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L'alimentation d'un montage électronique, notamment un Arduino, peut se faire de différentes manières. La question se pose souvent de savoir s'il est préférable d'opter pour une alimentation solaire ou de changer régulièrement une batterie. Cet article explore en détail l'alimentation d'un montage Arduino avec un panneau solaire, en tenant compte de la consommation, du choix de la batterie et du panneau solaire, ainsi que d'autres aspects cruciaux.
Il s'agit d'alimenter un montage ayant une consommation journalière relativement élevée, cette consommation étant due souvent à l'utilisation d'un organe mécanique (moteur, pompe, actionneur, gâche électrique) dont on ne peut réduire la consommation car toute action mécanique nécessite de la force, et donc de l'énergie.
Tout montage a besoin d'une tension d'alimentation principale, celle qui va alimenter le microcontrôleur, généralement sous 3.3V ou 5V. On peut avoir également besoin d'une tension supplémentaire pour alimenter un moteur, un vérin, un actionneur ou un module quelconque en 5V, 6V, 12V ou autre.
La première idée qui vient à l'esprit est d'utiliser une batterie 6V ou 12V adaptée au moteur, vérin, ou actionneur, et d'abaisser cette tension à 3.3V ou 5V pour alimenter le microcontrôleur, à l'aide d'un régulateur linéaire de bonne qualité. En choisissant cette solution un problème se pose lors du choix du chargeur. En effet les chargeurs du commerce sont généralement prévus pour de grosses batteries 12V ou 24V, ce qui élève fortement le budget.
Nous allons donc partir du principe que l'on peut parfaitement alimenter un montage à l'aide d'une seule batterie LITHIUM-ION 3.7V (ou de plusieurs en parallèle), et recharger celle-ci avec un petit chargeur automatique très bon marché : le TP4056. La démarche sera la même si l'on a décidé d'utiliser une batterie 6V ou 12V au plomb, mis à part qu'il faudra utiliser un chargeur dédié. Cette solution sera de toutes façons beaucoup plus chère et encombrante. La batterie plomb est la seule toutefois à pouvoir fonctionner à très basse température. Une batterie LITHIUM-ION verra sa capacité diminuer de moitié à -20°C.
Il convient donc de calculer son chargeur de façon précise.
L'étude d'une solution d'alimentation par batterie et recharge solaire ne se fait pas sans avoir une connaissance parfaite de la carte ARDUINO, ESP8266 ou ESP32 :
Certains circuits ne supporteraient pas une tension batterie de 3.7V, c'est le cas du module radio NRF24L01 par exemple. Dans ce cas il conviendra de prévoir un régulateur linéaire 3.3V. Ce régulateur pourra également alimenter le microcontrôleur, une carte ARDUINO PRO MINI 8MHz par exemple, un ESP8266, ou un ESP32.
Un ARDUINO PRO MINI 8MHz 3.3V, si l'on désire un régulateur plus performant que celui implanté sur la carte, peut se contenter d'un régulateur HT7533-1 (100mA).
Le module ESP8266 ou ESP32 nu est la solution basse consommation idéale :
Pour un ESP8266, ou un ESP32 il faudra prévoir un régulateur 500mA, un ME6211 ou un RT9013 par exemple. Ces deux régulateurs ont une consommation propre de 40µA et 25µA. Ces deux régulateurs ont une tension de déchet (drop-out) de 120mV et 170mV, la tension de la batterie pourra donc chuter jusqu'à 3.2V sans problème, il restera encore au moins 3V en sortie. Attention toutefois à la connexion au WIFI, qui va consommer au moins 400mA et faire chuter encore plus la tension de la batterie.
3V est la limite de fonctionnement d'un ESP8266. Un ESP32 sera capable de fonctionner jusqu'à 2.2V, un ARDUINO PRO MINI 8MHz jusqu'à 2.7V. Mais dans tous les cas, 3V est la limite basse pour une batterie LITHIUM-ION.
Une carte consomme en général plus qu'un module nu. Il faudra connaître sa consommation en veille afin de faire un bilan de consommation.
Une carte ESP8266 ou ESP32 est forcément équipée d'un régulateur 3.3V :
Le schéma de cette carte montre un régulateur ME6211 placé entre la broche 5V et la broche 3.3V. Comme vu précédemment, un ME6211 a une tension de déchet de 120mV, et pourra donc être alimenté directement à l'aide d'une batterie LITHIUM-ION ou LIPO, et ceci par la broche 5V.
Le schéma de l'ESP32 DevKit-C montre qu'elle est équipée d'un régulateur AMS1117. Un AMS1117 a une tension de déchet trop importante (1.1V) pour être alimenté à l'aide d'une batterie LITHIUM-ION ou LIPO. Mais on peut très bien l'alimenter par sa broche 3.3V à l'aide d'un régulateur ME6211 et d'une batterie, quitte à retirer l'AMS1117 pour qu'il ne consomme pas de courant sur la batterie.
Pour ces deux cartes, on n'aura donc plus qu'à ajouter un chargeur en parallèle sur la batterie (voir plus loin).
Certaines cartes sont également équipées d'un connecteur pour batterie LITHIUM-ION ou LIPO, comme la LOLIN D32 :
Le schéma de la LOLIN D32 montre deux choses :
Le TP4054 est connecté entre le 5V USB (VBUS) et la batterie. On pourra parfaitement connecter un panneau solaire entre les broches VBUS et GND. Attention à la tension à vide du panneau solaire qui ne devra pas dépasser 9V en plein soleil.
Si le microcontrôleur ou tout autre module (un servomoteur par exemple) doit être alimenté sous 5V, on peut parfaitement élever la tension de la batterie avec un convertisseur STEP-UP, un XR2981 par exemple : Il consommera très peu sur la batterie, 120µA, et pourra éventuellement fournir un courant de 2A.
Ces deux circuits accepteront d'être commandés avec une tension de 3V et possèdent une broche de standby, ce qui permettra de réduire fortement leur consommation au repos (1µA). En bref il faut fouiller chez les revendeurs de composants électroniques pour dénicher le pilote adapté à son microcontrôleur, et de préférence choisir un composant moderne, permettant d'économiser l'énergie.
A partir de la tension de la batterie, il sera possible de fabriquer une tension de 12V ou autre avec un convertisseur STEP-UP, un MT1308 par exemple : Il consommera 170µA sur la batterie, et pourra fournir un courant de 2A.
Si l'on a opté pour une alimentation par batterie au plomb, il est nécessaire d'éclaircir un point. Beaucoup d'amateurs pensent qu'il suffit d'appliquer à la batterie une tension de 14V pour la recharger, et qu'en fin de charge, comme la tension de la batterie va atteindre cette tension de 14V, le courant de charge va s'annuler. C'est vrai en partie. A une température de 25° cela va fonctionner, mais la tension de fin de charge varie en fonction de la température.
Après avoir fait ses choix techniques la première chose à faire est un bilan de consommation électrique.
Il faut tout d'abord connaître les limites de l'utilisation du système. Si par exemple un moteur doit être actionné, le temps de rotation du moteur doit être connu, et le nombre de fois où ce moteur doit être actionné dans la journée également. Connaissant la consommation du moteur, il est facile d'en déduire l'énergie qu'il consommera dans une journée. Le premier problème est de savoir quel sera le courant consommé pour un couple donné. Il est rare que la datasheet d'un moteur ou d'une pompe soit suffisamment précise. En général seul le courant maximal et le couple maximal sont précisés. Il faut souvent réaliser un essai, charger mécaniquement le moteur et mesurer le courant. Pour une pompe il faudra aussi se rapprocher au maximum des conditions réelles (hauteur de liquide à relever par exemple). Pour une gâche électrique ou un actionneur ce sera plus facile.
pendant 2 minutes (donc 20 minutes en tout). Il consomme 100mA. Il est contrôlé par un ESP8266 et un pilote TB6612FNG. Un capteur de luminosité BH1750 est présent, car les actions sont réalisées uniquement pendant le jour.
Un ME6211 permet d'alimenter l'ESP8266 et le BH1750.
L'ESP8266 est en mode veille, sauf pendant les périodes de rotation du moteur.
Il est à noter que le TB6612FNG et le BH1750 sont choisis pour leur aptitude à fonctionner sous 3.3V et leur faible consommation.
On pourrait facilement adapter cette méthode de calcul pour n'importe quel montage, mais il faut retenir une chose : on doit absolument connaître les caractéristiques du matériel utilisé, et pour cela il faut aller à la pêche au renseignements (datasheets, WEB, etc.).
L'exemple choisi est volontairement complexe, afin d'attirer l'attention du lecteur sur les différents types de consommation :
Toutes ces consommations se calculent en mAH (milliampère heure) par jour et s'ajoutent au final.
La consommation permanente de l'électronique sera la suivante :
Soit un total de 500µA, donc 0.5mA. Cette consommation est permanente, donc il faut la multiplier par 24H, ce qui donne 12mAH.
connexion au WIFI (400mA). Une durée de 10 secondes est un maximum, et comme il y a 10 réveils par jour, il faut multiplier par 10 : C = 400mA / 3600 * 10 * 10 = 11mAH
Si l'on utilise un ESP8266 c'est qu'il y a des données à transmettre ou recevoir. Pendant les phases de communications l'ESP8266 consommera environ 200mA. Admettons que nous communiquons pendant 2 secondes après chaque mouvement du moteur : C = 200mA / 3600 * 2 * 10 = 1mAH
Nous obtenons un total de : 12mAH + 33mAH + 23mAH + 11mAH + 1mAH= 80mAH
Cela veut dire que la batterie devra fournir cette énergie quotidiennement et le panneau solaire également.
Il serait bien entendu inenvisageable d'alimenter ce montage à l'aide d'une batterie rechargée manuellement, sachant qu'une batterie de 2500mAH aura une autonomie de : 2500mAH / 80mAH = 31 heures
Notre bilan de consommation est terminé. Il va falloir s'occuper maintenant de la partie alimentation.
Le choix de la batterie et du panneau solaire est crucial pour assurer une alimentation fiable et autonome de votre montage Arduino. Plusieurs facteurs sont à prendre en compte, tels que le courant maximal, la capacité, la météo et l'exposition au soleil.
Une batterie ne se choisit pas simplement par rapport à sa capacité. Il faut tenir compte du courant qu'elle est capable de fournir. Dans l'exemple précédent la consommation maximale instantanée est de 400mA (connexion au WIFI). La batterie devra donc être capable de fournir ce courant sans chute de tension excessive. Si l'on a besoin d'un courant très important on il existe des batteries pouvant fournir 20A ou 30A (MXJO par exemple).
A moins d'avoir des contraintes d'encombrement importantes, la batterie 18650 reste un bon choix, car elle a le meilleur rapport capacité / prix. Sinon, une 16340 ou une petite LIPO feront l'affaire. Pour augmenter le courant disponible et la capacité, on peut accoupler plusieurs batteries 18650 en parallèle, à condition qu'elles soient du même type, même âge, et qu'elles soient correctement chargées au départ. Pour les projets à base d'ESP8266 ou ESP32 une batterie LIFEPO4 (3.6V à pleine charge) est idéale.
Comment calculer la capacité nécessaire ?
Plusieurs facteurs sont à prendre en compte :
Par temps couvert un panneau solaire fournira un peu d'énergie, environ 1% à 2% de son maximum. Cela peut être suffisant pour la recharge, ou pas. Par exemple un panneau de 12V / 1W en plein soleil peut avoir un courant de court-circuit de 250mA, et par temps couvert ce courant tombe à 4mA.
Dans notre exemple précédent l'énergie quotidienne nécessaire est de 80mAH. En été et en plein soleil cette recharge serait effectuée en : T = 80mAH / 250mA = 0.32 heures soit un peu plus de 19 minutes
Dans notre exemple précédent la consommation permanente est de 500µA, ce qui veut dire que 4mA sont amplement suffisants pour recharger la batterie, sauf quand le moteur tournera, mais cela va prendre du temps. Nous avons calculé que nous avons besoin de 80mAH par jour : T = 80mAH / 4mA = 20 heures
On voit tout de suite que la recharge sera insuffisante par temps couvert, car le soleil se sera couché bien avant l'heure prévue. Si l'on considère que, l'hiver, on aura 8 heures de luminosité par jour, la recharge fournira seulement 4mA x 8 = 32mAH, soit 40% des besoins.
La solution peut être d'adopter un panneau fournissant 2.5 à 3 fois plus d'énergie, ainsi on n'aura même pas à se préoccuper de la météo. Cette solution est envisageable pour une installation de faible puissance (quelques watts), car pour un panneau de taille supérieure le prix sera prohibitif.
Une exposition au sud aura de meilleures chances de provoquer une recharge plus rapide de la batterie, par temps ensoleillé. Par contre par temps couvert l'exposition a peu d'importance. Le courant sera le même, que le panneau soit bien exposé ou pas.
Si l'on tient compte de la météo et de l'exposition, une marge plus ou moins importante de capacité batterie est nécessaire. Dans certaines régions il est possible d'avoir plusieurs jours de temps couvert consécutifs.
Dans tous les cas il faut avoir quelques informations en main :
Il est bien entendu déconseillé d'acheter un panneau dont on ne connaît pas le courant de court-circuit.
Dans l'exemple précédent l'énergie quotidienne nécessaire est de 80mAH. Avec un petit panneau de 1W capable de fournir 32mAH par temps couvert, on a un déficit de : D = 80mAH - 32mAH = 48mAH Une semaine de temps couvert, donc d'autonomie complète, conduira au choix d'une batterie de 48mAH x 7 jours = 340mAH.
Attention tout de même. Il faut tenir compte du fait que lorsque la batterie sera presque vide, sa tension va chuter à 3V et elle ne sera peut-être plus capable de fournir un courant suffisamment important pour notre montage. Lorsque l'on regarde la courbe de décharge d'une batterie LITHIUM-ION, on voit que la tension chute fortement à partir de 25% de capacité restante.
| Élément | Description | Importance |
|---|---|---|
| Consommation journalière | Quantité d'énergie consommée par le montage chaque jour | Essentiel |
| Courant de court-circuit du panneau | Courant maximal que le panneau peut fournir en plein soleil | Essentiel |
| Énergie fournie par temps couvert | Quantité d'énergie que le panneau peut fournir par temps couvert | Important |
| Nombre de jours couverts consécutifs | Nombre de jours consécutifs sans soleil dans votre région | Important |
| Capacité de la batterie | Quantité d'énergie que la batterie peut stocker | Essentiel |
tags: #alimenter #arduino #avec #panneau #solaire
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