Réalisation d’un chargeur solaire | introduction PCB

Bien le bonjour, l’article de cette semaine va être bien différent des autres. En effet, j’ai récemment travaillé des heures durant sur la construction d’un PCB (circuit imprimé). Partant de 0, j’ai dû apprendre, comprendre et pratiquer.

Cet apprentissage n’a pas été facile…  Je dois admettre que malgré mon niveau d’anglais j’ai eu du mal à m’y retrouver en parcourant la tonne de tuto anglais. Il existe bien sûr beaucoup de tutos français, mais je n’ai pas trouvé LE TUTO ULTIME pour apprendre à réaliser son propre PCB.

Par réalisation de PCB j’entends, définition des besoins, sélection des composants principaux puis des composants secondaires, réalisation du schéma électrique et disposition (layout) de ceux-ci sur un PCB.

Vous allez m’accompagner aujourd’hui dans la réalisation d’un chargeur solaire de batterie Li-ion. Le but de ce projet sera de pouvoir gérer la charge d’une batterie avec l’aide d’une cellule de panneau solaire 5v, 1.25w. Je compte ensuite utiliser ce dispositif pour alimenter en continu un objet connecté.

Je vais vous partager dans cet article de quelle manière j’ai construit ce système en partant de 0.

A NOTER

Cet article n’aurait jamais vue le jour sans le travail du youtubeur GreatScott et sa vidéo sur le chargeur solaire.

Cahier des charges

Le cahier des charges est en quelques sortes la définition du besoin auquel je dois répondre, la voici :

Recharger une batterie Li-ion 18650 avec un panneau solaire et fournir une tension continue de 5v.

Ce problème n’est très compliqué, mais nécessite pas mal de travail croyez-moi !

 

Le panneau solaire

 

Le panneau solaire doit être petit et suffisamment puissant pour fournir assez d’énergie à une batterie destinée à alimenter un objet connecté.

Je pars du principe que l’objet connecté ne sera pas constamment alimenté de la même manière puisqu’il subira des phases de sommeils dans lesquels il ne consommera que quelques μA. Pour simuler la consommation moyenne de cet objet connecté imaginaire je vais utiliser le site of-thing.de

http://www.of-things.de/battery-life-calculator.php

Par ailleurs, je compte utiliser une batterie Li-ion Panasonic NCR18650B qui à une capacité de 3400mAh.

Acheter

Comme on peut le voir ci-dessous, la durée de vie de la batterie sans compter le chargeur solaire sur un objet se réveillant toute l’heure est de 331 jours.

Le discharge safety est la tension à laquelle il faut que la batterie se stoppe pour ne pas l’endommager. Cette tension est trouvable dans la datasheet du composant. Pour la panasonic cette tension est de 2.5v. La tension maximale que peut fournir la batterie à l’inverse est 4.2v. 2.5v représente donc 59% du niveau théorique de batterie.

Le niveau réel ne se calcule pas entre 4.2v et 0v mais entre 4.2 et 2.5v.

Le temps d’exécution du code quant à lui est dans la plupart des cas en dessous de 7 secondes j’ai pris le pire cas possible pour l’exemple.

Vous vous en doutez, la puissance du panneau solaire ne sera pas un problème. Il faudra tout de même que sa tension puisse être supérieure à 4.2v (tension de charge de la batterie).

Le panneau solaire que j’ai sélectionné est bon marché. Celui-ci fournira une tension maximale de 5v pour une puissance de 1.25W.

Acheter

Composant maitre

Ce que j’appelle le composant maitre est celui qui sera réellement au centre de notre circuit. Celui qui permet de charger une batterie avec un panneau solaire. Pour ce faire, je me suis tourné vers l’entreprise consonance électronique qui fournit notamment des circuits intégrés pour charger des batteries.

voir site

Avant d’aller plus loin, faisons un petit récap’ sur le fonctionnement des batteries.

Pour charger une batterie Li-ion il faut respecter des règles très précises. Elles doivent être alimentées à 4.2v soit la tension maximale qu’elle peut fournir avec un courant variable relatif aux batteries Li-ion. Ce courant est indiqué dans le datasheet de la batterie que j’utilise.

Il est exprimé en fonction de la tension de la batterie comme vous pouvez le voir ci-contre :

Je ne parlerais pas plus du fonctionnement d’une batterie, mais si ce genre de sujet plus pointu vous intéresse je ne saurais trop vous conseiller de vous abonner à ma newsletter ! J’ai parlé de ce sujet il y a quelques semaines déjà.

Dans la section Solar charge management nous avons le choix.

Le paramètre qu’il faut vérifier avant de sélectionner l’un de ces circuits intégrés est :

  1. Le type de batterie supporté
  2. Le maximum et minimum ‘input voltage’
  3. Le maximum ‘continuous charge current’
  4. Et la fonctionnalité que vous y voulez

Après coup, je me suis dit que ce n’était peut-être pas le meilleur choix. En effet, nous n’utiliserons pas l’option MPPT (qui est utilisé pour tracker les points les plus lumineux sur des gros panneaux solaires) et je pense qu’il aurait été possible de trouver quelque chose de plus adapté à notre utilisation mais voici l’heureux élu: CN3791.

Composant secondaires

Protection circuit

 

Nous pouvons n’utiliser que le CN3791, mais cela poserait vite problème pour le type de batterie que nous avons sélectionné. De plus si nous voulons coller au cahier des charges il faut ajouter d’autres composants pour avoir une sortie DC 5v.

De quel problème je parle ? Et bien même si le CN3791 est équipé d’une protection de surcharge pour la batterie il n’en est rien pour protéger la sous-charge.

En effet, pour charger ou même plus généralement manipuler une batterie Li-ion il faut répondre à pas mal d’exigences. IL faut que le niveau de tension soit constant et que le niveau de courant soit également fixe pour qu’il puisse charger, il faut prévoir une protection dans le cas où le niveau de batterie serait en dessous de 2.5v et surveiller le courant requis par le système pour éviter une décharge trop rapide.

Toutes ces protections ne sont pas nativement sur toutes les batteries Li-ion, pas sur la notre en tout cas. En cherchant des schémas électriques de circuit de protection, je suis rapidement tombé sur le circuit intégré DW01-P mais il en existe énormément.

DC DC boost converter

Pour fournir une tension constante de 5v j’ai également cherché du côté des booster converter. Ces circuits ne sont pas très chers et servent à convertir une tension d’entrée comprise entre x et y valeur en tension de sortie de 5v constantes.

Comme pour la protection de circuit j’ai recherché sur google les schémas électriques qui permettent d’effectuer ce genre d’action. Puis j’ai sélectionné un circuit intégré convenable pour notre projet (la aussi vous avez le choix)

J’ai retenu le MT3608… Celui-ci prend entre 2v et 24v en entrée pour le convertir en une tension allant jusqu’à 28v. Je pense que nous avons squelette de notre système ! Il est maintenant tant de réaliser le schéma du circuit.

ATTENTION

Je ne suis pas un expert dans le domaine ! Cela veut dire que mes choix de circuit intégré bien que judicieux ne constitue pas le meilleur choix possible, mais on le mérite de fonctionner.

Maintenant que nous avons tous les briques de base pour réaliser notre circuit, passons sur EasyEDA !

Construire le schéma

easyEDA

 

EasyEDA est un logiciel gratuit de conception de circuit ! Celui-ci appartient au groupe chinois qui possède également JLCPCB (constructeur de circuit imprimé) et LCSC (fournisseur de composants). Ce groupement de services va rendre plus simple la conception de circuit imprimé. En effet, tous les composants que vous trouverez dans l’onglet librairie seront trouvables sur LCSC. De plus, easyEDA est adapté à la conception avec JLCPCB, ce qui nous dispense d’effectuer certains réglages pour cette plateforme.

EasyEDA est donc un bon logiciel pour débuter. C’est une solution plutôt complète incluant tous les services de bases pour réaliser un circuit imprimé.

Le logiciel se présente de la manière suivante :

Avant toute chose, sachez que vous pouvez soit utilisé la version logicielle, ou utilisez la version en ligne. J’ai la version logicielle personnellement mais sachez que dans les deux cas c’est la même chose.

Dans un premier temps je vous incite à créer un compte. EasyEDA fonctionne avec l’aide d’une plateforme en ligne, c’est dans dans le cloud que vous enregistrerez vos projets.

Une fois connecté, j’ai créé un nouveau projet puis une ‘schematic’. C’est dans cette environnement qu’il faut assembler le schéma des composants.

Je ne vais pas présenter chaque outil, je laisse le site vous les présente (lien d’une documentation).

 

CN3791

 

Je vous conseille d’importer d’abord tous les composants dont que nous avons sélectionné dans la section précédente. Vérifier qu’ils correspondent bien (broches/trace) pour ne pas avoir de surprise à l’avenir!

Nous allons commencer par nous occuper du composant principal. Rendez-vous dans le datasheet pour voir de quelle manière il faut le brancher.

A NOTER : je vous conseille d’imprimer les datasheet des composants. Je trouve ça plus simple pour travailler dessus.

Voilà comment le constructeur nous conseille d’utiliser le CN3791 :

Comme vous pouvez le voir, certains composants ont déjà des valeurs prédéterminés alors que d’autres non. Ceux-ci doivent être sectionnés en fonction de l’utilisation que vous allez faire du circuit intégré.

Le but dans un premier temps c’est de comprendre comme ce circuit fonctionne, pour ce faire je vous conseil de lire dans un premier temps la description des broches.

Je ne vais pas détailler le fcontionnement du circuit puisque l’article serait trop long, mais il est important de pouvoir comprendre le fonctionnement global de celui-ci.

Commençons par les condensateurs de filtrages situés en entrée du panneau solaire et en sortie, au niveau de la batterie. (input/output voltage).

Plus bas dans le datasheet vous trouverez la section « Input / output capacitors » :

3 condensateurs sont conseillés en entrée du panneau solaire et 2 en sortie, au niveau de la batterie

Nous allons maintenant définir la valeur de RCS qui est la résistance permettant de contrôler le courant de charge en fonction de la tension de la batterie.

Encore une fois, le datasheet nous indique comment procéder pour déterminer celle-ci.

Dans cette formule, ICH est le courant de charge constant de notre batterie. Nous avons vu précédemment qu’une batterie 18650 doit être chargée à 1.2A, ce qui veut dire que

RCS = 0.12/1.2 soit 0.1Ω

Cette résistance va permettre de contrôler le courant qui circule pour charger la batterie. En réalité, la tension interne de référence est de 120mV c’est pourquoi nous devons lui donner un coup de boost.

L’inductance est ‘charger’ et ‘déchargé’ à travers un mosfet et permet de produire une tension adaptée (4.2v dans notre cas).

Pour sélectionner une valeur d’inductance adaptée. Il faut s’assurer qu’elle puisse fournir 4.2v tout en sachant que la fréquence de switch du mosfet est de 300kHz.

Rappel : la variation de courant d’une inductance : ΔI/Δt = V/L

Le datasheet nous conseille donc de sélectionner une inductance supérieure à 5x(VCC-Vbat) dans notre cas : 5x(5-4.2) = 4uH.

Le ‘ripple current’ est le courant accumulé par une inductance L en Δt secondes. Ce courant doit être de 0.3×1.2 soit de 360mA d’après la datasheet. Ce courant va permettre chargé et décharger l’inductance et ainsi de réguler le courant de manière efficace.

Cela signifie que la valeur optimale de l’inductance est de ;

1/ ΔILx(f)xVbatx(1-Vbat/Vcc) soit 6.22uH>4uH.

 

En réalité, trouver une inductance de 6.22uH ayant un ripple courant de 360mA c’est mission impossible. Je me suis donc tourné vers une inductance de 10uH pour 360mA de ripple current.

Vous pouvez voir que pour savoir s’il existait ce type d’inductance j’ai été sur LCSC. Ce fournisseur de composant est lié à easyEDA. C’est grâce à celui-ci que nous pourrons s’assurer que le produit existe et que ça trace est correct.

Vous pouvez donc voir qu’en tapant la référence que l’on trouve bien l’inductance souhaitée.

Nous avons fait le plus dur. Il ne reste plus qu’à trouver les diodes et le mosfet.

Pour la diode, assurons-nous simplement qu’elle supporte une tension de 4.2v et un courant de 1.2A. Pour le mosfet nous devrons s’assurer que la tension de minimale requise au niveau de la broche gate soit inférieur à celle produite par la broche DRV. Il faudra aussi vérifier que la tension entre le drain et la gate soit pas supérieur à 20v. Enfin que la résistance interne soit suffisamment faible pour éviter la surchauffe du composant.

RAPPEL : P=RxI2

J’ai sélectionné un mosfet plus que suffisant conseillé par le datasheet. En effet le CN3791 est fait pour piloter de petites, mais aussi de grandes tensions. Ce qui veut dire que les mosfets conseillés sont faits pour résister aux pires des cas à savoir un panneau solaire de 112W (loin de nos 1.25w).

Voilà donc à quoi ressemble notre circuit pour le moment :

Le reste du schéma est comme annoncer dans le datasheet.

A NOTER

Nous n’utiliserons pas le MPPT dans cet exemple ! Le MPPT est une fonction réservée à des panneaux solaires constitués de plusieurs cellules, il permet de suivre la cellule la plus éclairée pour optimiser la recharge.

Voilà ce que nous obtenons donc pour le composant primaire :

Pensez à bien sélectionner les composants dans la librairie en fonction de votre sélection d’achats comme nous l’avons fait. Cela assure que la trace du composant est correcte (indispensable pour placer ensuite le circuit sur la plaque PCB).

 

DW01-P

Ce circuit intégré est celui qui va permettre de protéger notre batterie. Celui-ci fonctionne en mesurant en permanence la tension aux bornes de la batterie. Si la batterie est sous chargé alors la broche OD (over discharge) initialement à l’état HIGH passera à l’état LOW. Elle empêchera ainsi le passage du courant à travers le mosfet M1. Cela entrainera la coupure pure et simple de la batterie. C’est le même principe pour la broche OC et le mosfet M2.

La broche CS surveille différentes valeurs telles que, si la batterie n’est pas soumise à un trop fort courant, si elle n’est pas en court-circuit et détecte si elle est en charge et agis en conséquence en activant ou désactivant les mosfet pour la protéger.

Les seuls composants qui ne sont pas donnés explicitement par la documentation sont les mosfet. Ceux-ci comme pour le CN3791 doivent avec une tension minimale de gate inférieure à celle fournie par OD et OC et une résistance interne suffisamment faible pour ne pas trop chauffer.

J’ai sélectionné le FS8205, un MOSFET 2-N-channel qui répond à ces critères :

Il ne faut pas oublier de relier le BAT+ et BAT- à notre circuit précédent et voilà ce que nous obtenons :

Nous avons maintenant un chargeur solaire digne de ce nom ! Il nous reste un dernier truc à ajouter pour répondre au cahier des charges. Un « DC to DC boost converter » pour fournir une tension continue de 5v afin d’alimenter divers projets.

 

MT3608

 

Le MT3608 va nous permettre de fournir une tension de 5v continue. Pour ce faire, j’ai comme pour les deux composants précédents examiner le datasheet de celui-ci.

Le datasheet conseil donc, comme pour les autres d’ajouter des condensateurs et une inductance entre 4.7 et 22uH. Les seuls paramètres à calculer pour ce composant seront R1 et R2.

D’après la datasheet pour obtenir la tension de sortie voulue il faut résoudre cette petite équation ! Pour Vref à 0.6v il faudra donc que rapport R1/R2 soit égale à Vref/Vout-1 soit 7.333 environ. En prenant le panel de résistance que nous pouvons avoir, nous arrivons donc à R1 = 7.5kΩ et R2 = 10kΩ.

Voilà ce qu’on obtient en reliant le MT3608 au système que nous avions précédemment réalisé :

Comme vous pouvez le voir, j’ai également ajouté un switch pour activer ou non cette fonctionnalité dans le PCB final.

La partie la plus technique est maintenant terminée. Nous pouvons passer aux positionnements de tout se monde sur une plaque de cuivre. Ce sera d’ailleurs le sujet d’un prochain article !

Sur ce, n’hésitez pas à me poser des questions ou corriger mes éventuelles erreurs ! Je rappelle que je suis un débutant dans le domaine.

Reçois 1 un petit guide de réalisation DIY par semaine!

+

Du contenu bonus offert à chaque nouvel article!