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Voltmètre

à LED unique

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Principe général
Problématique
Application
Réalisation
Exploitation
Détail de la mesure de tension
Pompe de charge régulée à rampe
Réalisation de cette page
Liens 

Maj : 09/01/17

Abstract :
Measurement of the real capacity percentage available on a pack of rechargeable batteries (like ones of diving lamp) displayed on a single flashing led, by a stream of light pulses interrupted by a long black (10 flashes = 100% of full capacity… 2 flashes = 20%…)

Résumé :
Mesure du pourcentage réel de la capacité restante d'un bloc d'accumulateurs (type lampe de plongée), affichée par une seule led clignotante, par une série d'éclats séparés par un long noir. (10 éclats = 100% d'autonomie totale ... 2 éclats = 20%...)

Préambule

Ce dispositif est original, je ne l'ai jamais vu décrit ailleurs. Je l'ai développé il y a fort longtemps, quand les leds et les circuits intégrés n'existaient pas, en transistors discrets, puis TTL, puis CMOS (mais il y avait déjà l'électricité, monsieur Volta était né !). La réalisation est très simple maintenant avec des petits microcontrôleurs à bas prix.

Principe général

Cette réalisation combine en réalité deux principes totalement indépendants :

Un affichage original, adaptable à la mesure d'une grandeur quelconque, consistant à générer une série d'impulsions sonores ou (et) visuelles dont la quantité ou (et) durée est proportionnelle à la grandeur mesurée.
Cet affichage est très facile à interpréter en milieu hostile (plongées délicates, très profondes, en grottes...). L'originalité du dispositif est dans cette forme d'affichage de l'information.

Une indication de capacité réelle exprimant un temps restant avant épuisement des ressources, dans cet exemple pour des batteries, mais adaptable à d'autres cas non linéaires. Cette partie est beaucoup plus difficile à cerner car aucune mesure directe ne peut la donner, il faut se fonder sur une analyse statistique mise à jour à chaque cycle de charge/décharge. C'est un vieux problème qui concerne tous les types de batteries et qui n'est jamais bien résolu.

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Problématique

Connaître l'état réel d'un accumulateur et l'indiquer en pourcentage de temps restant. Comme nous l'avons vu, ce n'est pas une simple lecture de tension qui peut renseigner sur l'état de fatigue de l'accumulateur. Il faut donc analyser son comportement sur chaque cycle de charge/décharge afin de déterminer son état réel instantané.
Il va donc falloir enregistrer des tables de séries de valeurs en détectant les cycles de charge et de décharge, manipuler ces données pour sortir la table finale magique évolutive, qui permettra à un instant donné d'afficher un pourcentage en lisant une tension. Cette table est dynamique, elle est remise à jour en permanence. Ce principe et connu sous le nom de " tables de translations " ou " look-up tables ". L'interprétation est très facile, ce n'est qu'une manipulation de pointeurs, la difficulté est de fabriquer la table. Dans un premier temps on peut se contenter de charger la batterie à fond, la laisser reposer pendant 48 heures, puis la brancher sur la charge et mesurer la courbe de tension à intervalles réguliers.
Cette table de base grossière sera valable tant que la batterie ne se dégradera pas trop. La température, les temps d’allumage / repos influent beaucoup sur les résultats.

 

Application

L'application a été développée au départ pour des lampes et phares puissants, que j'utilisais en photo et cinéma sous-marin et en plongée en mer et spéléologie. Il n'existait pas encore les leds et les consommations étaient très fortes !
Pour optimiser le fonctionnement d'une ampoule à gaz rare ou d'une led, il faut l'alimenter avec une tension très précise.

Si la tension baisse, le spectre d'une ampoule à filament glisse vers l'infra-rouge (refroidissement = couleur plus chaude, et oui c’est bien l’inverse antinaturel...), la consommation ne baisse pas sensiblement, mais le rapport luminosité/puissance s'écroule, le rendement est très mauvais.

Si la tension monte, le filament (ou la led) claque très vite. Il faut donc fixer le courant tel que donné par la fiche constructeur, en dépit d'une tension batterie très fluctuante.

Pour cela j'utilise une pompe de charge régulée en courant, par exemple 10 ampères (tension d'environ 6 Volts) , pour une tension d'entrée de 9 à 30 volts ! De plus pour éviter les chocs thermiques, en particulier lors de l'immersion d'un phare allumé, l'allumage et l'extinction sont pilotés par une rampe fiable, je décris ce dispositif en annexes. La particularité de ce dispositif est que la lampe éclaire à flux constant pendant toute la durée de vie de l'accumulateur, et s'éteint sans prévenir (une sécurité coupe l'alimentation au coude de décharge). Il est donc impératif de connaître l'état de charge en temps réel.

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Réalisation

Un petit microcontrôleur lit en permanence la tension pendant la décharge et la charge. Il est mis en service par l'ILS (interrupteur à lames souples) commandé par un aimant glissant de l'interrupteur et par une diode pendant la charge. Il manipule ces tensions dans son petit cœur de silicium qui bat au rythme d'un timer, et écrit ou lit une table en mémoire sauvegardée. Pendant la décharge, la lecture de cette table donne le pourcentage de la capacité.

Un logiciel assez évolué pilote l'application. Je ne veux pas fournir une réalisation clefs en mains, aussi je ne donnerai pas pour le moment les sources ni les schémas, mais simplement l'idée, car il faut beaucoup de temps pour mettre en forme mes brouillons et que je me suis amusé à réaliser maints protorypes avec diverses générations de composants.
La photo illustrant l'article n'est plus d'actualité, aujourd'hui, un Arduino basé sur un circuit AT_Tiny85 de huit broches et quelques composants discrets CMS fait cela pour moins de deux Euros tout compris, je le décrirai un jour en page Arduino.

Cette application est très lente, il suffit de lire la tension toutes les 10 secondes, d'afficher le résultat et de s'endormir, réveil par un timer ou chien de garde, avec une consommation quasi nulle.

J'utilise toujours ce mode d'économie dans ce genre d'applications, ici seulement pour la pureté du code, car les quelques milli ampères consommés par la carte hors mode sommeil, ne sont pas du même ordre que les quelques ampères consommés par les leds d'éclairage, mais il faut garder de bonnes habitudes. En mettant la carte en sommeil, la consommation peur être réduite d'un facteur 100 et passer de quelques milliampères à quelques dizaines de microampères en moyenne.

 

 

Exploitation

A ce stade, nous avons donc une carte contrôleur qui dispose de tables en EEPROM, sait lire la tension et sait calculer le pourcentage de capacité.
Il faut maintenant consacrer une patte du circuit à l'affichage de l'information.

J'ai utilisé au début un galvanomètre gradué de 0 à 100, piloté par un convertisseur PWM simple (pulse width modulation), mais cela est peu lisible en plongée et ne s'applique que pour les caissons en altuglas. En plongée profonde, la narcose obscurcit les esprits et la lecture d'un galvanomètre n'est plus interprétée par le cerveau. Ce système ne me satisfaisant pas j'ai cherché et trouvé la bonne solution.

   Idée originale, image non clickable   L'idée est ici !
Une simple led qui clignote, 10 coups = charge à 100%, …, 1 coup = charge à 10%.,
puis une dizaine de secondes de sommeil.
Même avec le cerveau embrumé par l'azote, le message est clair :
"moins ça clignote, plus c'est fini… ".

 

Une fois l'idée comprise, la réalisation est triviale avec le microcontrôleur, une patte commande la gate d'un petit Mosfet (à 0.1 Euro) et allume la led.

Toutes les séquences d’affichage sont réalisables suivant les goûts de chacun.
Sur les dernières réalisations j’ai utilisé une séquence qui me semblait meilleure :
Led allumée en permanence pour plus de 90% du temps restant.
Ensuite petits flashes d’autant plus fréquents que la batterie se vide en raccourcissant le temps allumé, à 10 % restant, plus de période longue , flashes très rapides.

Bon je ne vous dis pas tout, la carte est alimentée (toujours par une petite pompe) en 5 volts, la led fonctionnant en 1.6 volts, un obsédé du rendement comme moi ne pouvait admettre une résistance en série (ou 3 diodes). J'utilise donc un système à décharge de condensateur pour flasher la led, dont la charge est commandée par impulsions sans pertes, mais ce n'est pas le propos de cette page.

La carte représentée est un recyclage récupéré, la carte utile définitive étant minimaliste, une pompe de charge, un simple At Tiny en 8 pattes et un petit Mosfet, plus quelques résistances.

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Détail de la mesure de tension

Il faut lire et traiter une tension batterie de quelques dizaines de volts, mais un microcontrôleur premier prix n'a pas de convertisseur analogique incorporé.
L'UJT (Uni Junction Transistor) est un vieux composant parfait, qui court-circuite à une tension donnée un condensateur chargé via une résistance. Cela fournit des impulsions dont la période dépend de la tension. Le petit microcontrôleur compte le temps entre impulsions et détermine la tension après étalonnage, pour sortir l'information par des moyens variés. Ce montage est trivial pour tout électronicien.
J'utilise maintenant des circuits Arduino en version minimaliste 8 pattes, AtTiny, pour mettre au point facilement tous ces petits montages.

 

 

Détail pratique, monter la led

Pour un matériel non étanche, aucun problème, un trou dans le boîtier, un point de colle et le problème est résolu.

Pour un caisson avec tout ou partie transparente, pas de problème.

Mais pour un caisson opaque étanche et résistant, surtout en métal, c'est beaucoup plus compliqué, il faut maintenir l'étanchéité. Celle du couvercle ou de la vitre est toujours bien assurée par un joint torique. Le problème est pour les deux plots de charge (ou le plot si corps métal) et pour la led. En pratique cela demande des astuces. Je détaillerai les problèmes d'étanchéité des traversées sur une future page sur les caissons étanches, en "Divers ".

Variante à la led

Pour contourner la difficulté de l'étanchéité de la led sur caissons métalliques, j'ai utilisé parfois une alternative en replaçant la led par un buzzer collé dans le caisson. Le son et la vibration dans la main se perçoivent bien par le plongeur et cela ne traumatise pas trop les poissons (aucun ne s’en est plaint). Cela s'est avéré gênant en plongée spéléologique, avec plusieurs lampes allumées la cacophonie était inacceptable.

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Pompe de charge régulée à rampe

Cette partie du montage n'a absolument rien d'original, j'ai suivi les notes d'applications, en particulier celles de Maxim ou Linear Technology qui disposent d'un incroyable choix de circuits spécialisés. Avec un circuit, une diode de roue libre, une self bobinée maison et quelques condensateurs et résistances, le résultat est certain comme décrit dans l'application. J'ai essayé de très nombreux circuits de cette marque, tous les montages ont fonctionné au premier coup et dépassé les caractéristiques de rendement annoncées, mieux que 90%.

Le plus difficile est de choisir le composant, l'offre est immense, tous les circuits sont différents. J'ai une bonne technique, j'en commande quelques échantillons différents à chaque nouveau projet, je les teste et comme ils marchent tous bien, je n'ai pas deux applications qui utilisent le même composant.

 

 

Réalisation de cette page

En réponse aux courriels des déçus s'attendant à trouver un kit fini, prêt à brancher. Ce n'est pas le but de mes pages, je ne vends rien, je veux simplement donner des idées originales à des expérimentateurs curieux. Pour le moment pas de schéma, pas de typon, à vous de bosser aussi, j'espère que vous ferrez mieux et que nous pourrons échanger nos résultats. Il m'a fallu "un certain temps" pour écrire cette petite page sous Word, et la mettre en forme en PHP, en corrigeant mes 300 fautes de frappe.
Je n'ai pas le temps d'y consacrer plus, sauf si elle éveille un intérêt particulier

 

 

Liens et compléments

Vous trouverez ici une note complémentaire sur les leds

Voir la page des liens "Électronique ", tous ces composants sont classiques.

Le classique Interrupteur à ILS et aimant glissant : google.fr/..capteur+ils

* Liens vérifiés le 09/01/17

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