J’utilise un Raspberry-Pi 3B pour acquérir et publier automatiquement les données de ma station météo. Le Pi m’a semblé bien adapté à cet usage. Cependant, comme mentionné sur ce blog, la gestion de l’alimentation est un problème. L’absence d’une horloge secourue peut aussi s’avérer gênante.
Pourquoi une alimentation sans coupure pour le Raspberry Pi
Après avoir lu l’article publié ici (Lire l’article sur le Pi-Desktop), J’ai acheté un boitier PI-Desktop et j’y ai installé le Raspberry-Pi. Tout fonctionne conformément à ce qui est écrit dans l’article et à la notice, un anneau lumineux bleu du plus bel effet en prime. On résout ainsi une partie des problèmes mais il subsiste celui du redémarrage (ou plutôt du non redémarrage) après coupure de courant.
Pour tenter de supprimer cet inconvénient, j’ai d’abord testé un chargeur “power bank” pour smartphone que j’avais déjà par ailleurs mais une micro-coupure rédhibitoire au moment où on débranche l’alimentation secteur m’a fait abandonner cette solution. Finalement je me suis lancé dans la construction une petite alimentation sans coupure (ou UPS pour Uninterruptible Power Supply).
Réalisation
Cahier des charges
Pour un usage de gestion d’une station météo, le Raspberry-Pi est assez peu sollicité. Dans mon cas et pour un Raspberry-Pi 3B, la consommation est inférieure à 0,4 ampères. Dans certaines conditions cependant, celui-ci peut semble-t-il consommer un courant de plus de 1 ampère. J’ai choisi de dimensionner les éléments de l’alimentation de manière à ce qu’elle soit capable de fournir au moins 1.5 ampères.
Liste des éléments
- Une alimentation micro-USB pour le Raspberry-Pi d’au moins 2,5 A (en général on l’a déjà si on a le Pi)
- Un module de gestion de charge pour accu Li-Ion avec entrée sur micro-USB ou non (+/- 2€)
- Un module convertisseur DC-DC de 3 V vers 5 V /2A avec sortie sur USB A (+/- 2€)
- Une diode de type 1N 582x pour I > 1 A ou de type 1N 400x pour I <= 1 A
- Un MOSFET canal P à très faible RDSon (NDP 6020P par exemple avec un RDSon de 50 à 75 mΩ)
- Un accu Li-Ion (dans mon cas un accu Emmerich 3.7 V, 2.6 A.h), on peut aussi récupérer une batterie de smartphone
- Un super-condensateur 5.5 V / 1 Farad (+/- 2.5€). En fait, un condensateur électrolytique de 1000 µF fait l’affaire
- Une résistance 100 kΩ
- Une plaquette pour disposer et connecter les éléments
- Une petite boite plastique adaptée
- Cordons USB et µUSB avec conducteurs AWG 24
Schéma général de l’alimentation sans coupure
Fonctionnement général
Comme on peut le voir ci-dessus, le schéma est assez simple. Le premier module à gauche gère la charge de la batterie Li-Ion à partir du 5 V fourni par la micro USB et le module de droite redonne une tension de sortie régulée de 5V en sortie vers le Pi.
Le MOSFET canal P de type NDP6020 reste bloqué aussi longtemps que le la tension d’entrée est présente et le module convertisseur est alors alimenté par cette même tension d’entrée diminuée du ΔVf de la diode. La batterie peut être chargée ou en charge tout en restant isolée du convertisseur par le MOSFET.
Si par suite d’une coupure secteur, le 5V au niveau de l’entrée du module de charge disparaît, alors la gate descend à 0 et le MOSFET devient conducteur. Le module convertisseur est alors alimenté par la tension de batterie diminuée du ΔVDS, très faible du fait du très faible RDSon.
Le condensateur (ou la “super cap”) assure une réserve de charge pendant la commutation et évite toute coupure. L’alimentation du Pi est assurée pendant un temps qui dépend de sa consommation et de la capacité de la batterie (∼ 5 heures pour 2.6 A.h et 0.35 A).
Noter que j’ai abandonné la “super cap” au profit d’un simple condensateur électrolytique de 1000 µF qui est mieux adapté à un fort débit même si sa capacité est considérablement plus faible.
Le contrôleur de charge
L’entrée se fait soit par la micro USB soit directement par soudure. Deux LEDs indiquent les états (rouge en charge, bleu chargé). La charge est contrôlée par le TP 4056P. Le courant max de charge est défini par la résistance R3. Pour R3 = 1.2kΩ, comme sur ce module, le courant est de 1 ampère. Les deux autres circuits assurent la protection de la batterie contre la surcharge ou la sur-décharge, par coupure de la liaison B-<–>Out- au travers du FS8205A.
Le convertisseur DC-DC de 2.5 – 4.5 V vers 5V
Ce convertisseur est capable de fournir plus de 2 ampères. La fréquence de travail du G5177C est de l’ordre de 500 kHz. Le rendement de conversion est supérieur à 90% pour une tension d’entrée comprise entre 3.5 et 4.2 V et un courant de 2A. Une LED indique l’état de fonctionnement (bleu = OK, rouge = défaut). La sortie se fait via la prise USB-A.
Sur le schéma type, l’inductance est de 2.2 µH. Elle est en réalité de 4.7 µH pour ce module.
Ces modules se trouvent facilement sur Internet (en provenance de Chine bien entendu…) et pour la somme modique d’environ 2€ pièce.
Câblage et montage
Coté composants
J’ai soudé les deux modules tête-bêche sur la plaquette perforée via des pins issues de barrettes tulipe à wrapper. Ces pins sont elles même soudées sur les modules. L’avantage des pins tulipe est de pouvoir y connecter directement des petits fils de cuivre rigide (voir la photo ci-dessus). J’ai collé directement la batterie sur la plaquette avec de l’adhésif double faces.
Coté soudures
Vue coté soudures : le peu de composants permet de se dispenser de la réalisation d’un circuit imprimé même si c’est un peu moins propre… Sur la gauche de la photo ci-dessus, on peut voir les deux conducteurs d’alimentation soudés directement au module.
J’ai préféré souder directement les fils au circuit d’entrée pour éviter les problèmes dus à un trop fort courant qui pourrait entraîner une détérioration du connecteur micro USB. En effet, pour un courant de 1 A en sortie du convertisseur, le courant à travers la diode est d’environ 1.35 A. Si de plus la batterie est en charge, un courant de 2.35 A est nécessaire en entrée du montage. C’est à mon avis très (trop ?) limite pour une connexion via micro USB type B.
Ventilation du boitier
En cas de courant important et durant la recharge de la batterie, le boitier chauffait un peu. Pour y remédier, j’ai effectué des perçages dans le boitier et adjoint des plots adhésifs pour le surélever et permettre la circulation de l’air. Cela permet une convection naturelle suffisante.
Dimensionnement des câbles
Côté câbles, celui reliant l’alimentation du Raspberry-Pi à la boite est assez critique. Il me semble impératif d’utiliser un câble équipé de conducteurs d’alimentation de section suffisante. AWG 24 (= 0,2mm2) me paraît être un minimum pour limiter la chute de tension. De plus, si on choisit de souder directement les conducteurs au module de charge, on peut réduire la longueur du câble au strict minimum. Un câble AWG 24 de 60 cm a déjà une résistance de 0,1Ω (1,2 m / 0,2mm2), soit une perte de 0,1 V par ampère.
Conclusion
On peut, en utilisant des éléments et des composants bons marché et faciles à trouver, réaliser une alimentation sans coupure pour le Raspberry-Pi. Je n’ai testé la réalisation décrite dans cet article que jusqu’à un courant de sortie de 1 A. Cependant, j’ai dimensionné les composants pour atteindre au moins 1,5 A et il devrait être possible d’atteindre ce courant pour peu que l’on utilise une source 5 Volts capable de débiter au moins 3 A.
Liens
https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Components/General%20IC/NDP6020P.pdf
Cet article Alimentation sans coupure pour Raspberry-Pi a été publié en premier sur Framboise 314, le Raspberry Pi à la sauce française.....