Cable etrex/PC con regulador 3 voltios incorporado.

Documento realizado por Guillermo Garcia Mendive

Contenido del articulo.

Se describe la posibilidad de incorporar un conector para alimentación al conector en serie DB9 del cable de conexión GPS/PC. Para conectores con tapas metálicas se ilustra un método de instalación de un regulador interno al conector, útil para alimentar un equipo etrex desde 12 voltios. Por ultimo se dan algunos consejos útiles para configurar un circuito regulador basándose en el circuito regulador de voltaje LM317, que se puede encontrar en cualquier tienda de electrónica.

El armado de un cable dual para alimentación y transferencia de datos entre GPS y ordenador se puede simplificar si al conector de datos en serie del tipo DB9, se le incorpora un conector por donde entrar la alimentación del GPS. El primer prototipo lo realicé con un conector DB9 de los que vienen provistos con tapas plásticas y la idea era utilizarlo con un Garmin III plus, por lo que no hacia falta en principio la inclusión de un regulador de tensión. Las tapas plásticas en general son de un tamaño tal que dificultan alojar un regulador de tres terminales en su interior. El orificio de salida de cable que tienen este tipo de tapas tiene un diámetro apto para fijar cómodamente un conector RCA macho de cable desprovisto de su manguito. (Fig 1-a). La salida para el cable del GPS la haremos a través de un orificio que practicaremos con una broca en uno de los laterales de la ficha. A tal efecto conviene armar las tapas con sus tornillos, y realizar la perforación con las tapas unidas, centrando la broca sobre la junta, de forma tal que al separar las tapas, quede medio orificio en cada una.

Si adaptar el conector RCA a las tapas se complica, siempre podremos salir de las tapa con un tramo corto de cable, y terminar este chicote con el conector apropiado para alimentación. Pero vale la pena el intento de adaptación que se describe.

La variante que describiré sin embargo, utiliza otro tipo de tapas para el DB9. Son tapas metálicas, de dimensiones mas generosas que las de las plásticas, y que además tienen la ventaja de constituir un buen disipador de calor para el regulador que intentamos instalar en su interior. Dependiendo del tipo de tapa metálica disponible, ya que las hay de distintas medidas, se podrá utilizar un conector RCA sin el manguito, si el orificio de cable es estándar o con el manguito colocado si es un orificio mas grande. Habrá que aguzar la inventiva para adaptar el conector a la tapa. En mi caso el orificio de salida de cable de las tapas metálicas que utilice era tal que un conector RCA de los mas robustos calzaba con mango y todo en el orificio.

Un anillo plástico que cubría parcialmente el mango, permitía que las tapas presionaran el mango al cerrarse sin dañar el metal.

A continuación habrá que evaluar como conviene fijar el regulador de tres terminales a una de las tapas. En mi caso opté por una distribución de componentes como la que se describe en las ilustraciones: El regulador LM317, tiene su tab de fijación eléctricamente conectado a su terminal de salida, por lo que no deberemos conectarlo al común (masa) del circuito al fijarlo a la tapa, la que si queda por fuerza conectada a común (masa). A fin de poder fijarlo firmemente a la tapa, y que esta actúe como disipador, utilizaremos un aislante no de mica, que son rígidos, sino de los del tipo flexible (ThermoPads, Silicon Pad, etc.). Esta elección es conveniente porque en general las esquinas del tab de fijación quedan muy próximas a los refuerzos metálicos interiores de las tapas (por donde pasan los tornillos de cierre de las mismas). Yo opté por recortar las esquinas del tab, redondeándolas luego con una lima, cuidando que no queden bordes con filo. El aislante no se recorta, doblándose las puntas al colocarlo de forma tal que forme un borde aislante entre el tab y las zonas metálicas próximas. Se monta el conjunto con un niple aislante, y un terminal para soldar como se muestra en la Fig. 1-b. El tornillo y el terminal si harán contacto con la tapa. Una vez armado el conjunto, verificar que luego de ajustar el tornillo no haya contacto eléctrico entre el terminal 2 del regulador y la tapa metálica. (FIG 1B)

Otro detalle importante a considerar es que la patillas del LM317, las que por fuerza hay que recortar o doblar, no toquen los contactos de la ficha DB9. Ello nos forzara a montar el regulador lo mas alejado de la zona de alojamiento de la ficha DB9, pero no hay mucho margen. Terminamos finalmente por recortar las patillas del integrado todo lo posible, sin que atente contra las tareas posteriores de soldadura.

En la Fig. 2-a y 2-b se observa como se pueden montar los pocos componentes restantes. Si bien hemos dibujado la conexiones lo mas claramente posible, recomendamos guiarse por los dibujos a la hora de decidir donde ubicar los componentes, pero controlar las conexiones de acuerdo al diagrama circuital de la Fig. 4.


El terminal que colocamos con el tornillo de fijación será nuestra conexión a "común". Allí se conectará el Ground (masa) del cable que viene del GPS, la Patilla N° 5 del conector DB9, el tab de malla del conector RCA, un extremo de R2 y sendos extremos de C1 y C2.

La resistencia R3 (Amarilla en el dibujo) es opcional y sirve en caso de que se tenga que alimentar el LM317 con una tensión alta. Mas adelante explicamos como calcularla.

Dado lo apretado del layout, recomendamos extremar las precauciones a la hora de asegurarse que no se produzcan contactos indeseados entre las patillas de los componentes.

Es imprescindible aislar aquellas patilla largas o que crucen otras patillas, con espagueti termo contraible, o del común. Recordemos además que al cerrar las tapas, algo de compresión se produce, por mas prolijos que hayamos estado, y quedaran ocultos posibles cortocircuitos. Lo que menos queremos es que al GPS en vez de llegarle 3 voltios le lleguen 12 o 24 voltios. Insistimos entonces con la prolijidad y la prevención a la hora de armar el circuito.

En al figura 3 A se puede apreciar como quedan montados todos los componentes. En la figura 3B, solo mostramos el conexionado del cable del GPS y su entrada a la ficha por el orificio lateral.

Los valores de las resistencias R1 y R2 utilizadas fueron de 120 ohms y 180 ohms respectivamente. Estos valores hacen que el consumo en vacío del regulador sea de aproximadamente 10 mA. Esto en algunos casos puede resultar inconveniente, sobre todo si la fuente de alimentación a utilizar esta restringida en potencia. Se pueden adoptar valores mayores para R1 y R2 a condición de que R1 no supere los 470 ohms aproximadamente. Utilizar resistencias mayores a este valor ocasionará que el integrado deje de regular, dando un voltaje de salida mayor al calculado, con los consiguientes riesgos. Con estos valores elegidos de 120 y 180 ohms obtendremos una tensión de salida típica de 3,1 voltios. Si la referencia interna del LM317 tiene un valor de 1,3 voltios, sin embargo, la tensión de salida será de aprox. 3,25 voltios. Se puede ajustar mejor el valor de salida si en lugar de usar una resistencia sola para R2, utilizamos 2 resistencia en serie.

Nota añadida por Antonio Rodriguez Franco: el etrex y los geko se pueden alimentar entre 3 y 5 voltios con toda seguridad. Hay miles de cables que alimentan estos equipos con 5 voltios y no ha habido un solo caso en que haya habido problemas. Hay incluso estudios que indican que a 5 voltios, el consumo del receptor es incluso menor. Con el eMap hay que usar entre 3 y 4 voltios porque a mayor voltaje, no se quema, pero la pantalla se vuelve oscura e ilegible.

El montaje no debería complicarse demasiado si utilizamos resistencias de baja disipación (1/8 de vatio) ya que son de reducido tamaño.

Por ejemplo para un LM317 con Vref de 1.25 voltios (valor típico), si formamos R2 sumando una resistencia de 100 ohms con una de 68 ohms (conectadas en serie), obtendremos 3,0 voltios de salida, de acuerdo a la formula, siempre con R1=120 ohms.

Vout = Vref * (1+R2/R1)

En cambio si nos toca en suerte un dispositivo con un Vref mas alto, 1,3 voltios por ejemplo, sumando 100 ohms mas 56 ohms para R2 obtenemos Vout=2,99 voltios

Valiéndonos de la formula y teniendo en cuenta la posibilidad de armar valores seriando resistencias, podemos aproximar la salida a 3,0 voltios sin mucha dificultad. Por supuesto que se podría utilizar una resistencia variable del tipo trimpot, pero su tamaño dificultaría el montaje dentro del conector.

Para poder realizar estos cálculos y no andar a tientas, es necesario conocer el valor de Vref para el integrado especifico que vamos a instalar. Hay una forma sencilla de medir Vref y la describimos en la figura 5. Recordar que R1 deberá ser una resistencia de entre 100 a 330 OHMS aproximadamente, en todo caso no mayor a 470 ohms.

Por ultimo, si se piensa alimentar el regulador desde una fuente de 12-14 voltios, no hará falta utilizar R3, la que se reemplaza por un cable. En estas condiciones, y con el consumo máximo del etrex de 150 mA, la disipación sobre el LM317 sera de P=V*I=1,65vatios=(14-3)voltios*.15mA. La tapa metálica ayudara a disipar esta potencia.

Si en cambio la tensión de alimentación es de 24 voltios la potencia a disipar sube a 3,15 vatios y la tapa puede ser insuficiente para disiparla. El LM317 bajará su tensión de salida si la temperatura del dispositivo aumenta por encima de un valor seguro, con lo que dejara de proveer los 3 voltios necesarios, cayendo tal vez a 2 voltios. Para que esto no suceda, podemos intercalar R3, con un valor de resistencia conveniente: Si hacemos que R3 valga 47 ohms, disipara Vatios= I2*R= 1,05 vatios, dejando al LM 317 con 2 vatios para disipar. La caída de tensión en R3 será de 7 voltios, por lo que la tensión de entrada al LM317 será de 14 voltios si alimentamos el conjunto con 24voltios. Con este procedimiento podemos resolver otras situaciones de alimentación de mayor tensión. El LM317 soporta hasta 40 voltios de entrada pero en este caso la limitante es la potencia a disipar.

En el ejemplo anterior, R3 sera de 47 ohms y capaz de disipar 1 vatio. El tamaño de la resistencia en cuestión es una variable a sopesar ya que no disponemos de mucho espacio.

Antes de efectuar una conexión al GPS , se deberá verificar bien el conexionado, revisando que no existan conexiones indeseadas por falta de aislamento.

En caso de que el tab de montaje del regulador quede accidentalmente en corto con la tapa metálica estando esta conectada a común, la salida regulada quedara en corto a común, la corriente de corto circuito esta limitada internamente, pero será superior a 1,5 amperes, con el dispositivo en frio. Esta corriente puede ser excesiva para la fuente con la que estamos alimentando el regulador de 3 voltios, por lo que de ser asi, revisar bien la aislamiento del tab respecto a la tapa, para que no se produzcan humaredas.

Convendra revisar el circuito regulador alimentado con la tensión nominal prevista, variándola si es el caso, en todo el rango de tensión de entrada que se prevea, y verificando que la tensión de salida del regulador no supere el valor nominal de salida calculado. También convendrá verificar la tensión de salida bajo carga. A tal efecto, recomendamos conectar una resistencia de 15 ohms/1vatio a la salida del regulador, la que drenara unos 200 mA.


 
 

Nota: El caso del etrex que se negaba a encender.

Si la fuente de energía con la que alimentamos el regulador de 3 voltios no puede entregar el pico de corriente de arranque del etrex (>250 mA), la tensión de salida instantánea del LM317 puede caer muy por debajo de 3 voltios y el etrex no encenderá. Para solucionar este problema, deberemos encender el equipo con un par de pilas colocadas, sin objetar que luego de encendido se puedan quitar, de ser necesario. Si no la opción de agregar un condensador (capacitor) que describimos al final de la nota, es la única solución definitiva.

También, aun cuando la fuente sea capaz de entregar ese pico, la utilización de R3 como ayuda de disipasion de potencia, pudiera suceder que bajos algunas circunstancias de tensión de entrada al regulador un tanto baja, el etrex con pilas agotadas o muy bajas se niegue a encender.

El caso se puede presentar cuando por ejemplo en un regulador que hemos diseñado para trabajar con 12,5 voltios de tensión nominal de entrada (alimentación desde una batería de automóvil, por ejemplo). El regulador debería manejar un rango entre 11 y 14 voltios de tensión de entrada, cómodamente. Sin embargo al alimentarlo con 11,5 voltios, el pico de consumo que presenta el etrex en el momento de encendido, que supera los 250 mA, puede hacer que la caída en R3 sea excesiva y que el LM317 baje su tensión de salida a un valor tal que el GPS no encienda. El efecto no se produce si el GPS tienen las pilas colocadas y en un estado razonable de carga, pero si se puede dar si estamos utilizando el GPS sin pilas o con las pilas al borde de la muerte. En caso de que este circunstancia se presente y nos ocasione un problema, habrá que bajar en lo posible el valor de R3, o en su defecto, colocar un capacitor a la salida del regulador de 3 Voltios, que provea el "surge" de corriente de arranque del etrex. En las pruebas que realice, un condensador (capacitor) de 100 uF/10Voltios, fue suficiente para solucionar el inconveniente. Utilice uno de Tantalio de pequeño tamaño. Se pueden conseguir capacitores de ese tipo de 6 voltios de tensión de trabajo, de menor tamaño aun.

La opción de colocar este capacitor (condensador), a falta de pilas en el equipo, es la única viable si el defecto se produce por ser la fuente que alimenta al regulador demasiado justa en su capacidad de entregar el pico exigido en el arranque. El fabricante del LM317 recomienda el uso de un diodo de protección en caso de que se utilicen capacidades elevadas a la salida del regulador. Si se opta por ponerlo, habrá que agregar un componente mas la ya apretado layout descripto. Un diodo 1N4001 conectado como se muestra en la fig 5 b, bastará para proteger al regulador en el caso en que por accidente se produzca un cortocircuito en la fuente que alimenta a nuestro regulador.

NOTA añadida el 18-10
No escatimar sección de cobre, en el cable que se utilice para llevar Power al GPS. En el caso que nos ocupa, donde la tensión de alimentación es de 3 voltios, una caída ohmica de tensión el par de cables que llevan tensión al equipo, de unos cientos de milivoltios, puede malograr las características de regulación de tensión del circuito integrado. En cables de pequeña sección, no seria raro encontrar una resistencia distribuida de 1,5 ohms para una longitud de 1,5 metros. Esta resistencia a una corriente de 150 miliamperios, producirá una caída de tensión en el cable de 225 mV con lo que los 3 voltios que entrega el regulador, quedaran reducidos a 2,775 sobre el GPS. Teniendo además el pico de corriente de arranque del eTrex por ejemplo, en el momento de encendido, la tensión presente sobre el conector del GPS puede caer mas todavía, y el equipo sin baterías, negarse a encender. Tengo un caso reportado aquí en Argentina, donde este síntoma se producía, y tras revisar el regulador que funcionaba de maravillas, descubrimos que el cable utilizado tenia una sección muy pequeña. Cambiado el mismo por un de sección más gruesa y poniendo 2 cablecitos en paralelo para cada cable de alimentación el problema se

soluciono.

En resumen, tratar de elegir un cable que nos dé una sección generosa de cobre para los cables que se van a utilizar en alimentación. En caso de que se utilice un cable de teclado de PC, o de Mouse, se pueden poner cables en paralelo (si los hay sobrantes) para disminuir esta resistencia parásita. Otra medida es no usar longitudes excesivas de cable si no son
necesarias. En la mayoría de los casos 75 cm de longitud es mas que suficiente.

Conclusion:

Espero que el articulo les sea de utilidad a los que intenten armar reguladores de tensión basándose en el LM317. Vale la pena intentar layouts con encapsulados alternativos. Algunos fabricantes proveen versiones en cápsula mas pequeña, manejando menos corriente (500 mA), pero de mas fácil ubicación dentro de un conector. Para todo este tipo de montaje recomendamos la utilización de un soldador apropiado, de punta extra fina, una buena lupa de campo para efectuar y verificar las conexiones y revisar y medir todo bien antes de exponer el GPS o el Port de la PC a daños indeseados. A los que no tengan experiencia en el armado de circuitos electrónicos, les recomendamos abstenerse de incursionar en ese campo atacando este tipo de montajes bonsai. Habrá que ganar experiencia con montajes mas sencillos primero.