Alimentation des circuits

Dans cette partie du tutoriel, les étudiants ISD apprennent comment les circuits électriques des systèmes embarqués sont alimentés en énergie électrique. Pour les étudiants ETR et BMT, cette partie n’est pas au programme de l’examen.

Fonctionnement sur une prise de courant

Un circuit a besoin d’une source d’énergie pour son alimentation. Pour les circuits fixes, on utilise normalement une prise de courant afin de prélever l’énergie électrique du réseau. Le réseau fournit une tension alternative sinusoïdale de fréquence f = 50 Hz et de valeur efficace 230 V (valeur de crête 325 V). La résistance interne du réseau à une prise est très faible ; le réseau constitue donc une source de tension alternative presque idéale. La valeur de crête ne varie presque pas avec la charge. Une prise met à disposition énormément d’énergie, qu’il faut plutôt limiter artificiellement par des fusibles.

Du point de vue électrique, le réseau est une source parfaite. Malheureusement, un appareil branché sur le réseau ne peut être déplacé que de façon limitée. Nous avons souvent besoin de solutions portables. La tendance est à détacher de plus en plus de circuits du réseau pour les rendre portables.

Votre application a souvent besoin de tension et de courant continus. Si l’on utilise des microcontrôleurs comme un Arduino, il faut en général des tensions d’alimentation de 3,3 V ou 5 V par rapport à la masse. Avec des amplificateurs opérationnels, il faut souvent ±12 V par rapport à la masse. Le réseau ne fournit que de la tension alternative, dont la valeur de crête est souvent beaucoup trop élevée.

Les blocs d’alimentation produisent des tensions continues en sortie à partir de la tension du réseau en entrée. Le plus simple est d’utiliser des blocs secteur que l’on branche directement dans la prise. Le chargeur de votre smartphone en est un. Il fournit en sortie une tension continue de 5 V. Le courant maximal, et donc la puissance maximale, varient. La tension de sortie et le courant de sortie maximal sont normalement imprimés sur le bloc d’alimentation.

Les tensions de sortie typiques des blocs d’alimentation sont 5 V et 12 V. Il existe aussi des blocs à tension de sortie réglable.

Les blocs d’alimentation ont différents connecteurs de sortie : souvent des fiches coaxiales (jack d’alimentation) ou des fiches USB. Veillez à monter sur votre circuit une embase adaptée. Les fiches coaxiales présentent de minimes différences de dimensions qui rendent fiche et embase incompatibles (diamètre intérieur 2,1 mm ou 2,5 mm). Les fiches USB sont souvent moins robustes mécaniquement que les fiches coaxiales.

Fonctionnement sur batterie

Chaque fois qu’un circuit doit être portable (comme un smartphone), on utilise des accumulateurs ou des piles. Dans ce texte, j’utilise le terme accumulateur pour les deux. Les piles ne peuvent pas être rechargées, les accumulateurs si. D’un point de vue écologique, les accumulateurs sont donc préférables aux piles. Malheureusement, à format égal, les tensions de sortie des accumulateurs et des piles diffèrent un peu. Les accumulateurs fournissent une tension un peu plus faible que les piles. C’est pourquoi certains circuits ne fonctionnent qu’avec des piles et pas avec des accumulateurs.

Énergie et format

Le poids et les dimensions d’un accumulateur dépendent de l’énergie qu’il stocke. Les piles sont classées par format, tension et énergie. Les accumulateurs typiques sont les éléments AAA ou AA, souvent utilisés dans les télécommandes. Attention : des accumulateurs de même format (p. ex. AA) n’ont pas forcément la même tension de sortie !

Capacité

Un accumulateur a une capacité C. Elle s’exprime en ampères-heures, c’est-à-dire l’unité du courant multipliée par l’unité du temps. En multipliant la capacité par la tension (moyenne), on obtient l’énergie en wattheures. Un accumulateur LiPo de tension moyenne U = 3,7 V porte par exemple la capacité C = 1500 mAh. À 100 % de SOC, il stocke l’énergie W_Max = U ∙ I ∙ t = 3,7 V ∙ 1,5 A ∙ 1 h = 5,55 Wh = 20 kJ. Vous pouvez en tirer un courant de 1,5 A pendant 60 minutes. Si vous tirez moins de courant, l’accumulateur le fournit plus longtemps.

État de charge

L’état de charge (en anglais « State of Charge », SOC) s’exprime en pourcentage. Un accumulateur vide, sans charge séparée, a un SOC de 0 %. Un accumulateur plein a un SOC de 100 %. Le SOC baisse quand on prélève du courant et augmente quand on charge l’accumulateur. Les fabricants indiquent une tension moyenne. À SOC = 100 %, la tension réelle est un peu plus élevée ; à faible SOC, un peu plus basse.

Autodécharge

Les piles et les accumulateurs se déchargent d’eux-mêmes, même sans récepteur branché. L’autodécharge d’un accumulateur LiPo est d’environ 1 % de la capacité par mois. Pour C = 1500 mAh, cela correspond à un courant permanent d’environ 20 µA. Les piles neuves qui restent des années inutilisées dans un placard se déchargent aussi d’elles-mêmes. Elles peuvent alors aussi couler.

Vieillissement

En vieillissant, les accumulateurs peuvent stocker moins de charge séparée. L’énergie stockable à 100 % de SOC diminue alors. Dans l’exemple ci-dessus, l’accumulateur pourrait par exemple n’avoir plus que W_Max = 4 Wh au bout de 2 ans. Pour un même courant, il est alors vide plus tôt. Vous le connaissez avec les vieux smartphones ou ordinateurs portables : l’autonomie diminue au fil des mois d’utilisation.

Courant de sortie maximal

Les accumulateurs fournissent en sortie un courant maximal à ne pas dépasser. Pour beaucoup d’accumulateurs, cette valeur est imprimée ou indiquée dans la fiche technique. Pour un accumulateur NiMH AA, elle est d’environ 1 A. Pour les accumulateurs LiPo, le courant maximal dépend de la capacité C. On trouve par exemple des indications comme « I_Max = 20C ». Le « C » désigne ici la capacité rapportée à une heure. Pour C = 1500 mAh, le courant maximal vaut alors I_Max = 20 ∙ 1500 mAh / 1 h = 30 A. Si l’on dépasse le courant maximal, l’accumulateur vieillit beaucoup plus vite et chauffe fortement.