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Alimentation USB sans fil (sur accus lithium ion 18650)

Alimentation USB 18650 sans fil li-ion, pour alimenter petits projets électroniques nomades avec des accus lithium ion rechargeables, montage DIY

Que diriez-vous de réaliser une alimentation USB sans fil, fonctionnant avec des accus li-ion 18650 ? C’est en tout cas ce que je vous propose de découvrir aujourd’hui ici !

En fait, l’idée m’est venue il n’y a pas si longtemps que ça, car j’avais besoin d’une alim portable, pour alimenter mes projets arduino de test, à l’extérieur de chez moi (là où je n’avais ni prise USB, ni prise de courant). Et comme je disposais d’accus lithium-ion 18650 de récup qui trainaient dans un coin, je me suis dit que je pourrais ici joindre l’utile à « l’agréable » 😉

Du coup, j’ai réalisé ce petit montage, qui est certes rudimentaire, mais très pratique lorsqu’on a besoin d’alimenter un Arduino, sans prise de courant électrique, ni prise USB à proximité.

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Comme toujours, le but n’a pas été ici d’essayer de créer quelque chose de moins cher ou de plus performant que ce que l’on trouve couramment sur internet. Mais il s’agissait plutôt de construire quelque chose de simple et fonctionnel, à portée de main de tout « bon » débutant en électronique. Qui plus est ici, l’intérêt est double dans le cas de cette alimentation, car il s’agit d’un montage vraiment utile, surtout si comme moi vous disposez d’arduino branchés à l’extérieur, pour faire des essais. Du reste, tout ceci est également fait pour vous inspirer, et vous montrer qu’on peut faire plein de choses, y compris avec de « vieux » accus 18650 de récup, s’ils sont en état de marche, bien sûr ! Alors en avant !

Caractéristiques de cette alim portable USB

Cette petite alimentation USB portable s’alimente avec 3 accus li-ion, au format 18650. Pour ma part, j’ai utilisé des accus NCR18650B (lien datasheet), faisant 3,7 volts au nominal. Chaque accu est retirable individuellement. Il peut être rechargé à la demande, ou remplacé par un autre, si trop usagé.

Elle délivre en sortie :

  • 3 x sorties 5V au format USB (femelle, type A)
  • 1 x sortie 5V sur bornier à vis, monté sur PCB

Un voltmètre permet d’indiquer la tension totale des 3 accus lithium ion, montés en série, si souhaité. Au passage, comme ces accus lithium-ion ne doivent ni « descendre » en dessous de 3 volts, pour éviter les décharges profondes, ni « monter » au-dessus de 4,2 volts pour éviter la surcharge, alors la tension de ce pack de 3 batteries devra avoir une tension comprise entre 9V (3x3v) et 12,6V (3×4.2v).

Un fusible débrochable permet d’assurer une protection contre les surintensités, en sortie des accus 18650. Perso, je m’en sers pour « déconnecter » les accus du reste du montage, quand je ne me sers pas de cette alim. Cela permet de freiner au maximum l’autodécharge de ces batteries.

La régulation de tension est assurée par des régulations linéaires, de type 7805, permettant de délivrer 5 volts en sortie. Ce qui permet d’avoir un montage super simple, et efficace, même si le rendement n’est pas formidable. À noter que l’intensité max que peut délivrer ces 7805 est d’environ 1,5 ampères, en pic, mais il faudra rester bien en dessous, même en continu. En effet, ces régulateurs n’étant pas équipés de dissipateur thermique, afin d’avoir un circuit compact, leur courant de sortie devra être limité en fonction de la durée d’utilisation de cette alim, et de l’échauffement de ces régulateurs (fonction notamment de la température ambiante, de la chute de tension aux bornes du régulateur, et du courant débité).

Du coup, cette alim est plutôt réservée à un usage ponctuel, et non à un usage continu. Sinon, il aurait fallu adjoindre des dissipateurs thermiques aux boitiers 7805, ce qui aurait considérablement alourdi le montage final). Mais comme il s’agit avant tout d’un projet éducatif, à destination des débutants en électronique, il s’agissait de rester simple, ludique, et pratique, sans se soucier du rendement global 😉

Schéma électronique (alim USB 18650)

Au niveau du schéma électronique, comme vous pourrez le constater, c’est on ne peut plus simple ! C’était d’ailleurs mon souhait, afin de proposer quelque chose qui soit vraiment accessible, surtout à ceux qui débutent en électronique. Même si, encore une fois, tout est loin d’être optimal ici !

En parlant du schéma électronique de cette alim USB 18650, le voici :

Schéma alimentation USB sans fil 18650 portable, fonctionnant avec accus lithium ion rechargeables 3,7V et régulateurs de tension 5V, voltmètre intégré

Comme vous le voyez, ce schéma électronique est divisé en 3 parties :

  • Le bloc d’alimentation (le bloc d’accus)
  • La partie mesure (voltmètre « à la demande »)
  • Et la partie puissance (le bloc régulation de tension)

Concernant le bloc d’alimentation, on trouve ni plus ni moins que 3 accus li-ion 18650 mis en série, et fournissant une tension comprise faisant 11,1 volts au nominal (sur la base de 3 x 3,7V par accu). Bien entendu, il faudra toujours s’assurer que la tension de chaque accu soit bien comprise entre 3 volts (le minimum, pour éviter les décharges profondes) et 4,2 volts (le maximum, pour éviter les surcharges). Du reste, un fusible à lame, de type « automobile », permet de protéger cette petite batterie contre les surintensités.

Concernant la partie mesure, cela est confié à un simple voltmètre intégré, monté sur PCB. Ici, un simple interrupteur à poussoir permet de faire afficher la tension ou non, selon si on souhaite connaître la tension totale du pack d’accus, ou si l’on souhaite déconnecter ce voltmètre du reste, afin de ne pas consommer du courant inutilement.

Enfin, concernant la partie puissance, celle-ci se résume tout simplement à 4 régulateurs de tension linéaires de type 7805 (lien vers son datasheet), avec un condensateur de découplage pour chacun en sortie (comme le recommande le fabricant). Au niveau des sorties, justement, on retrouve :

  • 3 x sortie USB femelle, de type A
  • 1 x sortie type bornier à vis

Pour rappel, même si le courant max admissible de chaque 7805 avoisine les 1,5A, il ne faudra jamais tenir cette consommation en continu, sous peine de les détruire. En effet, ici, aucun de ces régulateurs de tension n’est équipé de dispositif de refroidissement thermique, ce qui les rend vulnérables à la surchauffe. En fait, j’ai fait ce choix afin d’avoir quelque chose de simple, léger, portable, pratique, et pas trop cher. Du coup, il faudra toujours veiller à ne jamais faire surchauffer ces composants. En bref, faites simplement un usage ponctuel de cette alim « de secours », et non un usage en continu, si vous consommez beaucoup de courant !

Pour résumer : il n’y a aucune difficulté particulière ici, avec ce montage simplifié au maximum ! C’est donc le type de montage idéal pour apprendre l’électronique, ne serait-ce qu’au niveau du soudage des composants, réduit « à sa plus simple expression » 😉

Fabrication (circuit imprimé PCB) et essais

Côté PCB, le circuit imprimé de cette alimentation USB li-ion portable comporte 2 faces :

  • Côté cuivre (le « dessous »), faisant office de plan de masse
  • Côté composants (le « dessus), supportant le traçage des pistes

Concernant la largeur des pistes, je suis parti sur quelque chose de vraiment large et quelque peu surdimensionné, là où il y aura un fort passage de courant. Ainsi, l’échauffement et les pertes seront réduits « au maximum ». D’ailleurs, ces « larges pistes » sont particulièrement visibles, sur ce PCB (vue « côté composants ») :

Circuit imprimé alim USB sans fil 18650 li ion, montage PCB support d'alimentation portable USB femelle type A sous 5 volts, avec fusible de protection

Au niveau des composants en eux-mêmes, ils sont tous de type « traversants » ; c’est-à-dire qu’il n’y a aucun composant monté en surface (CMS) sur ce circuit. En bref, rien de plus simple à souder !

Si vous souhaitez reproduire ce montage, vous pourrez, comme à l’accoutumée, commencer par souder les composants les plus petits (ou les plus bas), pour finir avec les plus imposants. Remarque importante : faites bien attention à la polarité du condensateur électrolytique de 100µF, et des régulateurs de tension 7805.

Une fois fait, vérifiez bien toutes vos soudures, et implantations de composants. Au passage, concernant le voltmètre : il faut brancher le fil noir sur la borne « – » du bornier prévu à cet effet sur le circuit imprimé, et les fils rouge ET jaunes ensemble sur la borne « + ».

Très important : avant toute mise sous tension, vérifiez bien :
– que tous vos composants soient montés dans « le bon sens » (au niveau de leur polarité)
– que toutes vos soudures soient bien faites (et qu’il n’y ait pas de courts circuits)
– et que le fusible de protection contre les surintensité soit bien embroché sur son support

Ensuite, insérez des accus li-ion en bon état et suffisamment chargés, sur le support PCB de ce montage. Vous devriez ainsi obtenir quelque chose comme ce qui suit :

Alim USB li-ion 18650 portable pour alimenter ses petits projets électroniques nomades, avec indication de tension via voltmètre, batteries interchangeables

Sinon, si rien ne s’affiche, retirez immédiatement les accus, et prenez le temps de réfléchir d’où peut provenir le soucis ! Dans tous les cas, ne vous improvisez pas apprenti sorcier, car tout montage comporte des risques, surtout lorsqu’on utilise des batteries lithium ion.

Si tout est correct, vous devriez voir une tension s’afficher sur le voltmètre. Pour ma part, comme visible ci-dessus, j’avais une tension de 11,2 volts au niveau de mon pack d’accus lithium ion.

Enfin, concernant les essais, ceux-ci ont mis en évidence une certaine autodécharge, régulière, alors qu’il n’y avait rien de branché en sortie, que ce soit au niveau des prises USB ou des borniers à vis. Ceci est sûrement induit par les régulateurs de tension et condensateurs connectés en permanence, sur cette batterie. Du coup, pour limiter au maximum l’autodécharge de cette batterie, il faut retirer le fusible de protection, lorsqu’on a plus besoin de cette alim. Ainsi, les accus lithium ion sont « isolés » du reste, et leur autodécharge devient très légère.

Liens utiles et téléchargement

Concernant les fichiers utiles à la réalisation de ce projet, on retrouve :

  • Le schéma électronique de cette alim USB 18650 (au format PDF)
  • Le fichier GERBER (au format ZIP), si vous souhaitez faire fabriquer le circuit imprimé de ce projet à l’identique

Au niveau des composants électroniques utilisés ici, on retrouve :

J’en profite pour vous mettre quelques autres photos du montage fini, avec et sans les accus montés sur leur support :

Alimentation USB portable avec accus 18650 li-ion échangeables individuellement, projet électronique pour débutants, soudures sans CMS, borniers usb type A
Alim USB portable avec accus lithium ion 18650 et triple sortie USB femelle type A, plus affichage de la tension du pack de batteries direct sur afficheur électronique

Avantages et défauts de cette alimentation sans fil li-ion

Comme tout circuit électronique, il y a des points forts et des points faibles. Ceux-ci sont dus aux choix que j’ai fait, et également dus au fait que rien n’est jamais vraiment parfait ! Il faut donc bien les avoir en tête, avant de réaliser une telle alimentation.

Au niveau des avantages :

  • Cette alimentation permet d’utiliser de « vieux » accus 18650 de récupération, et de pouvoir les remplacer individuellement si nécessaire (ils ne sont pas soudés entre eux, et retirables séparément).
  • Le schéma électronique est réduit au strict minimum, ce qui le rend particulièrement facile à comprendre, même si vous débutez en électronique.
  • Circuit idéal pour apprendre à souder (car il y a que des composants « simples », de type traversant, et aucun CMS)
  • Le coût d’un tel montage est vraiment limité, du fait qu’il n’y a que très peu de composants mis en œuvre (et si vous pouvez récupérer de vieux accus li-ion 18650 en état de marche, pour vous éviter d’en acheter des neufs, c’est encore mieux !).
  • On a là une « vraie » alimentation USB portable, en ce sens où elle ne se coupera pas s’il n’y a pas assez de courant consommé en sortie (c’est d’ailleurs le principal défaut de certains powerbank, qui se mettent en veille si la charge n’est pas suffisante).
  • Le voltmètre intégré permet d’avoir une indication claire et immédiate de la tension du pack d’accus. Muni d’un interrupteur à poussoir, il ne consommera rien lorsque déconnecté !
  • Le fusible à lame permet d’isoler rapidement les accus du reste du montage. Ainsi, il permet de limiter au maximum l’autodécharge des batteries. Sinon, même à vide (c’est à dire sans rien de branché au niveau des prises USB et des borniers à vis), il y aura quand même une toute petite consommation de fond.

Au niveau des inconvénients :

  • Il n’y a aucune sécurité individuelle (de type BMS), au niveau des accus 18650. Du coup, par exemple, il n’y a aucune protection contre les décharges profondes des batteries. Il vous revient donc la charge de surveiller vos batteries 18650 individuellement, afin que celles-ci ne descendent pas en dessous de 3 volts.
  • La charge de chaque accu li-ion 18650 ne pourra se faire qu’en dehors du montage, c’est à dire après les avoir retirés individuellement de ce montage. En clair : ils ne peuvent être rechargés « in situ ».
  • Le rendement de ce système est plutôt médiocre, du fait de l’utilisation de régulateurs linéaires, plutôt qu’à découpage (par contre, on y gagne fortement niveau prix et simplicité !).
  • Si le fusible n’est pas retiré, il y a une autodécharge résiduelle, due à la présence de condensateurs et régulateurs de tension branchés dessus.

Alimentation USB 18650 : conclusion !

Voilà pour ce concerne cette alimentation USB 18650 portable ! J’espère qu’elle saura vous apporter autant qu’elle m’apporte, c’est-à-dire la possibilité d’alimenter des circuits USB nomades, tout en réutilisant de vieux accus de récup, de type li-ion 18650 !

Sinon, ce montage est selon moi le type de circuit imprimé idéal pour apprendre à souder en électronique. Car il n’y a aucun petit composant de type CMS, mais que de « gros » composants de type « traversant ». Et comme il n’y a que très peu de composants mis en œuvre, le bon fonctionnement est quasi assuré, du premier coup 😉

Important : attention toutefois lorsque vous manipulez des batteries 18650, neuves ou de récup. Car il faudra vous assurer qu’elles soient en bon état (donc sans la moindre trace de choc, ni déformation, par exemple), et en état de fonctionner (avec une tension correcte, vis-à-vis de ce que préconise le constructeur pour celles-ci). Qui plus est, faites très attention à ne pas les exposer à une chaleur trop importante (comme toute batterie li-ion, me direz-vous !).

Bon… je crois que nous avons fait le tour de tout ce montage ! Il ne me reste donc plus qu’à espérer que tout cela vous inspire, pour pratiquer l’électronique « passionnément » !

À bientôt !
Jérôme.

À découvrir aussi : un coupleur d’accus 18650 avec sorties XT30 !

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(*) Mis à jour le 27/10/2021

2 commentaires sur “Alimentation USB sans fil (sur accus lithium ion 18650)”

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