Alimentation USB 18650 portable à régulation linéaire (à base d’accus lithium-ion) – Version 2

Ceci est une mise à jour de la première version de l’alim USB 18650 portable que j’avais réalisé il y a de ça quelques années. J’y apporte ici quelques améliorations, que je vous partage aujourd’hui.

Ce sera l’occasion pour moi de vous montrer une mise en application pratique des relais bistables, pour faire suite à l’article que je viens de faire sur les relais électromécaniques. Ça vous dit ? Alors en avant !

Cette réalisation est un projet éducatif avant tout, essentiellement à destination des débutants en électronique. Ce projet ne cherche donc pas à rivaliser avec tout ce qu’on peut trouver en vente sur le net. En fait, il a simplement une portée didactique ; c’est pourquoi son schéma sera simple et épuré au possible, comme vous pourrez le constater. Du reste, comme je l’espère à chaque fois : puisse cette réalisation vous inspirer à la réalisation de vos propres montages 🙂

Caractéristiques de cette alim USB portable (v2)

Avant de vous présenter les caractéristiques de cette alim USB portable V2, un mot sur la V1 (présentée en 2021). En fait, la précédente version de cette alimentation pâtissait de quelques erreurs de conception. Parmi ces erreurs, on retrouvait le fait que :

• il y a avait un régulateur de tension 5V par sortie USB ; or cela n’était pas vraiment nécessaire, du fait du courant max délivrable par les accus et donc, tirable en sortie → on passera donc à 1 seul régulateur sur cette v2
• il n’y avait pas de dissipateur thermique au niveau de la régulation 5V, ce qui posait problème dès lors qu’on tirait un peu trop de courant dessus (ou de manière trop prolongée) → on rajoutera donc un petit dissipateur thermique sur le corps (boitier TO220) du 7805, afin d’évacuer un peu plus de chaleur
• les régulateurs de tension +5V (type 7805 package TO220) n’avaient pas de diode de protection, entre leur sortie et leur entrée (cela ne risquait pas grand chose dans l’absolu ici, mais dans le cas où la tension d’entrée chuterait à zéro avec une tension de sortie élevée, cela pourrait endommager le régulateur) → une diode de protection sera donc rajoutée entre la sortie du 7805 et son entrée
• le fusible 12V « automobile », bien qu’adapté au niveau de tension fourni par les accus 18650, ne faisait pas très « pro » (même si cela fonctionnait à merveille, dans l’absolu !) → un petit fusible pour courant continu, monté sur support CMS, viendra donc en remplacement
• il n’y avait pas d’interrupteur marche/arrêt sur la V1 de cette alim ; en fait, il fallait mettre ou enlever le fusible, pour allumer ou éteindre l’alim (ce qui n’était pas idéal, avouons-le !) → 2 boutons poussoirs de commande (ON et OFF) piloteront un relais bistable, pour allumer ou éteindre cette « alim v2 »

Bien sûr, on pourrait encore apporter bien d’autres améliorations à la v1, mais franchement, mais cela alourdirai le schéma. Je vous propose donc de nous limiter à ces améliorations, pour l’instant !

Du reste, concernant les caractéristiques de cette alimentation USB 18650 portable V2, les voici :

• l’énergie sera fournie par 3 accus lithium-ion, au format 18650 (perso, j’utilise toujours mes accus li-ion NCR18650B de chez PANASONIC)
• un mini-voltmètre permettra de monitorer la tension du « pack de batteries »
• 2 sorties USB 5V (femelles, de type A) matérialiseront les sorties de cette alim

Enfin, comme dans la version précédente, il faudra veiller à ne pas trop décharger les accus lithium ion 18650, afin de ne pas les endommager. Pour rappel, ceux-ci ont une tension nominale de 3,6 volts (ou 3,7V, selon les fabricants). Leur tension max est de 4,2V environ, lorsque pleinement chargés, et de 2,8V environ, lorsque que déchargés (mieux vaut d’ailleurs ne pas descendre en dessous de 3V, afin de « prolonger » leur durée de vie au maximum). Ainsi, comme il y a 3 accus dans cette alim portable, il ne faudrait pas que la tension du pack d’accus descende en dessous de 9V (3 x 3V), sans quoi on risquerait de les endommager.

Schéma électronique

Concernant le schéma électronique de cette alimentation USB portable (li-ion 18650), le voici :

Grosso modo, on retrouve 4 parties ici :

• un bloc noté « alimentation », qui comprend :
  • 3 accus lithium-ion 18650 (BATT1), fournissant l’énergie électrique à ce projet
  • 1 fusible de protection (F1)
  • 1 diode de protection anti-retour (D1)
• un bloc nommé « voltmètre », qui se résume à un simple mini-voltmètre numérique, « prêt à l’emploi »
• un bloc nommé « partie commande », qui comprend :
  • 2 boutons poussoirs de commande (BP1 et BP2), pour faire le pilotage ON/OFF de cette alim
  • 1 relais bistable (RL1), de type électromécanique
  • 1 résistance de limitation de courant (R1)
  • 2 diodes de roue libre (D2 et D3)
• et un bloc nommé « partie puissance », qui comprend :
  • 1 régulateur de tension linéaire modèle 7805 (U1), avec quelques composants passifs tout autour
  • 2 connecteurs USB femelle, de type A, pour matérialiser les sorties de cette alim USB

En somme, rien de bien compliqué à comprendre, au niveau de ce schéma élec ! Si ce n’est peut-être le rôle des diodes D2/D3, implantées de cette manière. Mais ne vous inquiétez pas, car je vais à présent « tout » vous expliquer, sur le rôle/choix/dimensionnements des composants que j’ai utilisé ici, pour plus de clarté 🙂

Dimensionnement et choix des composants

À présent, voyons les choix techniques que j’ai fait, et leur justification !

Pourquoi avoir opté pour 3 accus 18650, au lieu de 2 seulement, pour fournir du +5V en sortie d’alim ?

En fait, il faut partir de la sortie 5V de l’alim puis remonter les composants électroniques en chemin vers les accus, pour comprendre ce choix. Et se faisant, on rencontre le régulateur de tension « 7805 ».

Techniquement parlant, le régulateur 7805 nécessite au moins 2 volts de plus en entrée, afin de pouvoir donner du +5V en sortie dans de bonnes conditions. En clair : il faut fournir une tension minimale de 7V à l’entrée du 7805, pour que celui-ci puisse délivrer du 5 volts en sortie. Il faut donc que les accus qui alimentent ce projet fournissent à minima 7 volts, et ce, même lorsqu’ils seront quasi déchargés.

Or, si je prends un simple accu 18650, tel que le modèle NCR18650B dont je me sers ici (lien datasheet), celui-ci fait :

• 4,2V environ, lorsque pleinement chargé
• 3V environ, lorsqu’il est déchargé à 90 % (en pratique, on évite d’aller en deçà, pour préserver au maximum la durée de vie des batteries ; même si techniquement, on peut descendre jusqu’à 2,8 voit 2,5V, pour le décharger « entièrement »)

Ainsi la tension d’un accu li-ion varie grosso modo de 3 à 4,2 volts, si je simplifie les choses.

Et comme le régulateur nécessite au minimum 7 volts pour fonctionner, ce n’est pas 1 accu (fournissant 3V minimum) qu’il faudrait employer, ni 2 accus en série (fournissant 6V minimum), mais bien 3 accus en série (fournissant 9V minimum, lorsque quasi déchargés).

En effet, avec 3 accus 18650 montés en série, les tensions théoriques de l’ensemble vont de :

• 9 volts au minimum (3 x 3V), lorsque les accus sont presque totalement déchargés
• à 12,6 volts au maximum (3 x 4,2V), lorsque les accus sont pleinement chargés

C’est pourquoi il y a 3 accus 18650 mis en œuvre ici, et non 2, du fait des tensions min nécessaires (pour que le régulateur de tension 5V fonctionne de manière optimale !).

Par quoi a été a été remplacé le fusible « 12V automobile » ?

Ici, il s’agissait de mettre en œuvre un fusible pour courant continu … qui ne fasse pas « bidouille » ! Certes, un fusible auto 12V fonctionne très bien avec une alim telle que celle-ci, la tension du pack 18650 variant de 9 et à 12,6V ; mais cela ne faisait pas très « pro ».

C’est pourquoi, après recherches, j’ai remplacé ce fusible auto par un fusible CMS céramique de chez LittelFuse. Et plus précisément, un fusible de la série 451 de LittelFuse. Car :

• ils étaient conçus pour admettre du courant continu
• ils sont assez facilement trouvables sur le net
• leur prix était vraiment correct
• et ils sont prévus pour être facilement remplaçables, car montés sur support (c’est toujours mieux qu’un fusible CMS soudé, hein !)

Dans le cas de ce montage, j’ai opté pour un fusible de 2 ampères (modèle « 0451002. », noté F1 sur le schéma électronique), puisqu’on est pas sensé tirer plus de 1,5A au niveau du régulateur de tension 7805.

Pourquoi avoir mis en œuvre un relais bistable ici ?

Tout d’abord, il faut savoir qu’on aurait très bien pu faire sans … et mettre un simple interrupteur sur le PCB ! Mais voilà, c’était pour moi « l’occasion idéale » pour vous montrer la mise en pratique d’un relais bistable ! Ainsi, cela illustrera parfaitement l’article sur les relais électromécaniques que je viens de vous faire 🙂

Ici, j’ai fait le choix de partir sur un relais bistable à 2 bobines, pour rester simple. Ainsi : une bobine permet de manœuvrer les contacts dans un sens (« allumer » l’alimentation), tandis que la deuxième permet de manœuvrer les contacts dans l’autre sens (« arrêt » de l’alimentation).

Nota : au passage, toute la « beauté » de ce type de relais électromécanique bistable est de ne consommer strictement aucun courant « en temps normal » (en dehors des actions de manœuvre des contacts j’entends, où là, il faut bien alimenter les bobines !). Du coup, dans notre montage, l’intégration de ce type de relais n’engendrera pas de consommation inutile une fois l’alim en marche, préservant ainsi l’autonomie du pack de d’accus 18650.

À quoi sert la résistance R1, branchée en amont des bobines du relais bistable ?

Dans le cadre de ce projet, j’ai opté pour un relais bistable (noté RL1, sur le schéma électronique), dont les caractéristiques d’alim des bobines sont : 5V / courant continu.

Si j’ai rajouté cette résistance R1 entre les accus et les bobines du relais, c’est avant tout pour les raisons suivantes :

• le pack de 3 accus 18650 peut délivrer une tension de 9V à 12,6V (lorsque quasi déchargé, à pleinement chargé)
• et la tension nominale des bobines du relais est de 5V (avec certaines tolérances, comme nous allons le voir ensuite)

Il est donc impératif de baisser la tension entre le pack d’accus et les bobines du relais, afin de ne pas les endommager (ni réduire leur durée de vie).

Avant d’aller plus loin, il y a 2 choses complémentaires que je me dois de préciser ici :

• une diode anti-retour, de type schottky, a été mise en place juste en sortie du pack de batterie ; ainsi, la tension sortante des accus ne va pas de 9 à 12,6V, mais de 8,7 à 12,3 volts (compte tenu des 0,3 volts de chute de tension aux bornes de cette diode, lorsque celle-ci conduit)
• les bobines 5V du relais, selon la fiche technique du fabricant, tolère jusqu’à 10 VDC (cf. datasheet)
• ces relais bistables ne se trouvent facilement ou à bon prix qu’en version 5V, 12V, et 24V, sur internet (sinon j’aurais pris une « tension de bobine » plus appropriée, comme du 9V, qui n’aurait pas nécessité d’abaissement de tension au passage)

Ainsi, il nous faut simplement abaisser cette tension max d’accus de 12,3V à 10 volts maximum, pour ne pas endommager les bobines du relais.

Et cet abaissement de tension peut se faire grossièrement, de façon rudimentaire, en mettant simplement une résistance de limitation de courant en série avec les bobines du relais. Car une telle résistance induira une chute de tension, au passage du courant (bien qu’il puisse rester un bref « petit pic » de tension au niveau des bobines, à l’allumage !).

En fait, cette résistance créé un pont diviseur de tension, avec la résistance du bobinage relais (qui est donné à environ 125 ohms, selon les données fabricant). Et pour obtenir moins de 10 volts à partir d’une tension de 12,3V, j’ai opté pour une résistance de 47 ohms (noté R1, sur le schéma). Ainsi, la tension aux bornes du relais sera donc égale à :

Vbobine = Valim * Rbobine / (Rbobine + R1)
d’où Vbobine = Valim * 125 / (125 + 47)
d’où Vbobine = Valim * 0,727

Si on fait une application numérique de cette formule, selon si le pack de batterie est « vide » ou « chargé à fond », on trouve que :

• Vbobine = 8,7 * 0,727 = 6,32 volts (si accus déchargés)
• Vbobine = 12,3 * 0,727 = 8,94 volts (si accus chargés à 100%)

On a donc bien ici une tension inférieure à 10 volts au niveau des bobines du relais (hors phase transitoire, bien entendu, mais cela reste bref), lorsqu’on les alimente. Et tout ça, avec un seul composant ! Sympa, non ?

Quel est le rôle des diodes D2 et D3, qui partent de la masse vers les boutons poussoirs ON et OFF ?

Croyez-le ou non, mais ces 2 diodes jouent le rôle de roue libre, pour les bobines du relais. En fait, ce n’est peut-être pas si évident, tel que présenté sur le schéma électronique, mais celles-ci sont chacune en parallèle de sa bobine respective !

Pour rappel, leur rôle est d’éliminer/d’écrêter les pics de tension négatives, induites par les coupures nettes de courant, au niveau des bobines. En effet, une bobine ne supportant pas l’arrêt brutal du courant (idem pour la mise en marche, au passage), celle-ci doit donc « décharger le courant qu’elle a emmagasiné » quelque part ! Et cela peut se faire en lui offrant un chemin raccourcis, lorsque cela se produit, en mettant simplement une diode en parallèle des bobines, en polarité inversée (comme je vous l’avais détaillé dans l’article sur les relais électromécaniques).

Remarque : perso, pour faire office de diode de roue libre, j’ai tout simplement utilisé des diodes de redressement 1N4007. En fait, comme j’en ai tout un tas dans mes tiroirs et qu’elles officient à merveille dans cette tâche, c’est ce modèle là que j’ai utilisé dans ce projet ! Mais libre à vous d’opter pour un tout autre modèle qui conviendrait, bien entendu, si vous le voulez 😉

À quoi sert la diode D4, branché de la sortie du régulateur 5V vers son entrée ?

Basiquement, une diode branchée depuis la sortie d’un régulateur 7805 vers son entrée permet de le protéger, contre les surtensions transitoires.

Dans notre cas, lorsqu’on coupe l’alim, les condensateurs situés avant le 7805 (C1 et C2) pourraient très bien se vider plus vite que ceux de sortie (C3 et C4), si aucune charge n’est branchée en sortie. Car en amont du régulateur se trouve notre « mini-voltmètre », qui va rapidement vider les condensateurs d’entrée du 7805 (C1 et C2, pour rappel). En résulterait une tension quasi nulle en entrée du 7805, tandis que du +5V serait potentiellement encore présent en sortie … soit une tension relative de -5 volts entre l’entrée et la sortie du régulateur, lorsqu’on couperait notre alim.

Théoriquement et sauf erreur de ma part, les régulateurs 78xx peuvent « supporter » jusqu’à 6 volts en sortie, lorsque leur entrée tombe à 0 volt. Aussi, pour ne prendre aucun risque ici, nous allons évacuer cette tension de sortie supérieure à celle d’entrée, lorsqu’elle apparaît. Pour ce faire, il suffit simplement de mettre une diode en sens inverse du régulateur, allant de la sortie de ce dernier vers son entrée, pour évacuer toute tension en excès.

Ainsi, et c’est le 2ème avantage à procéder de la sorte : tous les condos en sortie d’alim seront déchargés, lorsqu’on coupera l’alimentation..

Nota : la résistance R2 reliant l’entrée du régulateur à la masse est quelque peu inutile ici, du moment où le voltmètre est branchée sur cette ligne. Car le voltmètre permettra de vider l’énergie stockée dans les condensateurs, au moment de la coupure de l’alim, si aucune charge n’est branchée en sortie. Toutefois, si jamais le voltmètre venait à défaillir, ou à ne pas être branché par soucis d’économie d’énergie, alors cette résistance R2 permettrait de vider lentement la charge restante de ces condensateurs.

Fabrication (circuit imprimé PCB)

Le support de cette alimentation USB mobile à base d’accus 18650 est une simple carte PCB double face, faisant environ 10cm de profondeur sur 12cm de large : :

À noter que tous les composants électroniques sont des modèles traversants, à l’exception du support de fusible, qui est monté en surface (CMS).

Comme à l’accoutumée, la soudure de ces composants se fait du plus petit (ou moins encombrant) au plus grand (ou plus imposant). Il convient également de bien veiller au respect de la polarité des composants, notamment des diodes et condensateurs électrochimiques.

Pour ceux que ça intéresse, voici quelques photos prises au moment du soudage, de mon côté :

Une fois les composants soudés, il ne reste plus qu’à vérifier que toutes les soudures soient bien faites, sans court-circuit aucun, et qu’il n’y a pas d’erreur de montage. Enfin, il suffira d’installer le voltmètre numérique, et placer les accus 18650 dans leur logement, pour que l’alim soit prête à être testée !

Au final, le montage tout équipé doit ressembler à cela :

À présent, passons aux essais de ce petit montage 🙂

Liste des composants

Pour ceux qui voudraient reproduire ce projet, voici la liste des composants mis en œuvre ici :

Qté	Désignation	Lien achat
1	Résistance 47 ohm 1% 1/4W
1	Résistance 1 Mohm 1% 1/4W	idem
1	Diode SB240 (2A, schottky)
3	Diode 1N4007 (ou équivalent)
1	Fusible 0451002.MRL de chez LittelFuse (1808 2A)
1	Support CMS pour fusible LittelFuse (1808 Fuse Holder)
1	Condensateur électrochimique 470µF (25 volts)
1	Condensateur électrochimique 100µF (16 volts)	idem
1	Condensateur 330nF
1	Condensateur 100nF	idem
1	Relais bistable modèle HFD2-005-S-L2-D (5 volts)
2	Embase USB femelle, type A (modèle traversant)
2	Bouton poussoir 12x12x7,3 (à 4 broches)
1	Bornier double à vis (5mm d’écartement)
1	Régulateur de tension 7805, en boitier TO220
1	Dissipateur thermique pour boitier TO220 (20 x 15 x 11 mm, ici)
1	Support triple pour batteries li-ion format 18650
3	Accus lithium ion 18650 (PANASONIC modèle NCR18650B, par exemple)
1	Voltmètre 30V miniature (affichage de couleur blanc, mis en œuvre de mon côté)
1	Ensemble d’entretoises de taille M3 (pour surélever le circuit imprimé)
1	Ensemble d’entretoises de taille M2 (pour surélever le mini-voltmètre)
1	Circuit imprimé PCB, dont vous trouverez, en fin d’article, le fichier Gerber au format ZIP (si vous souhaitez reproduire ce circuit imprimé à l’identique)	–

La liste peut paraître quelque peu longue, je vous l’accorde ! Mais au final, comme vous pourrez le constater ci-dessous sur la vue d’ensemble, il n’y a pas tant d’éléments que ça 😉

Essais de l’alimentation USB li-ion 18650

Pour commencer, il faut s’assurer que les accus qu’on mettra en place dans cette alim soient suffisamment chargés (leur tension devra donc être comprise entre 3 et 4,2 volts chacun). L’idéal étant qu’ils soient pleinement chargés, bien entendu, pour ensuite pouvoir faire des tests en charge.

Au passage, pour vous assurer de la « bonne charge » du pack de batterie, vous pouvez simplement jeter un coup d’œil à la tension indiquée par le voltmètre présent sur la carte. Voici ce que cela donne de mon côté, une fois que j’ai appuyé sur le bouton poussoir « ON » de la carte :

On relève 9,96 volts, ce qui est suffisant pour faire les premiers essais (car le minimum est de 3 volts par accus, soit 9 volts pour ce pack de 3 accus), mais il va falloir que je les charge ensuite, pour faire de plus amples essais..

Ensuite, on peut mesurer les tensions de sortie, au niveau des prises USB. Cela peut se faire simplement à l’aide d’un voltmètre numérique, en posant les pointes de mesure au bon endroit (à l’arrière du PCB), ou plus simplement comme je l’ai fait ici, à l’aide d’un voltmètre USB (pas cher, mais très utile !) :

Ici, on note 5,04 volts sur chacune des sorties, ce qui est nickel 😉

Nota : le testeur USB que je vous présente là n’est pas qu’un simple « voltmètre USB » ; c’est en fait ce qu’on appelle un compteur d’énergie USB (ça vaut moins de 10 euros, dans le commerce, généralement). Cet appareil permet donc également de mesurer la quantité d’énergie (mAh) sortant d’une prise USB, si souhaité. C’est d’ailleurs très pratique, lorsqu’on veut par exemple vérifier la capacité d’un pack d’accus, comme c’est le cas ici !

Liens utiles et téléchargement

Concernant ce projet, voici tout d’abord les documents ayant servis à la réalisation de ce montage :

• schéma électronique (format PDF)
• dossier Gerber (format ZIP), pour faire reproduire le PCB à l’identique

Et les documentations techniques de certains composants présentés ici :

• le datasheet du relais bistable HFD2-005-S-L2-D (format PDF)
• le datasheet des accus Panasonic modèles NCR18650B, utilisés de mon côté, dans cette alim (format PDF)
• le datasheet des fusibles CMS de marque LittelFuse série 451 (format PDF)
• le datasheet du régulateur de tension 7805 (format PDF), en boitier TO220 dans ce projet

Alim USB 18650 : conclusion !

Voilà ! J’espère ne pas avoir été trop long, pour vous expliquer toutes les « subtilités » de ce mini-projet électronique ! Et en espérant que tout cela puisse vous servir, ou à vous donner des idées de projets 🙂

Du reste, je ferai prochainement des essais en charge de cette alim, avec notamment des mesures d’autonomies, à l’occasion d’une prochaine réalisation (émetteur/récepteur radio 4 voies / 10 canaux, à base de modules nRF24 + PA+LNA).

Alors à bientôt !
Jérôme.

À découvrir aussi : toutes les réalisations publiées sur ce site, jusqu’à présent !

(*) Mis à jour le 11/07/2024