Une alimentation économe à base de MCP1700 pour nos montages électroniques DIY.

Dans cet article nous allons nous intéresser aux régulateurs de tension et en particulier au MCP1700 ce qui nous permettra de fabriquer une petite alimentation sur accu pour nos futurs montages électroniques fonctionnant en 3,3V.

Comme vous l'avez certainement remarqué si vous passez de temps en temps sur ce blog, cela fait plusieurs mois j'essaie de réaliser un objet connecté fonctionnant sur accu et qui dispose d'une autonomie suffisamment longue pour être réellement utilisable en domotique. Ce projet nous a déjà permis d'étudier et de comprendre plein de choses et nous avons même réalisé des prototypes de sondes de température qui commencent à tenir la route. Mais ce que j'ai compris également, c'est que l'utilisation des microcontrôleurs proposés sous forme de modules intégrant des composants annexes, tels qu'une puce de communication UART ou un régulateur de tension, consomment trop d'énergie pour avoir une longue autonomie sur piles. La solution, car il y a toujours une solution comme disait ma grand mère, sera de réaliser nos montages en utilisant des microcontrôleurs les plus économes possible et sous leur forme la plus simple possible (je pense aux ESP12-F ou aux AtTiny85).

Pour réaliser des montages utilisant ces microcontrôleurs "économes", il va falloir fournir la bonne tension, la plus propre et stable possible: c'est le rôle des régulateurs de tension!

Regardons ça de plus près ...

1. Généralités sur les régulateurs de tension et focus sur le MCP1700

Dans ce chapitre nous allons commencer par aborder quelques généralités histoire de comprendre ce qu'est un régulateur de tension, à quoi ça sert, pourquoi en utiliser. Ensuite nous regarderons de plus près le MCP1700 car c'est essentiellement ce modèle que nous utiliserons à l'avenir dans nos montages électroniques.

1.1 Qu'est-ce que c'est ?

D'après Wikipédia: Un régulateur de tension, est un organe électrotechnique ou un composant électronique qui maintient à sa sortie, dans certaines limites, une tension constante, indépendamment de la charge et de la tension d'entrée.

En gros un régulateur permet de fournir une tension déterminée en fonction du besoin d'un circuit et non imposé par l'alimentation et également une tension stable.

Il existe de nombreux type de régulateurs de tension: à découpage, linéaires, intégrés, LDO (à faible chute), ...

Etant donné que nous cherchons uniquement à comprendre comment alimenter de petits circuits que nous allons réaliser nous même pour ajouter des capteurs à notre solution domotique, cela n'aurait aucun sens de chercher à comprendre et détailler les différents types de régulateurs. Pour aller à l'essentiel (attention SPOILER) le MCP1700 est de type LDO et c'est précisément ce qu'il nous faut.

1.2 A quoi ça sert ?

La bonne question à poser en réalité serait "pourquoi utiliser un régulateur" alors que nous avons vu dans des articles précédents qu'il est tout à fait possible d'alimenter nos circuits avec des tensions qui varient (en gros entre 3V et 5V).

En réalité tous les composants ne supportent pas autant d'écarts.

De plus, certains microcontrôleurs que nous avions utilisés, comme l'ESP12E NodeMCU, sont des modules qui incluent leur propre régulateur.

Mais la principale raison va être de garantir la qualité et la stabilité de la tension aux bornes du circuit. Pour bien fonctionner, un circuit électronique ou un microcontrôleur ont besoin d'une alimentation stable et présentant une tension la plus proche possible de ce que préconisent les fabricants (on retrouve ces préconisations dans les documentations "datasheet").

Lorsqu'un microcontrôleur est alimenté par un accu, il est soumis à une tension plus importante que sa tension de fonctionnement nominal lorsque l'accu est chargé au maximum (par exemple, à pleine charge, un accu 18650 donné pour 3,7V délivre en réalité 4,2V). Ensuite, au fur et à mesure, la charge de l'accu diminue et la tension à ses bornes diminue également, en général de manière non linéaire ( notamment pour les accus Li-Ion) et lentement au début. Puis,en fin de décharge de l'accu, la tension se met à chuter très rapidement.

De plus, la tension aux bornes des composants d'un circuit va également varier en fonction de la consommation électrique du circuit. Il peut y avoir des chute brutales de tension lorsqu'une fonction du circuit s'active. Par exemple, lorsque l'ESP8266 va établir sa connexion en wifi, la consommation électrique va connaitre un pic et la tension aux bornes de l'accu va connaitre un pic de chute rapide et brutal. Cette chute peut parfois faire basculer le circuit sous son seul minimum de tension et ainsi provoquer un reboot du microcontrôleur. Et lors de son rédémarage, le 𝜇C peut exécuter une séquence d'initialisation qui va soliciter un courant important ... donc une nouvelle baisse de tension ... donc un nouveau reboot ... Comme disait ma grand mère: la boucle est bouclée!

Tout ceci nous montre que si nous voulons construire des circuits sur accu qui seront stables et autonomes durablement nous allons devoir utiliser un régulateur de tension.

Si les sujets de la mesure des tensions avec les ports analogiques d'un ESP8266 ou du suivi de la décharge d'un accu vous passionnent, je vous invite à (re)lire mes articles:

1.3 Les régulateurs LDO

Les régulateurs à faible chute de tension (LDO, Low Dropout Regulator) sont des régulateurs dont la tension de déchet entre l’entrée et la sortie est très faible. Ils sont particulièrement utiles lorsque la tension à fournir est proche de la tension de l'alimentation.

La tension de déchet représente la perte de tension engendrée par un composant.

Pour ceux d'entre vous qui souhaitent approfondir leur connaissances théoriques sur les LDO voici un article très complet ICI.

1.4 Le MCP1700

Il existe certainement de nombreux modèles de régulateurs LDO. J'en connais seulement deux: la série des LM78xx/LD1117 et celle des MCP1700.

Les LM ou LD sont disponibles avec des tensions de sorties de 1,8 à 15V en passant par 3,3v et 5v. Mais imposent une tension d'entrée supérieure de 2,5V à la tension de sortie pour les LD. De plus ils ont une chute de tension supérieurs aux MCP et donc chauffent et consomment plus de courant. Par contre ils permettent d'alimenter des circuits plus puissants, allant jusqu'à 800mA.
De fait, cela les rend quasiment incompatibles avec des alimentations sur accu.

Les MCP1700 sont aussi disponibles en différentes tensions de sortie: 1.2V, 1.8V, 2.5V, 2.8V, 2.9V, 3.0V, 3.3V, 5.0V. En ce qui me concerne, je me suis procuré le modèle MCP1700-3302E/TO que j'ai trouvé ICI. Je vous mets aussi un lien sur Amazon que vous puissiez visualiser le produit mais en terme de prix je n'ai pas trouvé mieux que sur eBay.

1.4.1 Descriptif technique

Le MCP1700 est de la famille des régulateurs de tension CMOS à faible chute de tension (LDO). Il peuvent fournir jusqu'à 250 mA de courant tout en ne consommant que 1,6 μA au repos (typique).

La plage de fonctionnement d'entrée est spécifiée de 2,3 V à 6,0 V, ce qui en fait un choix idéal pour les applications alimentées par batterie à deux et trois cellules primaires, ainsi que pour les applications alimentées au lithium-ion à cellule unique (si on veut mettre plusieurs accus il faudra donc les placer en parallèle et non pas en série).

Le MCP1700 est capable de fournir 250 mA avec seulement 178 mV de différentiel de tension d'entrée à sortie (quand VOUT = 2,8 V).

Il existe plusieurs modèles dans la la gamme MCP1700 proposant des tensions de sortie de 1,2 V à 5,0 V.

Il embarque un mécanisme de limitation de surintensité et d'arrêt en cas de sur température fournissant ainsi une solution robuste pour n'importe quelle application.

Les format de package sont SOT-23, SOT-89, TO-92 et 2x2 DFN-6:

Pour ma part j'ai choisi le TO-92 car plus facile pour moi à souder sur un PCB ou simplement utiliser sur une breadboard.

Et pour en savoir plus, les plus courageux d'entre nous peuvent retrouver toutes ces informations et bien plus dans le datasheet ICI.

1.4.2 Tension minimum d'alimentation

Ce paragraphe est important car il va nous permettre de comprendre comment calculer la valeur minimum de l'alimentation pour que le MCP1700 délivre une tension de sortie de 3,3V. Pour cela nous allons nous référer au datasheet ICI. Et du coup, si comme moi vous ne savez pas bien comment lire ces documents très techniques, cela va vous permettre d'en apprendre un peu plus.

Concernant la tension d'entrée (Vin), dans le tableau de caractéristiques (à la page 3), il y a un renvoi (note 1) qui indique qu'elle doit remplir les deux conditions :

Vin ≥ 2,3V
Vin ≥ ( Vr + 3.0% ) + Vdropout

où Vr est la tension de sortie nominale, et Vdropout la chute de tension minimale entre l'entrée et la sortie (définie dans les conditions précisées par la note 5).

Dans notre cas, nous avons Vr = 3,3V et il est indiqué dans le tableau que Vdropout < 350mV pour un courant de sortie de 250mA (NB : la tension Vdropout est d'autant plus importante que le courant de sortie est élevé, et elle dépend de la température et peut varier légèrement d'un composant à l'autre).

Si nous reprenons toutes ces données dans la formule précédente:

Vin ≥ ( 3,3 * 1,03 ) + 0,350

Pour pouvoir produire 3,3V et 250 mA de courant, il faudra donc que Vin ≥ 3,749V.

1.4.3 Intensités et température maximum

Par ailleurs, pour respecter les limites de dissipation thermique, il faudra aussi limiter le courant afin que la température du composant reste au-dessous du maximum spécifié (Tj < 125°C en fonctionnement - voir données page 4) :

( ( Vin - Vr ) × Iout × θja ) + Ta < Tj(max)

soit :

Iout < ( Tj(max) - Ta ) / ( ( Vin - Vr ) × θja )

Par exemple, avec un régulateur 3,3V en boîtier TO-92 (θja = 92°C/W) et une température ambiante maximale de Ta = 50°C à proximité immédiate du composant (les jours de canicule ou dans un lieu mal ventilé, on pourrait même avoir plus) et une tension maximale d'entrée Vin = 6V, on aurait :

Iout < ( 125-50 ) / ( (6 - 3,3) × 92) = 301mA

En limitant la consommation moyenne en courant à une valeur inférieure à celle calculée, on s'assure que la protection thermique intégrée (≈140°C) ne s'activera pas et que le composant ne s'usera pas à cause d'une température trop élevée.

Le courant continu maximum dépend donc beaucoup du modèle de boîtier choisi et des conditions d'utilisation.

2. Mise en pratique

Maintenant que nous avons tout compris sur le MCP1700 (ou pas d’ailleurs), nous allons nous amuser à bidouiller concrètement tout ça. La première chose que je vais faire c'est réaliser un montage sur breadboard pour faire quelques mesures de tension.Ensuite nous réaliseront une alimentation sur accus que nous pourrons réutiliser par la suite dans la réalisation de nos objets connectés.

2.1 Liste du matériel utilisé

Philosophie commerciale: Je ne suis pas actionnaire d'Amazon ou autres eBay. Les liens que je vous donne pointent sur du matériel compatible avec mes montages, que je recommande et que j'ai en général acheté moi même. Je choisi du matériel de bon rapport qualité/prix/service (livraison, SAV,...) Si vous faites un achat en passant par un de mes liens, la (minuscule) commission qui me sera versée ne nuira pas aux bénéfices des géant du e Commerce et m'aidera à investir pour rédiger de nouveaux articles. Et si aucun matériel ne vous intéresse, vous pouvez mettre ce lien https://amzn.to/30xd8Ag dans vos favoris et l'utiliser quand vous aurez besoin de quelque chose sur Amazon.

Un GRAND merci à tous ceux qui ont joué le jeu et ceux d'entre vous qui le joueront

2.1.1 Les MCP1700

MCP1700 sur eBay

Comme nous l'avons vu il en existe plusieurs modèles. Pour ma part j'ai choisi le package TO-92 car plus faciles à utiliser avec une breadboard. On les trouve sur eBay ou Amazon (mais plus cher et sans bénéficier de la livraison Prime donc je déconseille). Le lien que je vous donne ci-contre correspond à ce que j'ai trouvé de moins cher (port compris). Moi j'ai acheté ICI.

2.1.2 Le petit matériel

Il vous faudra aussi tout un tas de petit matériel pour réaliser les montages et les tests.

Pour commencer quelques breadboard. Et pour ça je n'ai pas vraiment de conseils à vous donner. Vous pouvez regarder ce lien ICI et choisir ce que vous préférez.

Mais comme nous aurons aussi besoin de composants comme des condensateurs céramique, l'idéal serait que vous choisissiez un kit comme ICI.

Je vais aussi utiliser des boîtiers pour piles et accu de différentes sortes: AA / AAA / 18650.
Il faudra des borniers à vis à souder pour breadboard que l'on pourra aussi placer sur une plaque PCB pour réaliser un montage durable. Il existe des kits qui contiennent tous ces connecteurs et ces PCB à différents formats. Si vous voulez réaliser quelques montages en soudant des composants je vous conseil de prendre ce kit (ICI) cela vous évitera de commander 10 fois des choses différentes.
Bien évidement il faudra des câbles dupont. Le mieux est de prendre un kit proposant les 3 formats possibles F/F-M/M-M/F (ICI).

2.2 Premier montage

Nous allons maintenant réaliser un premier montage histoire de voir comment tout ça se branche et aussi de prendre quelques mesures qui nous permettront de vérifier combien à lui seul le régulateur va consommer de courant.

2.2.1 Description du montage

Ce premier montage sera ultra simple: nous allons alimenter une LED avec 4 piles AA de 1,5V en série et en utilisant notre régulateur MCP1700. Afin de faire des comparaisons je ferai aussi ce montage avec le LD1117v33. La LED sera une LED rouge. En faisant les calculs, si j'avais été un puriste j'aurai du mettre une résistance de 80Ω. Mais n'ayant sous la main qu'une de 200Ω (218Ω en réalité après mesure au multimètre) je me suis dit que ça fera l'affaire. J'ai aussi placé sur le montage un interrupteur et mon magnifique multimètre en série aux bornes de l'alimentation et réglé sur la fonction ampèremètre. Si vous souhaitez en savoir plus sur mon magnifique multimètre vous pouvez retrouver un test complet dans mon article ICI. Sinon voici le schéma du montage avec quelques annotations concernant les mesures que je vais prendre.

Schéma de test régulateur MCP1700

On remarquera le sens des flèches sur le synoptique ci-dessus. Par convention:

L'intensité (I) est dans le sens du + vers le -
La tension (U ou Vxy) aux bornes d'un récepteur est dans le sens inverse de l'intensité.
La tension aux bornes du générateur est dans le même sens que l'intensité.

Et voila ce que cela donne une fois réalisé:

2.2.2 Quelques prises de mesures

Ce petit montage tout simple nous permet d'apprendre à maîtriser le câblage mais aussi comprendre son fonctionnement. En réalisant des mesures nous allons pouvoir vérifier par nous même les tensions en différents points du circuit mais surtout savoir combien de courant le LM1700 va consommer à lui seul.

Et voici les mesures que j'ai prise avec une alimentation constituée par 4 piles AA de 1,5V chacune:

Vcc = 6,4V (Les piles font légèrement plus qu'1,5V)
Vout = 3,266V (le régulateur génère bien une tension proche de 3,3V)
Vr = 1,324V
Vled = 1,944V

La règle Vout = Vr + Vled se vérifie bien (ouf!)

L'intensité qui traverse le circuit est mesurée à 6 mA (ou presque). Et lorsque l'on calcul l'intensité qui traverse la résistance:

Vr = 1,324
R = 218Ω
Donc I = 1,324 / 218 = 6 mA (environ).

Nous retrouvons donc dans la résistance la totalité du courant que l'on avait avant le régulateur. Ceci nous indique que la consommation du régulateur est quasi nulle.

J'ai mesuré cette consommation en coupant le circuit et j'obtiens 2𝜇A. Dans ce cas je mesure ce que l'on appelle le courante de repos. Dans le datasheet il est indiqué que cette valeur est de 1,6𝜇A. En considérant les contextes différents et la précision des équipements je considère que ma mesure correspond bien aux données du fabriquant.

J'ai également repris une série de mesures en remplaçant les 4 piles par un accu 18650 chargé à 4,15V. Voici ce que j'obtiens:

Vcc = 4,15V
Vout = 3,253V
Vled = 1,938V
I aux bornes du circuit = 4,85 mAh
I aux bornes de ( LED + Résistance ) = 4,8 mAh

Dans les deux cas, par la mesure comme par les calculs, nous constatons que la consommation du LD1117 (pour un courant entre 4 et 6 mAh ) est de 0,05 mAh.

2.2.3 Comparaison avec le LD1117v33

J'ai réalisé le même montage en remplaçant le régulateur MCP par le LD1117v33. Et j'ai repris les mesures de consommation électrique:

Vcc = 4,1V
Vled = 2,155V
Vr = 0,955V
V led + résistance = 3,11V
Vout = 3,126V
I aux bornes du circuit = 8,05 mAh
I aux bornes du circuit éteint = 3,8 mAh
I aux bornes de ( LED + Résistance ) = 4,35 mAh

Nous voyons que la consommation de courant du LD1117v33 est de (8,05 - 4,35) = 3,7 mAh. Ce qui le rend quasiment inutilisable pour réaliser un montage alimenté sur accu car à lui seul il consommerait en 25 jours la totalité d'énergie disponible dans un accu de 2400 mAh.

Donc en résumé, les quantités de courant consommées par les régulateurs alimentant un circuit de 6 mAh sont (circuit actif / circuit éteint) :

MCP1700: 0,05 mAh / 2𝜇A
LD1117v33: 3,7 mAh / 3,7 mAh

Pour réaliser des montages autonomes sur accu nous utiliserons donc un MCP1700.

2.3 Réalisation d'une petite alimentation pour circuit 3,3v

Nous voila arrivé à la fin de notre parcours de découverte des régulateurs de tension et du MCP1700 que nous venons d'élire comme premier choix dans l'alimentation de nos futurs montages électroniques. Et pour fêter cet heureux événement nous allons réaliser tout de suite un premier montage: nous allons faire un petit circuit d'alimentation 3,3V. Ce circuit nous permettra par la suite d'alimenter un microcontrôleur ou tout autre montage à partir d'accu dont la tension ira de 3,7V jusqu'à 6V. Pour bien faire nous allons inclure à cette alimentation une petite LED pilotée par un bouton poussoir qui nous permettra de vérifier qu'il y a bien un courant de sortie. Du coup cela nous fera également un testeur de piles!

2.3.1 Le matériel

Pour cette réalisation il vous faudra:

Une plaque PCB à trou, 2*8 cm comme ICI:

Deux borniers pour plaque à trou comme ICI ----------------------------->

<--------------- Une résistance 100 Ohms comme ICI.

Une LED jaune comme ICI --------------------------->

Un bouton poussoir interrupteur 6*6*5 comme ICI ------------>

<-------- Le MCP1700 comme ICI :

5 x MCP1700-3302E/TO faible courant de repos LDO TO-92 | eBay

Deux condensateur céramique à 1µF comme ICI ----------->

Et bien sur il vous faudra des câbles Dupont ou encore mieux du câble type téléphonique, un fer à souder, une pince à couper et pas mal de patience et de minutie. Je vous ais mis tous les liens sur le matériel nécessaire et souvent vendu dans des kits complets qui vous permettront d'avoir plus de choix et surtout de vous constituer un stock.

2.3.2 Le câblage

Il ne nous reste plus qu'a regarder comment tout cela se câble. Pour cela je vous ais fait 3 schémas.

Un schéma de principe qui montre la disposition des composants sur le PCB
Un schéma de câblage électronique
Une photo de ma réalisation.

Je vous laisse regarder tout ça:

Schéma de principe

Schéma électronique

Mon montage recto et verso

La photos ci-dessous montre le montage que j'ai réalisé. Pour tester l'alimentation j'ai utilisé un ESP12e NodeMCU. Il faut raccorder le Vcc de notre alimentation sur une des broches 3v3 car si on le raccorde sur VIN on passe par le régulateur du NodeMCU qui impose une chute de tension trop importante. On constate que notre petit montage, mine de rien, alimente le microcontrôleur, de manière stable et en ne consommant quasiment rien.

3 Conclusion

Cet article nous permet désormais de disposer d'un moyen fiable et économique pour alimenter nos futurs montages électroniques. Il ne nous restera plus qu'à trouver le bon microcontrôleur et nous pourrons enfin réaliser des sondes domotiques autonomes durant plusieurs mois.

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