L'été dernier, je passais une semaine avec un ami des Pays-Bas et, au milieu de cette semaine, nous avons décidé de faire un voyage à vélo de 20 km jusqu'à une plage voisine. Problème? Nous voulions discuter tout au long du voyage, mais le bruit du vent était fort et se crier dessus en faisant du vélo n'aurait pas été amusant. J'avais en tête un logiciel de talkie-walkie, mais je n'avais en ma possession qu'un seul Pi alimenté par batterie. Je suis donc allé dans ma salle d'atelier et, une demi-heure plus tard, j'en suis ressorti avec un Pi Zero enveloppé dans quelques câbles.
J'aimerais pouvoir vous dire que cela a fait des merveilles. Le Zero n'avait pas assez de puissance CPU, je n'en avais que des monocœurs de rechange, et le logiciel que j'avais en tête commençait à bégayer gravement à chaque fois que nous essayions de l'exécuter en mode bidirectionnel. Mais la solution d’alimentation par batterie était fantastique. Si vous avez besoin de votre hack pour devenir mobile, lisez la suite.
En 2022, j'ai décidé de lancer le sort Be Not Afraid pour vous fournir une bonne quantité d'informations sur le travail avec les batteries Lithium-Ion. Au cours de la dernière année, j'ai encadré activement de nouveaux hackers développant divers gadgets, et chaque fois que je liais les trois articles LiIon à quelqu'un, je me rendais compte qu'il manquait des directives, des schémas et des dispositions de carte très spécifiques.
Préparez les outils
En termes d’outils, vous devriez disposer d’un multimètre et d’un fer à souder – le multimètre en particulier est idéal lorsque vous travaillez avec des éléments LiIon car il vous permet de vérifier très rapidement l’état de la batterie. Vous aurez également besoin de fils que vous pourrez souder et d'un petit nombre de composants courants.
En dehors de cela, vous aurez besoin de cartes disponibles sur Aliexpress – des cartes de chargeur TP4056, et éventuellement d'un élévateur de 5 V si vous comptez charger sur autre chose que l'USB.
Maintenant, vous avez besoin d'une batterie. Vous voudrez en choisir un qui a une tension nominale d'environ 3,7 V et une tension de charge complète d'environ 4,2 V – ce qui correspond à la plupart d'entre eux, à l'exception des éléments comme le LiFePO4, dont nous ne parlerons pas ici. Vous pouvez en acheter de nouveaux ou les récolter sur d'autres appareils, les anciens 18650 provenant d'appareils comme les ordinateurs portables conviennent tant qu'ils ne semblent pas suspects, ne sont pas endommagés mécaniquement et que vous leur procurez un support – ne les soudez pas. Les batteries de poche conviennent également, encore une fois, si elles sont en bon état, d'apparence saine, pas trop déchargées et soudées soigneusement si vous le devez. Vous souhaiterez peut-être également vous procurer un circuit de protection pour protéger votre batterie – les cartes TP4056 que je recommande ont tendance à en avoir déjà une incluse, vous pouvez les récupérer sur d'anciens appareils autrement, ou simplement les obtenir auprès d'Aliexpress. De plus, si vous réutilisez une cellule de smartphone, un circuit de protection sera probablement présent.
Enfin, regardez votre carte de développement – trouvez également son schéma si possible. Il y a de fortes chances qu'il appartienne à l'une des trois catégories en ce qui concerne l'alimentation des cartes : « a besoin de 3,3 V », « a besoin de 3,3 V à 5 V » ou « a besoin de 5 V ». L'aperçu est que nous fournirons 5 V au module chargeur TP4056 pour charger la batterie, et en fonction de la carte de développement, nous devrons prendre la sortie de la batterie et la conditionner davantage. Ici, nos chemins divergent.
Votre carte a besoin de 3,3 V
Un ESP32, un ESP8266 et un Pi Pico ont tous la même chose en commun : ils ont simplement besoin de 3,3 V pour l'alimentation, et vous pouvez facilement le fournir à partir d'une batterie LiIon, donc à la base, vous n'avez besoin que d'un régulateur de 3,3 V. . Sur de nombreuses cartes ESP32 et ESP8266, il y a même déjà un régulateur de style 1117 sur la carte, mais ceux-ci ont tendance à avoir un problème. Les régulateurs 1117 sont particulièrement mauvais pour une utilisation LiIon. En raison de leur tension de chute élevée, ils ne parviennent pas à fournir 3,3 V à une entrée aussi basse que 4 V, donc lorsque la batterie est à 50 % de sa capacité, ils se coupent déjà. Il existe des régulateurs LDO de remplacement compatibles avec les broches qui sont très bon marché et accessibles – AP2111 et AP2114 sont mes préférés, alors achetez-en quelques-uns. Quant aux cartes Pi Pico, ou aux ESP avec de petits régulateurs à boîtier SOT23-5, celles-ci ont tendance à être déjà compatibles LiIon !
Nous avons donc une entrée USB de 5 V, une batterie LiIon qui doit être rechargée et nous avons besoin de 3,3 V pour le microcontrôleur. Câblez la carte TP4056 au 5 V et connectez sa sortie à la batterie. Une mise en garde existe : vous ne pouvez pas extraire l'énergie de la batterie pendant qu'elle est en charge, cela perturberait l'algorithme de la puce du chargeur LiIon ! Nous résolvons ce problème avec trois composants : une résistance, une diode et un petit MOSFET, mélangeant la tension du chargeur et de la batterie de manière à ce que l'entrée du chargeur soit utilisée pour l'alimentation chaque fois que le chargeur est branché. Cela crée un rail d'alimentation qui va d'environ 5 V jusqu'au niveau le plus bas de la batterie, soit environ 3,5 V en pratique. J'appelle ce circuit à trois composants un « chemin de puissance », car c'est ainsi que l'on appelle généralement les circuits destinés à de telles fins !
Vous pouvez bien sûr ajouter ce circuit à une carte de développement – de nombreuses cartes Sparkfun et Adafruit font exactement cela, tout comme de nombreuses cartes de développement conçues en Orient. En outre, vous pouvez mesurer la tension de la batterie via un diviseur de résistance, comme indicateur très grossier de l'état de charge. Pour les cartes ESP32 et ESP8266, diviser la tension de la batterie jusqu'à 1 V est le meilleur choix pour la précision des mesures de leurs périphériques ADC. Vous pouvez donc faire quelque chose comme un diviseur de 330 kΩ / 100 kΩ, et pour des CAN compatibles 3,3 V sur un RP2040 ou un ATMega, un diviseur 1:1 (soit 470 kΩ / 470 kΩ) fera très bien l'affaire. Vous voulez des recommandations de pièces ? Nous en avons parlé dans le dernier article !
Oh, et, ce qui est amusant à propos du Pi Pico ? Regardez son schéma et remarquez une chose amusante : nous avons accès à tous les signaux et composants dont nous avons besoin, et la diode nécessaire est déjà présente sur la carte Pi Pico. Pour alimenter un Pi Pico à partir d'une batterie LiIon avec tous les avantages qu'apporte notre circuit, vous n'avez besoin que d'une résistance, d'un FET et d'une carte TP4056 pour le chargement.
Il s’agit d’une solution sérieusement universelle. Cela s'applique à un grand nombre de cartes de développement avec tellement de MCU différents que vous perdriez facilement le fil si je devais tous les énumérer. Même si ces cartes peuvent être initialement conçues pour 5 V, vous n'avez pas besoin de créer réellement 5 V, sauf si vous devez également alimenter des éléments tels que des servomoteurs ou des périphériques USB. Mais un Pi Zero, par exemple, a besoin de 5 V.
Votre carte a besoin de 3 V à 5 V
Il existe de nombreux HAT à batterie Pi Zero sur le marché, et la plupart d'entre eux ont tendance à utiliser un circuit destiné à une batterie externe pour alimenter le Pi Zero en 5 V. Ceci est assez inefficace car le Pi Zero lui-même n'a pas réellement besoin de 5 V. En interne, il alimente l'entrée 5 V de son régulateur pour générer 3,3 V et 1,8 V dont les puces ont réellement besoin. De plus, il y a un secret : vous pouvez alimenter ce régulateur avec une tension aussi basse que 3,3 V, car il dispose d'un mode de cycle de service à 100 % qui lui permet d'effectuer un passage. Cela donne au régulateur une large plage d'entrée, de 3,3 V à 5 V. Vous vous souvenez de notre circuit de chemin d'alimentation ? Ouais, tu peux simplement l'utiliser à nouveau.
Voici une considération très importante que nous allons résoudre ! Vous voyez ces ports microUSB sur le Pi Zero ? Ils sont directement connectés à l’entrée du régulateur, qui à son tour est directement connectée à la batterie lorsqu’aucun chargeur n’est connecté. Votre tâche est de vous assurer que vous ne pouvez plus rien brancher accidentellement sur ces ports. Heureusement, peu de gens désirent réellement un port MicroUSB, et encore moins un port MicroUSB OTG – soudez votre propre port USB-A ou USB-C aux points de test GND/D+/D- en bas et apportez 5 V à partir d'une étape supplémentaire. régulateur.
Si vous envisagez d'utiliser le port HDMI, tous les appareils HDMI ne seront pas compatibles avec la réception de 3,3 V sur le rail d'alimentation dédié du HDMI. Par conséquent, si vous rencontrez des problèmes, vous souhaiterez peut-être également fournir votre 5 V à la broche HDMI 5 V – elle a une diode sur laquelle vous pouvez confortablement souder un fil. Voilà à peu près tous les problèmes de cette méthode, et en retour, vous obtenez une durée de vie de la batterie considérablement accrue – je peux faire fonctionner un Pi Zero avec quelques périphériques pendant plus de 20 heures à partir d’une cellule LiIon de 5 000 mAh.
Mais si vous avez besoin du 5 V, comment trouver un élévateur de 5 V ? Habituellement, effectuez une recherche au même endroit où vous avez obtenu vos cartes TP4056. Les régulateurs LM2956 seront trop encombrants si tout ce que vous voulez est d'alimenter un ou deux périphériques USB, et ceux à circuit intégré à trois broches seront trop sous-alimentés, mais il y a beaucoup de régulateurs au milieu qui suffiront à générer 5 V à 500 mA pour tout ce dont vous avez besoin. Je les préfère de loin car ils semblent même fonctionner correctement lorsqu'ils sont alimentés à partir de 5 V ; cela fait environ 7 ans que j'ai commencé à les utiliser, donc vous trouverez peut-être aussi une meilleure option. De plus, de nombreux périphériques USB peuvent être alimentés à partir de 3,3 V, mais c'est tout un pari sur ceux qui le feront.
Cela s’applique également à bien plus que le Pi Zero. Par exemple, j'ai récemment jeté un œil au schéma du Banana Pi M4 Zero lors de mes recherches, et son régulateur semble également être entièrement compatible avec cette méthode d'alimentation – à l'exception du régulateur SY8089 alimentant le module WiFi. Cependant, les cartes Pi pleine taille ne fonctionneront pas bien avec cette méthode – avec celles-ci, vous souhaiterez alimenter directement votre carte à partir d'une augmentation ou d'une diminution de 5 V.
Votre carte a absolument besoin de 5 V
Si vous êtes sûr que votre carte a vraiment besoin de 5 V, vous devez en effet lui en fournir. C'est là que le circuit a tendance à devenir simple, car il existe de nombreux circuits intégrés pour cette tâche : vous devez faire la même chose qu'une batterie externe, donc pour de nombreuses raisons, vous pouvez réutiliser un circuit de batterie externe. Vous trouverez ces circuits sur des tableaux inappropriés et appropriés – par exemple.
L'un des problèmes avec l'approche IC powerbank est que beaucoup de ces puces coupent leur sortie 5 V chaque fois qu'un chargeur est branché. Pour cela, vous pouvez facilement construire un commutateur basé sur FET qui fait passer la tension du chargeur chaque fois que le chargeur est branché. Le chargeur est branché et, peut-être, déconnectez également la sortie du circuit intégré pendant que vous y êtes. Vous voulez un exemple de conception open source que vous pouvez modifier et fabriquer ? Voici. Vous avez une batterie externe USB-C combinant entrée et sortie USB-C ? Vous pouvez probablement utiliser la station d’accueil USB-C la plus simple possible avec un relais de charge qui vous fournit un port de sortie USB-A ou USB-C.
L'approche 5 V est simple et le principal problème est qu'elle entraîne un gaspillage. Si vous alimentez un Pi Zero, ce type de circuit fera passer la batterie de 3 V à 4 V jusqu'à 5 V uniquement pour que le Pi Zero la redescende à 3,3 V, ce qui vous fait gaspiller une quantité notable d'énergie. perte du régulateur au lieu d’alimenter votre processeur pendant plus d’heures. À la rigueur, vous pouvez toujours compter sur les cartes simples de type powerbank, mais si vous n'avez pas réellement besoin de 5 V, la durée d'exécution réduite vous rendra triste, c'est pourquoi vous devriez connaître les circuits ci-dessus.
Conception de référence pour durer jusqu'à la prochaine fois
Enfin et surtout, voici une conception de référence pour KiCad pour tous vos besoins LiIon. J'ai développé un PCB d'assistance pour alimenter vos appareils portables qui peut vous aider à gérer une large gamme de batteries LiIon avec lesquelles vous pourriez travailler, qu'il s'agisse de cellules de poche ou de 18650 dans des supports SMD et THT. Cette carte possède une tonne de fonctionnalités de qualité de vie ! Il y a le chemin d'alimentation, les empreintes TP4056 et 5 V DC-DC avec contrôle FET pour le DC-DC, le connecteur JST-SH à 2 broches pour les cellules en poche (polarité Adafruit), les fusibles pour deux cellules 18650 que vous pouvez y mettre, un supplément Port USB-C pour le chargement câblé au TP4056, trous de câblage pour connecter les fils à la carte de manière mécaniquement stable, protection contre l'inversion de polarité et même LED d'alarme d'inversion de polarité par cellule, LDO 3,3 V séparé avec contrôle FET compatible avec les deux SOT0223. et LDO SOT23-5, et même un bouton de déclenchement de protection au cas où le circuit de protection resterait bloqué à l'état d'arrêt comme je l'ai décrit. De plus, j'ai récemment ajouté quelques trous de montage dans les coins, amélioré les marquages en soie de mauvaise polarité pour les LED et les points de test D-/D+ pour le port USB-C intégré – après tout, je devrai commander un nouveau lot de bientôt ces planches !
J'ai initialement développé cette carte pour mon propre usage lors de hackathons matériels, où j'ai remarqué que je devais toujours déployer une solution à petite échelle pour alimenter n'importe quel gadget sur lequel je piratais – gagner quelques heures lors d'un hackathon a tendance à se traduire par d'excellents résultats. résultats. Au fil des années, cette conception a alimenté plusieurs de mes projets portables, y compris des conceptions que j'utilise depuis des années, et je l'ai même utilisée pour déclencher des explosifs à petite échelle à plusieurs reprises – dans Minecraft, bien sûr. Le design est entièrement ouvert, vous pouvez donc le remixer, y voler des empreintes et des symboles, fabriquer un petit lot, c'est à vous de décider.
Et si vous avez besoin de plus, comme du 12 V ? À un moment donné, les augmentations d'une telle tension deviendront inefficaces et vous souhaiterez peut-être simplement connecter des batteries LiIon en série, comme le font de nombreux appareils de plus grande puissance. Cela nécessite cependant plus de prudence de votre part, c'est pourquoi jusqu'à présent, nous n'avons parlé que de configurations en série unique. Consacrons le prochain article à la mise en série de plusieurs cellules, afin que vous sachiez ce qu'il faut pour traiter les batteries en toute sécurité tout en obtenant une tension confortablement élevée pour n'importe quel circuit que vous pourriez avoir en tête.
