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Alimentation de la CNP

jeudi 2 février 2006, par Gilles S.

L’alimentation du robot s’effectue à l’aide de 6 batteries rechargeable de type NiCd ou NiMH, chaque batterie faisant 1,3V à pleine charge et 1V lorsqu’elles sont déchargées. On a donc une tension d’alimentation qui varie entre 6V et 7,8V.

L’électronique de la carte numérique a besoin d’une tension stabilisée de 5V. Nous allons faire appel à des régulateurs pour fournir cette tension.

 Alimentation ’Numérique’

L’alimentation ’Numérique’ de la carte doit permettre de fournir en courant :
- Un micro-Contrôleur ( 20 à 30 mA),
- Son circuit de Reset (< 1 mA),
- Un convertisseur RS232/TTL ( 5 mA),
- Deux Leds ( 10 mA),
- Eventuellement un driver pour chaque moteur pas à pas ( 10 mA),
Nous avons donc un courant maximum inférieur à 100 mA.

Les régulateurs de tension fixe se décomposent en deux groupes :
- Les Régulateurs ’Standard’,
- Les Régulateurs ’Low Drop’.

Les régulateurs ’Standard’, sont les plus anciens et sont souvent présentés dans des boîtiers TO220. Ils ne sont pas cher, peuvent sortir un fort courant, permettent une grande variation dans la tension d’entrée (Vin) mais nécessitent que cette tension d’entrée soit supérieure d’au moins 3V à la tension de sortie (Vout). Exemple : le 7805, un classique parmi les régulateur avec Vout=5V, ne peut pas fonctionner avec un Vin en dessous de 8V.

Les régulateurs ’Low Drop’, sont plus récents, bénéficient d’une technologie avancée. Plus chers, ils sont souvent présentés dans des boîtiers CMS (SOT223). Ils sont plus cher, leur tension d’éntrée est plus réduite mais assurent un bon fonctionnement même avec une Vin-Vout de 0,5V seulement.

Dans le cadre de notre carte, il est évident qu’il faut privilégier les régulateurs Low-Drop. De plus, il faut prévoir un courant de sortie maximum assez important afin d’une part de prévoir la consommation de capteurs supplémentaire et d’autre part pour le le composant ne chauffe pas trop.

Nous avons donc choisi le LM2937IMP-5 de National SemiConductor en boîtier SOT223-4, permettant de consommer jusqu’à 500mA. Etant donné le boîtier, tant que la consommation ne dépassera pas les 250 mA, il n’y aura pas de problèmes de surchauffe.

 Alimentation de ’Puissance’

L’alimentation de ’Puissance’ de la carte doit permettre de fournir en courant des actionneurs, voire des moteurs pas à pas. Étant donné la consommation de ces composants, nous avons prévu une alimentation pouvant aller jusqu’à 3A.

A ce niveau de consommation se pose le problème, se pose la question de la chaleur dissipée par le régulateur : en effet, le régulateur va absorber une puissance de P = U x I = (Vout-Vin) x I, donc en moyenne P=(7,2V - 5V) x 1,5A = 3,3W, et au maximum P=(7,2V - 5V) x 3A = 6,6W. Aucun régulateur n’est capable de dissiper cette puissance tout seul,

Nous avons deux solutions pour palier à cet inconvénient :
- Ajouter un radiateur sur le boîtier du régulateur,
- Utiliser une Alimentation à Découpage.

L’ajout d’un radiateur va permettre aux calories d’évacuer plus facilement la puce et donc diminuer la température au coeur de la puce. C’est la technique employée dans les PC pour refroidir les Pentium et Athlon qui sinon fondraient sous la chaleur dégagée. Ces puces chauffent tellement que l’on est obligé de mettre un ventilateur pour améliorer encore l’évacuation des calories.
Dans notre cas, cette technique n’est pas très indiquée, car cela veut dire que l’on va dépensée de l’énergie stockée dans les batteries pour produire de la chaleur !! Pas très malin ...

De son coté une Alimentation à Découpage permet également d’obtenir une tension de sortie fixe, mais en employant une technique différente, donc le principe est très bien expliqué ici dans le menu "Alimentation ... Alim Découpage".
L’avantage de ce type d’alimentation est qu’elles transforment une puissance d’entrée en une puissance de sortie avec un bon rendement, autrement dit on a par exemple Pout = 80% x Pin.
Si on a Pout=5V x 3A = 15W, nous aurons donc Pin=15W / 80% = 18,75W  Iin= 18,75V / 7,2V et donc In= 2,6A. Non seulement nous consommons moins d’énergie des batteries, mais le régulateur ne doit donc dissiper qu’une puissance de Pout-Pin=0,6W, ce qui est très faible.

Nous avons donc choisi le LM2670S-5.0 de National SemiConductor en boîtier CMS TO263, permettant de consommer jusqu’à 3A sous 5V. Pour permettre des meilleures performances, nous lui adjoindrons une self de chez Coilcraft et des condensateurs Low-ESR, c’est à dire avec une faible résistance interne afin d’optimiser les cycles de charges/décharges.

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