Alimentation de la Raspberry Pi

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EDIT 30/12/2016
Attention, la RPi 3 semble beaucoup plus tatillonne concernant son alimentation 5V, et les solutions présentées ici ne seront peut-être pas totalement fiables pour elle, même si elles fonctionnent parfaitement pour les modèles précédents. Pour plus de détails, se reporter à cet article.
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La carte RPi utilise beaucoup d’énergie pour son microprocesseur ARM, et pour sa puce vidéo HDMI ainsi que pour l’Ethernet. L’alimentation demandée est de 5 volts continus et 700 mA minimum, ce qui ne pose pas de problème pour une alimentation secteur.

Au passage, et contrairement à ce que disent certains sites à tord, il ne faut pas alimenter la Raspberry Pi avec le port USB d’un ordinateur portable.

Mais nous faisons des robots mobiles, donc on cherche une solution sur batterie. Deux aspects sont étudiés ici : la fabrication du courant et la connectique.

Attention, si l’alimentation est bien de 5 volts, la puce elle-même fonctionne en 3.3 volts, ce qui nécessite des adaptations de tension et parfois une isolation pour interconnecter différents systèmes à des tensions différentes (5 volts TTL, 1.8 volts, ...).

Cet article ne traite que de l’alimentation, pas de l’interconnexion logique de signaux provenant d’une carte électronique fonctionnant en 5 volts.

La problématique

Même si nous allons tout faire pour baisser la consommation d’énergie grâce à la configuration logicielle, reste qu’il faut arriver à fournir un courant important tout en embarquant la source d’énergie.

En comparaison des quelques dizaines de mA demandés par nos micro-contrôleurs, c’est une problématique nouvelle. Bien entendu, nos moteurs consomment autant voire plus (500 mA sur le Tankobot, plusieurs ampères sur les robots de la Coupe Eurobot). On sait donc embarquer une source d’énergie de forte capacité : une batterie Lithium Ion peut contenir plusieurs ampères-heures, et même les batteries NiMH font facilement 2000 mAh.

Nos robots peuvent donc tenir plus d’une heure, même avec une Raspberry Pi comme cerveau principal ou auxiliaire. Mais il faut une bonne régulation, car en sortie d’une batterie de 12 volts et plusieurs ampères, les puces qui transforment en 5 volts ne supportent pas forcément un courant élevé.

Une première solution est le régulateur classique, comme le 7805. Comme nous l’expliquions dans cet article sur la régulation de tension, il faut toujours mettre des condensateurs (au moins par sécurité, vu le faible prix de ces composants cela ne mange pas de pain), et surtout un radiateur pour atteindre un ampère de courant consommé par le circuit alimenté.

Cependant la place prise par le radiateur, et la perte engendrée par la chute de tension de 12-5 = 7 volts sont des inconvénients importants pour nos projets embarquant une Raspberry Pi. Au passage, 7 volts et 700 mA, cela signifie une puissance dissipée de près de 5 watts ! Plus que ce que ne consomme la carte...

Et n’oublions pas que la carte ne sera pas joliment posée sur un bureau de geek ou cachée derrière une télé avec 1 mètre cube d’air autour d’elle : l’air chauffé par la dissipation thermique (effet Joule) sera confiné à l’intérieur d’un robot.

Une autre solution améliorant le rendement et diminuant ainsi la perte d’énergie, c’est le convertisseur DC/DC : on entre une tension sur courant continu, les 12 volts de la batterie, et on sort une tension de même type, mais de 5 volts seulement.

Nous avons trouvé un module capable de fournir plusieurs ampères, avec une tension de sortie réglable, c’est le convertisseur de Texas Instruments décrit dans cet article. Avec 96% de rendement, c’est un très bon élément, mais sans doute sur-dimensionné pour notre usage.

D’autres convertisseurs existent avec un rendement élevé (94%), et nous en avons retenu deux gammes :

– les convertisseurs RECOM, qui remplacent exactement un 7805 : il suffit de dessouder le 7805 et de mettre le RECOM R-785.0-1.0 à la place et au revoir les calories à dissiper !

– les convertisseurs OKI, moins cher et plus efficace que les TracoPower, une autre marque connue. Également compatibles broche à broche avec du 78xx, et selon le fabriquant les condensateurs sont superflus.

La réalisation du circuit avec ou sans condensateurs dépend des profils d’appel de courant que l’on a derrière. Si la consommation est relativement stabilisée, ou avec des montées en charge pas excessivement brutales, les capas intégrées peuvent suffire. Si par contre il y a des appels de courant, le convertisseur et ses capa intégrées risquent d’avoir du mal à étaler.

A notre niveau ce n’est pas quelques condensateurs de plus qui vont faire une grosse différence de prix et de taille. Alors autant pêcher par excès de précautions.

Donc pour la Raspberry Pi, on préférera un convertisseur avec capacités, dans un petit boîtier prenant 12 volts en entrée et avec un connecteur en sortie pour la liaison vers la RPi.

Concernant le prix, cela représente tout de même une dizaine d’euros. On trouve par exemple ce convertisseur 5 volts à 87% de rendement pour 14 euros chez Gotronic. Avis à ceux qui pensaient faire un robot à 50 euros, parce que la Raspberry Pi ne coûte que 30 euros.

Les connecteurs

Autre aspect important, il faut pouvoir interconnecter nos différentes cartes et utiliser des connecteurs standards. La présence d’un connecteur micro-USB pour alimenter la carte n’est donc pas une bonne nouvelle : ce type de connecteur est fragile (de là à penser que les constructeurs de téléphone mobile l’ont choisi pour qu’on change régulièrement de portable... ?) et il nécessite une forte pression pour se connecter et se déconnecter, pas forcément compatible avec les endroits exigus où nous allons fixer nos différentes cartes.

La première solution consiste à sacrifier une alimentation secteur munie du connecteur : on coupe 3 centimètres de câble derrière le connecteur, on le branche à la Raspberry Pi et on fait son propre connecteur d’alimentation au bout coupé. C’est gâcher une alimentation secteur, bien que la conversion 220/5 volts puisse resservir pour un autre usage, mais vu qu’on croule sous les blocs d’alims régulées/découpées, on ne va pas retenir ce cas.

La seconde solution consiste à utiliser les pattes du connecteur d’extension (expansion port) avec un espacement standard de 2,54 mm, ce qui est parfait pour nos connecteurs utilisés en robotique.

Il suffit alors de se connecter à la patte 2 (tension 5 volts) et à la patte 6 (masse) pour pouvoir faire fonctionner la carte.