Projet 3 - Testeur de pile et batterie

1. Principe de fonctionnement

La première idée qui nous vient pour tester l’état d’une pile est de mesurer la tension à ses bornes. Cette mesure, sans que la pile ne débite aucun courant, est appelée tension à vide. Cela donne effectivement une bonne indication mais elle n’est pas suffisante car la tension, lorsqu’elle débite du courant - ne serait-ce que quelques milliampères - peut s’écrouler drastiquement.

L’objet du prochain montage est de pouvoir tester une pile type AA ou AAA de 1,5 V, ou une batterie ou cellule Lithium (Lipo, Li-ion) de 3,6 à 3,8 V, et de mesurer les deux types de tensions (à vide et en charge) et les afficher sur un petit écran OLED afin d’avoir une idée précise de l’état de notre pile/batterie.

Écran OLED

2. Notions abordées

Ce troisième projet...

1. Fonctionnement des piles et batteries

La tension nominale des piles est en général indiquée sur leur corps et correspond à leur tension à vide, sans débiter de courant. Elle peut rester la même relativement longtemps, même après quelques années ou après avoir utilisé la pile dans un appareil.

La tension à vide n’est pas suffisante pour juger de l’état d’une pile ou batterie, il faut également mesurer la tension en charge, c’est-à-dire lorsqu’elle débite du courant.

Une pile n’est pas parfaite, de par sa conception et des matériaux qui la composent, elle présente toujours une résistance interne. Cette dernière est très faible lorsque la pile est neuve (quelques milli-ohms), mais devient de plus en plus importante à mesure que la pile se vide, et peut atteindre plusieurs centaines de milli-ohms. On peut donc schématiser une pile ainsi :

Représentation d’une pile

Lorsque la pile ne débite aucun courant, la tension aux bornes de la résistance interne est nulle puisqu’aucun courant ne circule. La tension à vide se résume donc à la tension aux bornes de la pile « parfaite ».

Lorsque la pile débite du courant, il traverse également la résistance interne, qui fait donc chuter la tension disponible aux bornes de notre pile. Lorsque la résistance interne atteint 500 milli-ohms, elle chauffe beaucoup plus et n’est plus capable de fournir le courant demandé.

C’est pourquoi une pile trop faible pour un appareil peut très bien convenir pour un autre moins gourmand en courant.

Lorsqu’une pile ou batterie devient trop usagée, sa tension à vide chute également.

Voici un tableau des seuils pour les différentes piles ou batteries courantes :

1. Les déclarations préliminaires

Tout d’abord, il est nécessaire d’inclure la bibliothèque de gestion de l’écran OLED (reportez-vous au projet 1 pour installer cette bibliothèque dans votre IDE Arduino si nécessaire, si une fenêtre vous demande d’installer d’autres librairies, acceptez la proposition).

#include <Adafruit_SSD1306.h> 

Puis il nous faut déclarer l’utilisation de trois pins :

#define PIN_BOUTON 7 
#define PIN_TRANSISTOR 2 
#define PIN_MESURE A0 

Déclarerons et initialisons ensuite une variable globale ecran en tant qu’instance de Adafruit_SSD1306 grâce à l’instruction suivante :

Adafruit_SSD1306 ecran(largeur, hauteur, &Wire, pinReset); 

Le constructeur de cette classe prend en arguments :

L’instruction dans notre programme est donc :

Adafruit_SSD1306 ecran(128, 64, &Wire, -1); 

2. La fonction setup()

Comme d’habitude, commençons par les instructions classiques d’initialisation du moniteur Série et de configuration des pins :

  Serial.begin(115200); 
  pinMode(PIN_BOUTON, INPUT_PULLUP); 
  pinMode(PIN_TRANSISTOR, OUTPUT); 

Comme vu dans le projet précédent, l’utilisation d’un interrupteur s’accompagne d’une résistance de pull-up. Nous utilisons le pull-up interne pour la pin 7.

Il n’est pas nécessaire de configurer la pin analogique A0 en INPUT puisque les pins analogiques fonctionnent uniquement en entrée. En revanche, il est indispensable de faire une première lecture « factice »...

1. Protection contre les inversions de polarités

La première amélioration est d’installer une protection contre tout branchement de pile à l’envers, c’est-à-dire en inversant les polarités, ce qui endommagerait le circuit et la carte Arduino puisque sa pin GND recevrait une tension supérieure à zéro.

Pour cela, il est possible de modifier le schéma en installant deux diodes 1N4148 (une pour chaque support de pile/batterie) :

Schéma avec diodes

Mais comment savoir quelle diode utiliser ? En lisant les datasheets !

Par exemple, en cherchant « datasheet 1N4148 » sur le Web, une liste de toutes les datasheet des fabricants de cette célèbre diode nous est proposée. On peut y lire que cette diode :

Ces caractéristiques sont largement suffisantes puisque nous travaillons sous 5 V maximum et 100 mA maximum.

Gardez en tête cette référence de diode, elle est très couramment utilisée et convient pour nos besoins dans la plupart des cas.

Lorsqu’une diode est traversée par du courant, il apparaît une tension de 0,6 V à ses bornes. Donc avant la diode, le potentiel est égal à celui de la pile (1,5 V par exemple), puis en traversant la diode, le potentiel chute de 0,6 V. La pin analogique de l’Arduino ne pourra donc jamais mesurer plus de 0,9 V pour une pile de 1,5 V en parfait état. Le programme de l’Arduino doit également être modifié pour prendre en compte cette soustraction de 0,6 V lors de la mesure de la tension en charge. La tension à vide, elle, reste identique puisque dans ce cas, aucun courant ne traverse la diode, et de ce fait aucune chute de tension n’apparaît à ses bornes.

2. Protection contre le branchement de plusieurs...