Se vi è mai capitato di osservare il robot a due ruote basato su Arduino di uno studente avanzare a fatica per otto minuti, tremare e riavviarsi improvvisamente ogni volta che il sensore a ultrasuoni attiva una curva, vi siete imbattuti nel problema della batteria 9V PP3. La batteria non è difettosa: le si sta semplicemente chiedendo di svolgere un compito per cui le leggi della fisica non l'hanno concepita.

Una comune batteria rettangolare da 9V si esaurisce rapidamente nei progetti di robotica scolastica a causa di tre fattori concomitanti: una capacità energetica interna ridottissima, un'alta resistenza interna che provoca un drastico calo di tensione sotto il carico dei motori e la dispersione termica del regolatore di tensione lineare integrato su Arduino. Comprendere i calcoli alla base di questi problemi consente di scegliere facilmente architetture di alimentazione più economiche e durature per la classe.

Cosa c'è all'interno di una batteria da 9V?

Rimuovendo l'involucro metallico di una comune batteria alcalina PP3 da 9V si trovano sei minuscole celle cilindriche da 1,5V (spesso denominate AAAA) collegate in serie. Essendo miniaturizzate, la loro capacità chimica complessiva è notevolmente bassa, in genere compresa tra 400 milliampere-ora (mAh) e 550mAh con scarica molto lenta.

Aspetto fondamentale: i produttori dichiarano tale capacità in condizioni ideali, ovvero con un carico continuo di appena 15-25 milliampere (mA), tipico di un rilevatore di fumo o di un multimetro digitale. Quando viene inserita in un progetto Arduino per azionare due motoriduttori DC TT gialli (che assorbono da 200mA a 400mA ciascuno) insieme a un microcontrollore, un sensore a ultrasuoni e un driver motore a ponte H, l'assorbimento di corrente supera facilmente i 500mA - 800mA. Sotto un carico così gravoso, la capacità effettivamente utilizzabile di una cella da 9V crolla a una minima frazione del suo valore nominale.

La matematica del calo di tensione e dei brownout

Ogni batteria possiede una resistenza interna ($R_{int}$). Per una batteria alcalina da 9V nuova, la resistenza interna parte da un valore compreso tra $1.5\,\Omega$ e $2.0\,\Omega$, per poi aumentare rapidamente man mano che la batteria si scarica.

Quando viene assorbita una corrente ($I$), la tensione erogata ai morsetti della batteria ($V_{terminal}$) scende secondo la formula:

$$V_{terminal} = V_{open} - (I \times R_{int})$$

Consideriamo cosa accade quando un rover Arduino avvia i motori da fermo. La corrente di spunto o stallo momentaneo di due piccoli motori DC può facilmente raggiungere 1,0A:

• Tensione a circuito aperto: 9.0V
• Caduta di tensione sulla resistenza interna: $1.0\text{A} \times 2.0\,\Omega = 2.0\text{V}$
• Tensione istantanea ai morsetti: $9.0\text{V} - 2.0\text{V} = 7.0\text{V}$

Dopo appena dieci minuti, con la progressiva scarica della batteria e la resistenza interna che sale a $3.5\,\Omega$, quello stesso picco da 1,0A fa scendere la tensione ai morsetti a $5.5\text{V}$. Le schede Arduino Uno e Nano utilizzano regolatori lineari integrati (come l'AMS1117 o l'LM1117) per generare la linea di alimentazione stabile a 5V richiesta dal microcontrollore ATmega328P. Questi regolatori necessitano di un margine di tensione di caduta ("dropout voltage") di circa 1,0V - 1,2V. Quando la tensione di ingresso scende sotto i 6,2V circa, la linea a 5V collassa, attivando il circuito di brownout reset del microcontrollore. Il robot si resetta, i motori si fermano, il carico svanisce, la tensione risale a 8V, Arduino si riavvia e il ciclo si ripete all'infinito.

La penalizzazione del regolatore lineare

Ancora prima che la tensione scenda fino alla soglia di brownout, alimentare un Arduino con una batteria da 9V tramite il pin VIN o la presa jack dissipa quasi la metà dell'energia della batteria sotto forma di puro calore.

Un regolatore lineare riduce la tensione comportandosi come una resistenza variabile. Dissipa la tensione in eccesso ($V_{in} - V_{out}$) moltiplicata per la corrente che lo attraversa:

$$P_{loss} = (V_{in} - 5\text{V}) \times I$$

Nel passaggio da 9V a 5V, si sprecano 4V su ogni 9V forniti: un'efficienza elettrica di appena il 55%. Il restante 44% della costosa energia della batteria viene disperso sotto forma di calore sul minuscolo chip del regolatore a montaggio superficiale.

Confronto tra sorgenti di alimentazione per la robotica scolastica

Cosa usare in alternativa in classe

Per le classi della scuola primaria e secondaria impegnate in progetti secondo il curriculum ufficiale di Coding e Robotica, abbandonare i connettori a clip da 9V consente di risparmiare sensibilmente sul budget ed elimina i continui tempi morti per la risoluzione dei problemi in aula.

1. Il portabatterie per 4xAA o 6xAA

Le comuni celle AA hanno una capacità energetica circa quattro o cinque volte superiore rispetto a una batteria da 9V e una resistenza interna nettamente inferiore. Un pacco da 4xAA fornisce 6,0V (alcaline) o 4,8V (NiMH), consentendo di alimentare direttamente i driver dei motori DC e di alimentare contemporaneamente la linea logica regolata. Un pacco da 6xAA (7,2V–9,0V) garantisce un margine di tensione sufficiente per il pin VIN di Arduino, evitando cali di tensione (brownout) all'avvio dei motori.

2. Alimentazione a doppia linea (isolare i motori dai microcontrollori)

La procedura ingegneristica più pulita consiste nel separare l'alimentazione della logica da quella dei motori. Si alimenta il microcontrollore Arduino tramite la porta USB usando un economico power bank ricaricabile a singola cella da 5V, mentre i motori e il driver a ponte H vengono alimentati da un pacco batterie 4xAA dedicato. È sufficiente collegare insieme le linee di massa (GND) delle due sorgenti. In questo modo, quando i motori vanno in stallo o assorbono picchi di corrente, la caduta di tensione interessa esclusivamente la batteria dei motori, mantenendo perfettamente stabile la linea a 5V del microcontrollore.

3. Pacchi 2S Li-ion 18650 con convertitore buck step-down

Per le squadre di robotica della scuola secondaria che partecipano a gare open-hardware come WRO RoboMission, le celle agli ioni di litio 18650 standard in configurazione 2S (nominale 7,4V) offrono la massima densità energetica. Invece di inviare 7,4V all'inefficiente regolatore lineare di Arduino, è preferibile collegare la batteria tramite un economico convertitore switching step-down (convertitore buck) impostato a 5,0V. I regolatori switching lavorano con un'efficienza compresa tra l'85% e il 95% e non disperdono la tensione in eccesso sotto forma di calore.

Assicuratevi che qualsiasi portabatterie per 18650 utilizzato a scuola sia dotato di circuito di protezione della batteria (BMS) integrato per prevenire scariche eccessive, cortocircuiti e rischi di inversione di polarità durante l'uso da parte degli studenti.

I vantaggi economici del passaggio

In Sudafrica, una singola batteria alcalina da 9V costa tra R40 e R65. In una classe di 30 studenti che lavorano in coppia durante un trimestre di dieci settimane, la sostituzione delle batterie da 9V esaurite ogni tre sessioni pratiche può facilmente costare a una scuola oltre R2.500 a trimestre in materiali di consumo ricorrenti. Dotare i telai dei robot di batterie AA NiMH ricaricabili o di pacchi agli ioni di litio protetti dal catalogo di componenti Sheen Robotics si ammortizza nel giro di due cicli di progetto, eliminando al contempo la frustrazione dei riavvii del robot durante le dimostrazioni.