L'alimentation électrique

Une alimentatiopn électrique est une source d'énergie capable de maintenir en permanence une différence de potentiel entre ses deux bornes (dans le cas d'une source d'alimentation monophasée) ou plusieurs extrémités (dans le cas par exemple d'une source d'énergie triphasée). Ainsi, nous retrouvons cette énergie électrique sous différentes formes telles que:

• formes régulières comme le signal alternatif, continu, triangulaire, carrée, ...
• ou autres : multipolaire, multitensions, impulsionnelle, ...

L'unité de mesure de cette différence de potentiel est le Volt

Les différentes sources d'alimentations électriques

En électricité, il existe plusieurs types de sources d'électricité que nous pouvons classer comme suit :

• Les sources d'énergie verte, tels que les éoliennes (photo ci-dessous par Zbynek Burival sur Unsplash) et les panneaux solaires, permettent de nous alimenter avec une capacité variable en fonction de leur dimension et la taille du parc.

• les générateurs électrostatiques: qui permettent de nous alimenter avec quelques centaines de kilovolts (kV) tels que les panneaux solaires photovoltaïques, la machine de Van de Graaff, etc.
• les alternateurs et les dynamos : qui permettent de nous alimenter de quelques volts à quelques centaines de kilovolts.
• les accumulateurs et les piles : ces sources d'énergie mobiles nous permettent de nous alimenter de quelques millivolts à quelques dizaines de volts. Ci-dessous un exemple de pile électrique, appelé aussi accumulateur (photo par Mika Baumeister sur Unsplash)

La source de courant continu

Une source de courant est dite continue si la différence de potentiel entre ses deux bornes (+) et (-) reste constante et invariante dans le temps. Les piles et les accumulateurs sont de bonnes sources d'électricité continue. Généralement, les valeurs les plus courantes des batteries sont de 1.5V, 4.5V, 9V et 12V. Les accumulateurs disposent d'une plus grande force entre les deux bornes et fournissent une différence de potentiels plus importante que les batteries de petite taille.

Le sens conventionnel du courant I, celui qui circule dans la partie extérieure de la source de courant, circule du pôle (+) vers le pôle (-)

Les deux flèches en couleur rouge, représentées dans le schéma ci-dessous, indiquent le sens de circulation conventionnel du courant électrique ; soit du pôle (+) au pôle (-) de la batterie 12 V. Dans ce circuit, tous les élements sont montés en série. Le même courant i traverse donc tous les éléments de ce circuit. Il traverse également le filament de la lampe jusqu'à l'incandescence (effet calorifique).

Associations de plusieurs sources d'alimentations

Dans certains cas, nous sommes contraints d'associer deux ou plusieurs sources d'énergie ; par exemple des piles de même type. Par exemple, dans votre jouet téléguidé, vous alimentez votre commande de votre petite voiture, votre jouet ou votre robot, 2, 3 ou 4 piles de type AAA ou de type AA en fonction de la taille et l'énergie électrique demandée. Plus simplement, cela dépend de la valeur de la différence de potentiel, appelée aussi la tension électrique, ou d'intensité requise pour faire fonctionner votre système.

Et d'une manière plus simple, il existe deux modes d'associations : soit en série, soit en parallèle.

Association en série

Pour obtenir une valeur de tension plus élevée à partir de plusieurs sources d'alimentation électrique à valeur fixe, un montage en série nous permet d'obtenir ce résultat. Prenons le cas d'exemple des piles de notre jouet téléguidé, les piles sont disposées en série de sorte qu'on relie le pôle + d’une pile au pôle − de la suivante. Le montage ci-dessous nous présente cela :

Avec \( V_{1} \), \( V_{2} \), ... , \( V_{n} \) les valeurs de la tension de chaque source d'alimentation de notre montage en série.

La tension totale de notre montage en série est ainsi donnée : \[ V_{tot} = V_{1} + V_{2} + ... + V_{n} \]

Pour ce qui concerne le courant \( I_{tot} \) qui circule dans ce circuit, le circuit impose un seul courant commun. Ce qui nous confirme que la valeur du courant qui traverse l'ensemble des batteries est unique :

\[ I_{tot} = I_{1} = I_{2} = ... = I_{n} \]

Donc la batterie ayant la plus faible intensité, qui présente une résistance interne plus élevée, va limiter ainsi le courant qui traverse l'ensemble de nos sources d'alimentation.

Une calculatrice en ligne pour les sources d'alimentation en série Une calculatrice mise en ligne proposée par Electro-Robot vous permettant de déterminer rapidement les deux composantes caractéristiques \( V_{tot} \) et \( I_{eq} \) de la source d'alimentation équivalente :  Association en série de plusieurs sources d'alimentation (Calculatrice)

Association en parallèle

Contrairement au premier montage, les différentes sources d'alimentation sont disposées cette fois-ci, en parallèle. Soit toutes les bornes (+) sont connectées ensemble et toutes les bornes (-) sont connectées ensemble. Il est à noter qu'on ne met jamais des sources d'alimentation en parallèles ayant des valeurs de tension \( V_{i} \) différentes (soit donc toutes les sources ont la même valeurs \( V_{i} \) ). Le montage ci-dessous nous présente cela :

Avec \( V_{1} \), \( V_{2} \), ... , \( V_{n} \) les valeurs de la tension de chaque source d'alimentation de notre montage en parallèle. Ce qui nous donne : \[ V_{tot} = V_{1} = V_{2} = ... = V_{n} \] puisque toutes les valeurs \( V_{i} \) sont identiques.

Pourquoi on ne connecte pas plusieurs sources à valeurs différentes \( V_{i} \) dans un montage en parallèle ? Si vous connectez plusieurs sources ne disposant pas de la même valeur \( V_{i} \), le montage sera donc déséquilibré et la source ayant la valeur la plus élevée alimentera les autres. Donc, il est déconseillé voir dangereux de connecter plusieurs sources d'alimentation ayant des valeurs \( V_{i} \) différentes ! Pour vous expliquer cela plus simplement, si nous mettons 2 batteries en parallèle avec \( V_{1} \lt V_{2} \) , la batterie \( V_{2} \) sera comme une source d'énergie qui chargera la batterie \( V_{1} \).

Et pour le courant totale fourni par notre montage \( I_{tot} \), nous pouvons appliquer la loi des noeux telle que :

\[ I_{tot} = I_{1} + I_{2} + ... + I_{n} \]

Une calculatrice en ligne pour les sources d'alimentation en parallèle Une deuxième calculatrice proposée par Electro & Robot pour calculer rapidement les deux composantes caractéristiques \( I_{tot} \) et \( V_{eq} \) de la source d'alimentation équivalente : Association en parallèle de plusieurs sources d'alimentation (Calculatrice)

Gestion de l'alimentation

En électronique, la gestion de l'alimentation, appelée aussi Power Management en anglais, est l'ensemble des techniques, circuits électroniques et logiciels qui nous permettent d'alimenter, de contrôler et de distribuer l'énergie électrique dans un système électrique, automatisé ou autre en fonction de nos besoins. Par exemple pour un ordinateur de bord, l'étage de l'alimentation électrique fournit à la carte mère les différentes valeurs de tensions nécessaires pour faire fonctionner les circuits logiques, processeurs, périphériques et autres.

Pour gérer les différents besoins en alimentation électrique, ces circuits et montages sont classés en 3 catégories telles que :

• Régulateurs de tension linéaire : ces composants fournissent une tension de sortie précise tout en dissipant l'excès de tension reçue à l'entrée de l'étage du régulateur.
• Convertisseurs DC-DC : ces circuits électroniques permettent de convertir une tension continue en une autre à l'aide d'une commutation électrique type PWM, d'une inductance et de condensateurs ou à l'aide d'un interrupteur électrique.
• Chargeurs de batterie : ce sont des circuits intelligents pour charger des batteries de type Li-ion, NiMH, etc. en toute sécurité, sans les endommager, tout en contrôlant la tension, le courant (et parfois la température).

Ainsi, pour réaliser nos cartes électriques de nos futurs robots, nous aurons besoin de certains composants électriques qui nous permettent d'obtenir facilement et rapidement la tension ou le courant électrique souhaité. Dans la suite de notre cours, nous allons donc découvrir ensemble quelques références de composants de gestion de l'alimentation très utiles dans l'électronique de manière générale et spécialement dans le domaine de la robotique.

Régulateurs de tension linéaire

Ces circuits permettent de fournir la valeur exacte de la tension requise en absorbant l'excès de tension reçue à l'entrée de cet étage et ils sont généralement réglables. Ces composants agissent comme des "résistances variables intelligentes". 

Indispensables dans les alimentations électroniques, les régulateurs de tension linéaires protègent les circuits sensibles et garantissent un fonctionnement fiable des appareils. Pour découvrir ces composants, nous vous proposons une liste des régulateurs les plus utilisés que nous pouvons utiliser dans nos futurs projets électroniques:

• LM7805 : C'est la référence absolue pour faire du 5V fixe. Ce composant permet de fournir un courant maximal allant de 1A à 1,5A selon le boîtier. Ce circuit par exemple est très utile pour alimenter des circuits numériques de la famille TTL ou CMOS.
• LM7812 : La solution similaire au LM7805 mais qui nous fournit une tension à sa sortie d'une valeur de 12V fixe. Ce circuit est aussi très utile pour alimenter les solutions électriques diverses en domotique, solutions intelligentes, robotiques, etc mais aussi certaines solutions numériques à base des circuits logiques des deux familles TTL ou CMOS.
• LM337 : très utile pour les circuits électriques lorsque l'on a besoin d'une alimentation −V stable, ce régulateur linéaire ajustable de tension négative.
• LM317 : de la même famille du LM337, ce circuit permet de fournir une tension de sortie régularisée, entre 1.25V et 37V, à l'aide de deux résistances externes.

Convertisseurs DC-DC

Appelés aussi convertisseur courant continu vers courant continu, est un circuit électronique qui transforme une tension continue en une autre tension continue. Ce système utilise spécialement un interrupteur électronique, une inductance, un ou plusieurs condensateurs ou une commande PWM contrairement à un simple régulateur linéaire. Parmis ces componts, nous pouvons lister :

• LM2596 : Ce circuit est la référence absolue du hacheur Buck low-cost, il fonctionne à une fréquence de 150 kHz et peut fournir jusqu'à 3A à sa sortie.
• MT3608 : Ce composant est parfait pour alimenter un circuit en 5V ou 9V à partir d'une simple batterie Li-Po de 3,7V, pour un courant maximal d'environ 2A. Un des incontournables pour les solutions électroniques de petites tailles et les modules minuscules, minatures. 
• XL4015 : Très similaire au LM2596 mais plus puissant et opérant sur la fréquence de 180 kHz. Il est capable de générer jusqu'à 5A, une fois installé avec un bon dissipateur thermique. Ce composant est généralement présent avec les modules nécessitant une limitation de courant tels que les chargeurs de batterie.
• TL431 : C'est le couteau suisse absolu de l'électronique, c'est une référence Shunt programmable pouvant nous fournir des tensions allant de 2.5V jusqu'à 36V quand on l'installe à travers un pont diviseur. On le retrouve dans quasiment toutes les alimentations à découpage telles que les alimentations PC, chargeurs de téléphone, etc.
• TLV431 : ce composant est la version "Low Voltage" du TL431 en vue de la faible tension de référence interne qui se limite à 1.24V, ce qui permet de l'utiliser dans des circuits modernes alimentés en faible tension allant jusqu'à 3.3V.

Chargeurs de batterie

Ce ne sont pas de simples régulateurs ou des convertisseurs DC-DC, ce sont des solutions avancées dotées d'un algorithme particulier qui surveillent le courant, la tension et même dans certains circuits la température pour recharger une batterie chimiques de type Lithium, NiMH principalement sans l'endommager.

• TP4056 : Cette carte est la star de ceux qui cherchent à apprendre et à se lancer dans le monde du Faites-le vous-même, en anglais Do It your Self; DIY, et qu'on peut le trouver à bas prix. Elle est capable de gérer le cycle de charge complet en trois phases; Courant Constant, puis Tension Constante, puis coupure automatique pour un courant max de 1A.
• MCP73831 : Un des circuits d'alimentation proposés par Microchip pour les petits objets embarqués. De petite taille ultra-compact, souvent en boîtier SOT-23, ce circuit accepte une tension d'entrée de l'ordre de 5V pour charger une batterie de type Li-ion (1 cellule de type Li-ion pour une tension nominale de 4.2V à 4.5V) tout en contrôlant le courant de charge, la tension finale de charge, la sécurité thermique et temporelle et l'état de la charge.