paragonabile a un TO-220, con tre pin passo 2.54 e disposizione IN-GND-OUT. Per non complicarsi la vita con oggetti così piccoli, è stata usata della vetronite da 0.8 mm che è più semplice da tagliare con precisione. Il minor spessore rispetto ai soliti 1-.5-1.6 mm non influisce sulla robustezza dell' insieme: date appunto le piccole dimensioni non è soggetto a flessioni critiche.

I due condensatori sono anch' essi SMD, in dimensione 1206, che è facilmente trattabile a mano. Per C2, che è a tensione molto bassa, si potrà anche usare un package 0805.

Questo "modulo" sarà, quindi, inseribile in un circuito come un normale tre terminali, avendo in più i condensatori di bypass già a bordo. Quindi sarà necessario completarlo solamente con gli eventuali elettrolitici esterni (tipicamente 10-50 uF o più).

Nulla vieta di utilizzare dei condensatori SMD di capacità maggiore, ad esempio dei multistrato da 2.2 a 10 uF, ma questo fa lievitare drammaticamente il costo. Si può anche forare ai terminali dei condensatori e installare degli elettrolitici in alluminio o tantalio posti sull' altro lato dello stampato, che è del tutto sgombro.
Comunque, per un uso come modulo, i condensatori previsti sono adeguati; capacità maggiori per abbattere il ripple e fornire una riserva di carica saranno poste esternamente, come peraltro si fa con un componente TO-220.

Il circuito stampato è facilmente realizzabili per foto incisione.

Il montaggio, utilizzando un saldatore con punta da 1mm o meno e stagno di qualità (o pasta per saldature SMD) è altrettanto semplice.

Per i pin sono stati usati degli AMP, ma è possibile qualsiasi altra soluzione.

Ecco un prototipo confrontato con un TO-220.

Attenzione perchè non tutti i costruttori riportano le stesse caratteristiche di massima; alcuni dichiarano una tensione massima di ingresso maggiore (15-18 V), altri modelli hanno una corrente massima più elevata (1A o più). Per altri costruttori cambiano le resistenze termiche e così via.

A questo ben pochi fanno caso, salvo poi trovarsi in condizioni critiche, con le alimentazione che vanno bene per friggere il classico uovo. Anche perchè i dati forniti sono intesi alla solita temperatura ambiente di 20-25 °C, cosa che, all' interno di un apparato c'è raramente e che già, in estate, è ampiamente superata.

Abbiamo a che fare con un regolatore lineare, ovvero un dispositivo che si comporta come una resistenza variabile in serie al carico, mantenendo costante la tensione in uscita.
Questo vuol dire che il componente dissipa una creta potenza, data:

Questa potenza diventa calore per effetto Joule; e il calore va dissipato, per evitare la fusione della giunzione.
Il regolatore ha internamente un sistema di shut down per sovra temperatura, ma, viste le piccole dimensioni, è opportuno evitare di fare ricorso a queste protezioni estreme.

dove Pd è la potenza dissipata, calcolata con la formula precedente, Ta è la temperatura ambiente e θja la resistenza termica tra giunzione e ambiente. Dando come limite di sicurezza per Tj = 100°C e con una temperatura ambiente Ta di 40°C si ottiene:

Ovvero il nostro dispositivo potrà lavorare fino ad rapporto massimo di parametri V*I pari a 0.9W. Questo valore potrà aumentare se si riduce la resistenza termica tra giunzione e ambiente, aumentando la superficie radiante

Va considerato che un dispositivo in SOT-223 è previsto per utilizzare come dissipatore la superficie ramata del circuito stampato su cui è montato, in particolare quella su cui è saldato il tab .

E, in tutti i casi, leggendo con cura il foglio dati si rileva che la θja è relativa appunto al componente installato su un circuito stampato con una certa superficie di rame disponibile come dissipatore.
Ad esempio:
- per AP1117 di Diode vengono dichiarati 107 °C/W con "FR-4 substrate, single sided PC board, 2oz copper, with 5mmx5mm thermal pad layout, no air flow. The case point of θJC is located on the thermal tab".
- Per LT1117 di Linear sono indicati 55 °C/W con "tab of device attached" su una superficie di 1000 millimetri quadrati.
- LM1117 di NS dichiara 136 °C/W "no heatsink, no airflow", che diventano 66 °C/W per il componente saldato su una superficie di 1 pollice quadrato.

Si deve concludere, come peraltro si rileva dalle prove pratiche, che il package senza alcun dissipatore o con la minima superficie data dal nostro micro circuito stampato non è in grado di superare una dissipazione di circa 0.4-0.5 W; potenza comunque più che sufficiente ad alimentare una applicazione microcontroller a 3.3V, sopratutto se il progetto cura l' aspetto del risparmio energetico.

Ne deriva la considerazione che, se occorre trattare una potenza maggiore, occorre anche dotare il regolatore di un sistema di raffreddamento adeguato. La soluzione più semplice è quella di realizzare una ampia superficie in rame sul circuito stampato. Siccome vogliamo un modulo piccolo, si è applicata una superficie metallica in funzione di aumento della superfici dissipante.

Il lamierino (ricavato da un sottile foglio di rame), è saldato sul circuito stampato dal lato rame e poi ripiegato sull' altro lato. Per fare questo in modo pulito basta interporre tra lamierino e cs un poco di pasta saldante per SMD e scaldare un attimo con il saldatore.

Il tab del regolatore è a sua volta saldato, con lo stesso sistema, al lamierino.

L' uso della pasta per SMD, che ha un punto di fusione inferiore a quello dello stagno in filo, consente di ottenere buone saldature a bassa temperatura, senza correre il rischio di surriscaldare il componente.

Infatti, è opportuno considerare che la saldatura del tab del SOT-223 deve essere fatta rapidamente, senza oltrepassare il limite di temperatura supportabile da questo piccolo componente.

Nel prototipo realizzato, con una alimentazione di 5.5V (massima tensione su un circuito logico TTL) si possono estrarre circa 180 mA e con un ingresso di 7.4 V (batteria LiIon) 100 mA.
Con un radiatore più ampio, si ottengono valori di dissipazione di 0.8-1W, con un aumento della corrente prelevabile. L' entrata i funzione della protezione da sovra temperatura è indice di superamento dei limiti per il sistema di dissipazione del calore che si sta usando e va evitata.

Con i modelli testati (AS1117-3.3, LD33, REG1117-3.3) hanno fornito una tensione molto precisa attorno ai 3.3V e con una caduta di tensione di pochi millivolt sotto carico.

In ogni caso, non si tratta di un dispositivo di "potenza"; se è necessaria una cosa del genere occorrerà un approccio diverso, ad esempio con uno switching.

Ovviamente il circuito è utilizzabile anche con le versioni del regolatore a 1.5V, 2.5V, 2.85V, 3V o 5V. E' così possibile predisporsi in casa una economica serie di regolatori LDO di piccole dimensioni e prontamente utilizzabili per le sperimentazioni e i prototipi.

LDO 3.3V

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