Alimentations et tensions

Lors de la mise en place d’un projet simple, il est aisé d’utiliser la source d’énergie directement appropriée

Ex : pour  un appareil fonctionnant en 4,5 v, on met 3 piles de 1,5V et le tour est joué .

 

Malheureusement, en electronique/robotique , les choses ont tendance à très vite se compliquer :

 

Pour un robot autonome , il est tentant d’utiliser une batterie 12V (bas coût et reserve d’energie interessante)

Ceci étant, que va alimenter notre belle batterie 12V ?

– un ou des arduinos, fonctionnant sous 5V ?

– un pcduino 3,3V ?

-des servos 6V ?

– des moteurs divers et variés fonctionnant selon la taille en 3, 6, 9, 12 V …..

 

Et encore il ne s’agit là que d’éléments utilisés couramment …..

 

Il faut donc trouver le moyen d’ adapter nos 12V de base aux différentes utilisations qui en seront faites.

Différentes solutions peuvent être adoptées, selon le résultat à obtenir.

Il faut tout d’abord se méfier des solutions simplistes.

Vous trouverez sur le net, beaucoup de forums ,où l’on vous préconise de réaliser un pont diviseur :

pontdivDans ce type de montage U = U1 + U2

et si les résistances sont égales U1 =U2 = U/2

Ainsi avec une source 12V, on obtient du 6V….

….sauf que si la théorie est tentante, la réalité l’est beaucoup moins: en effet ,il ne faut pas oublier que les 6V sont faits pour servir à quelque chose :alimenter une charge (i.e montage d’utilisation)

 

Et cette charge représentera elle même une certaine résistance complémentaire, ce qui fiche en l’air notre belle théorie du départ des 2 résistances égales

Donc à moins de connaitre précisément cette résistance de charge et d’être sûr qu’elle reste fixe,ce montage risque de s’avérer pôur le moins complexe à gérer

D’où le faite que généralement , on privilégie des solutions indépendantes de la charge.

 

L’on dispose pour ce faire, de deux possibilités :

 

1) L ‘utilisation de régulateurs linéaires de tension

Il s’agit des fameux 78XX, ou 79XX sur lesquels Renzo nous a fait un topo électronique début 2013 pour apprendre à les manipuler

Comment fonctionnent ils ? Ce sont des composants qui  abaissent  la tension en utilisant l’effet joule .

Par exemple vous avez une source de tension 9V ,à transformer en 5V : un 7805 fera le travail , mais les 4V de différence ne disparaissent pas par magie : ils sont dissipés sous forme de chaleur .

Le composant va donc « chauffer » ,mais dans certaines limites permettant de maintenir son intégrité de fonctionnement

Il pourra donc évacuer un certain nombre de watts, que l’on peut éventuellement augmenter en élargissant la surface de contact du composant avec l’air ambiant ,d’où l’utilisation éventuelle de radiateurs

(C’est le même principe que pour les processeurs des ordinateurs, qui ont un radiateur pour évacuer la chaleur, et même un ventilateur en complément)

on voit rapidement le corollaire de ce mode de fonctionnement :

A partir du moment où votre tension source est fixée, la tension à obtenir imposée par l’utilisation , la différence de potentiel est donc imposée.

La puissance s’exprimant par : P (W) = U (V) x I (A)

tension (différence de potentiel) imposée

Puissance dissipée maximum (en watts) également fixée

On se rend vite compte que l’ampérage obtenu grâce à ce type de composant sera limité

au mieux, quelques centaines de mA

Parfait pour alimenter en direct  des capteurs peu gourmands , une diode ….

mais impossible  pour des moteurs ou servos , du moins « en direct »

 

2) les alimentations à découpage

 

Elles sont utilisées de différentes façons :

Un convertisseur Buck, ou hacheur série, est une alimentation à découpage qui convertit une tension continue en une autre tension continue de plus faible valeur.

Un convertisseur Boost , ou hacheur parallèle, est une alimentation à découpage qui convertit une tension continue en une autre tension continue de plus forte valeur.

Un convertisseur Buck-Boost est une alimentation à découpage  qui convertit une tension continue en une autre tension continue de plus faible ou plus grande valeur mais de polarité inverse.

Un convertisseur Flyback est une alimentation à découpage, généralement avec une isolation galvanique entre l’entrée et la sortie (très utilisé dans l’industrie)

 

Pour l’utilisation en robotique, nous serons plutôt dans un cadre « Buck » (éventuellement flyback)

 

Quel est le principe des alimentations à découpage ?

Pour faire simple, on applique sur la sortie, la tension d’entrée pendant une fraction du temps seulement . On obtient donc une tension de sortie moyenne, inférieure à la tension d’entrée et proportionnelle au temps où on « laisse passer » la tension initiale.

Il n’y a donc pas (ou relativement peu) d’échauffement ,contrairement aux régulateurs linéaires, donc pas de radiateurs encombrants …

Soit l’alimentation est à tension de sortie prédéfinie (ex 5V)

Soit l’alimentation est ajustable : la plage de tension de sortie est large (ex : 1 à 12V  pour entrée 2 à 30V)

Inconvénient : le hachage est générateur de parasites ,ce qui peut être gênant pour certaines utilisations.

Avantage: ce type d’alimentation a un rendement souvent aux alentours de 90% .On perd donc beaucoup moins d’énergie qu’avec un régulateur linéaire qui évacue une bonne part de l’énergie d’origine en chaleur.

 

Ceci tend à me faire dire que si les régulateurs linéaires sont adaptés pour de faibles ampérages (Ce n’est pas trop pénalisant d’utiliser 200 mA pour en produire 100 par ex )

Les alimentations à découpage se justifient pleinement pour des utilisations plus gourmandes

Si l’élément de base est donné pour une sortie maxi de 1A en général, il est assez aisé de trouver des alimentations à découpage ,mises en oeuvre dans des montages de puissance très compacts ,à 10 – 15A … et à des prix intéressants

Ex : datasheet d’alimentation Murata  alimentation_murata