Besoin de vos connaissances en électronique pour estimer la consommation de la carte Arduino

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Salutations !

Je me permets de vous écrire sur ce forum, car j'ai besoin de votre aide.
Je tiens à me présenter succinctement, histoire de poser le cadre.

Tout d'abord, je suis physicien. J'ai longuement bossé sur des modèles théoriques, des concepts un peu exotiques, avant de me rendre compte que je pouvais les tester empiriquement. J'ai opté pour l'Arduino et l'open source, pour des raisons économiques, politiques et philosophiques. Je suis contre la politique des brevets. J'auto-finance mes recherches, mais mon but n'est pas de gagner de l'argent, c'est de comprendre les lois de la nature.

Hélas, aux dires de deux avocats que j'ai consultés, quand il est question de projets industriels, la protection des licences libres n'est pas aussi claire que ça. Bon, je n'y connais rien et ça me saoule, mais avant que ledit projet soit au point, il ne faut en principe rien divulguer.

Or, je ne suis pas un électronicien, ce n'est pas mon métier. J'apprends sur le tas, grâce à vos documentations. Mais c'est chaud pour avoir de l'aide. J'ai pu en obtenir grâce à un pote ingénieur électronique, sauf que nous ne parlons pas souvent dans la même langue...

Donc voilà, j'ai besoin d'avoir un autre regard extérieur, et si j'écris des choses qui apparaissent idiotes, merci de votre indulgence ^^

Voici le matériel dont nous disposons :

Une carte Arduino MEGA 2560

Deux petites breadboards

Un module convertisseur XL6009

4 LEDS (3,5W)

Une seule de ces LED a besoin d'au min 160mA pour fonctionner.
J'ai directement posé la question au fabriquant ^^

L'Arduino est alimenté par l'USB d'un ordinateur portable.
Il y est connecté ce petit gadget pour vérifier la consommation :

La carte Arduino va rediriger l'énergie vers une breadboard, qui a un montage un peu spécial. Nous avons le module XL6009, qui réhausse la tension en sortie, afin d'alimenter nos 4 LEDS branchées en série, sur une deuxième breadboard.

Grâce à un multimètre TRMS, nous vérifions une tension de 8,5V pour chacune des LEDS. Leur intensité est de 0,19A ; soit un peu plus que la valeur minimale théorique.

Voici ma première question : à votre avis, quelle consommation devrions-nous observer à la prise USB du PC ?

D'où ma seconde question : si nous alimentons notre Arduino avec une petite batterie au lithium de 550mAH (3,7V) ; combien de temps nos LEDS resteraient allumées ? Autrement dit, quelle serait l'autonomie de la batterie ?

Bien sûr, je connais déjà la réponse à ces questions, mais j'ai besoin de connaître vos estimations et vos explications. Mes connaissances en électronique sont limitées, mais je m'y connais pas mal en physique, et je veux être sûr de ne pas me planter dans mes observations.

Je vous remercie infiniment !

Xavier

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C’est-à-dire ? Vous connecter la pin 5 V Vers la breadboard ?

Pour tester l’autonomie de la batterie de suffit de brancher et de mesurer le temps… :wink:

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Il faut séparer les alimentations.

On peut utiliser plusieurs alimentations a condition que le fil de référence de tension (la masse) soit commun a toutes les alimentations.
Dans le domaine des microcontroleurs la masse est toujours au "moins" des alimentations.

Un microcontroleur ne peut pas fournir de la puissance.
Une carte avec un microcontroleur ne peut pas en fournir guère plus.

Il existe des composants pour faire interface de puissance entre le micro et la charge.
Par exemple pour la Del (led) il faut l'alimenter par une source extérieure et la commander avec un transistor MosFet qui ne demandera aucun courant à la sortie du microcontroleur qui le commande, mais qui pourra commuter plusieurs ampères.

Il existe un excellant tuto : le tuto d'Eskimon (www.eskimon.fr) qui traite des ces sujets.

Une information qui peut t-être utile : le courant max dans une sortie d'un micro comme celui de la carte Mega.
Il faut te méfier de ce que tu peut lire ça et là, les chiffres que je donne sont tirés de la datasheet du microncontroleur .

Courant à ne jamais dépasser, et pendant de courtes durées = 40 mA
Courant de service en régime permanent : max 20 mA
mais à condition que les 4 conditions suivantes soient simultanément satistaites=> ce n'est pas un "OU" c'est un "ET" :

  1. Le courant dans le GND ne dépasse pas 150 mA
  2. Le courant dans le Vcc ne dépasse pas 150 mA

Les Entrées/Sorties sont groupées par 8 dans ce qui s'appelle un port.
En mode sortie si la charge est entre la pin de sortie et la masse, le courant sort de la pin. On dit qu'elle est en mode "source". Si la charge est entre le Vcc et la pin, le courant entre dans la pin, on dit qu'elle est en mode "sink".

Les deux dernières conditions qui sont à respecter simultanément avec les deux premières :

  1. en mode source la somme des courant dans un port ne doit pas dépasser 150 mA
  2. en mode sink le courant ne doit pas dépasser 100 mA.

Ce sont les limites du constructeur Atmel/Microchip,
La plupart du temps les puces peuvent faire plus, mais si un lot de fabrication fait juste les limites annoncées il n'y a rien à dire.

Bien compliqué tout ça ?
Pas vraiment si tu admets qu'un microcontroleur n'est pas fait pour fournir du courant et qu'il faut utiliser des interfaces de puissance comme des transistors.
Et aussi que l'alimentation interne à la carte est dimensionnée pour alimenter le microcontroleur plus quelques babioles extérieures qui ne consomment pas beaucoup.

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Merci pour votre retour...
Bon, je me rends compte que ça va être compliqué...

Quelle est la consommation d'une seule LED ?
8,5V x 0,19A = 1,615W

Quelle est la consommation de 4 LEDs ?
1,615W x 4 = 6,46W

Jusque-là, ça va...
Ce ne sont pas des calculs très compliqués !

Combien est-ce que je consomme à la prise USB du PC ?
J'avais volontairement omis cette donnée...
5,09 V x 0,43A = 2,1887W

Est-ce que ces valeurs vous apparaissent normales ?

Quand j'ai écrit que le montage de ma breadboard était spécial, vous vous doutez bien que je ne me contente pas de connecter la broche 5V de l'Arduino vers mes LEDS. Ce serait totalement idiot. Ce n'est pas vraiment comme ça que vous créerez une brisure de symétrie.

Donc ouip, j'ai déjà mesuré empiriquement l'autonomie de la batterie. Si mes calculs sont corrects, elle doit être de moins de 20 minutes. Et c'est ça que je veux vérifier, car ce que j'obtiens n'a rien à voir. Ce qui m'intéressait, c'était de connaître vos estimations au regard de vos connaissances actuelles. Et si possible d'en discuter.

Mais si ce n'est pas possible, ce n'est pas grave.
J'aurais au moins essayé !

Bonne soirée.

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Si vous nous présentiez le vrai circuit avec la batterie ?
Et les spec de la batterie (si vous avez pu les vérifier, souvent il ne faut pas croire ce qu’il y a marqué dessus…)

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évidemment non la puissance sur le 5V devrait à minima être celle des LEDs dans un rapport 12/5
soit environ 15,5W en admettant que le rendement du convertisseur XL6009 soit de 100% (ce qui n'est pas le cas).

Mais, l'USB Doctor n'est pas un appareil de mesure.Donc ses mesures sont sujettes à caution. Par exemple si le courant est pulsé il est fort possible qu'il ne fasse pas une mesure correcte.

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Juste pour illustrer mes propos une image des câblages à l'intérieur d'un boîtier.
Ce n'est pas une image Atmel/Microchip mais les différences seront minimes : Atmel fils en aluminium au lieu de fils en or comme sur la photo.
Bonding

900 mA dans des bondings, ? ? ?

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C’était la question du circuit …

si vous alimentez quelque choses à partir des pins du microcontrolleur et que ça tire « trop » vous le poussez dans ses retranchements. Ça peut tenir un moment mais on n’est plus dans la spec. Si on veut rester dans la norme on vise 20mA par pin, 40 en pointe et les limites de la spec rappelées par @68tjs pour les groupes / ports.

Si l’arduino est alimenté par USB l’ordinateur ne vous donnera sans doute pas plus de 500mA de toutes façons

Sans circuit précis on parle dans le vide

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Le problème c'est qu'on ne comprends pas de quoi tu parles.
On ne comprends pas quoi alimente quoi au finale.
Si tu veux des réponses claires il faut que toi tu sois clair.

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Oui et non. La capacité d'une batterie dépend pas mal de la façon dont on l'utilise. Si on tire un courant trop important, par exemple, la capacité chute. Les fabricants fournissent la capacité pour un courant donné.

Avec un convertisseur DC/DC c'est étonnant. Un convertisseur DC/DC fait du transfert de puissance. Si tu as besoin de 6W en sortie le convertisseur va consommer 6W en entrée (+ les pertes du circuit, que l'on va ignorer pour l'instant). Donc si ta batterie fait 4V le courant demandé sera de 6/4 = 1.5A. Si la batterie chute à 3V le courant demandé sera 6/3 = 2A.

Les ampèremètres ne sont pas très bons pour mesurer la consommation si le courant n'est pas dans la gamme de fréquence tolérée par le multimètre. Et les convertisseurs DC/DC peuvent avoir sur l'entrée de belles impulsions à une fréquence élevée si le filtrage n'est pas de bonne qualité.

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Ces leds possèdent un circuit avec notamment un condensateur pour éviter le scintillement en alternatif. Il y a peu de chances que le dit circuit ait une consommation non négligeable devant les leds. Si on alimente les leds avec 50mA, j'ai du mal à accepter que les leds ne vont pas s'éclairer du tout. Et ceci d'autant plus que le rendement des leds sous alimentées ont un rendement plus élevées que pour le courant nominal.

Au fabricant ou au vendeur? Dans le premier cas, il faut parler le chinois, dans le deuxième cas, la réponse n'est pas fournie par un technicien mais par un commercial.
180mA est sans doute le courant pour que la lumière soir suffisante (terme non scientifique).

Les190mA c'est à mon avis du hasard suivant le réglage du convertisseur. Ces leds sont normalement faites pour 12V (et pour 3,5W on devrait avoir un courant de 290mA. Si on sous alimente les diodes avec 8,5V, comme on n'a pas le schéma de branchement, on ne peut pas calculer le courant. 190mA est donc possible.

Avec le réglage du convertisseur à 8,5V, la diode dissipe 8,5V x 0,19A soit 1,6W. Avec le convertisseur qui , on l'espère, doit avoir un rendement de 90%, On devrait avoir besoin de 1,8W. Si le tout est branché en 5V, il faut 'attendre à 1,8W par diode branchée, soit 1,8W/5V soit 360mA. Pour les 4 diodes 1,44A. La puissance en sortie de l'USB ne peut être dissipée que dans le convertisseur et dans les leds.

Si on utilise une batterie de 3,7V/550mAh, soit contenant une énergie de 2Wh ou 7300J (Ws), avec 4 diodes de 1,8W soit 7,2W, on devrait tenir 1000s soit 16 minutes.

Pas du tout d'accord, si les 4 leds consomment 6,5W on tire 6,5W sur l'USB à condition que:
− le convertisseur soit parfait
− la prise USB soit capable de délivrer 6,5W (plus d'un ampère!)

Les leds étant alimentées en 8,5V et pas sous leur tension nominales de 12V le rapport des tensions est de (/_,( le rapport des courants est inversé, et le rapport des puissance est de 1, donc 6W

A l'échelle moléculaire, oui ce sont des électrons qui passent, mais les calculs sont fait à une échelle beaucoup plus grande et on ne peut observer qu'une moyenne, et les calculs sont fait comme si les courants et les énergies étaient constantes.

Ce qui est dit dans les docs est que si on respecte les spécifications, le fonctionnement est garanti sur le long terme. En demandant 4 fois plus, il est possible que cela fonctionne avec une carte mais sans aucune garantie, et encore moins dans le temps.
Dans ma voiture, la charge utile est donnée pour 500kg, mais je suis certain que je peux y mettre le double sans problèmes. Maintenant si je le fais, ma voiture ne fera pas les 100000km prévus.

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+1

pour un scientifique ça manque de rigueur dans l'expression du problème, la description du mode opératoire (le circuit) et la formulation de la question..

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Vous savez on Est quelques uns sur ce forum à être docteurs ingénieurs et outre les compétences théoriques certains ont aussi quelques décennies d’expérience pratique avec les circuits et composants…

Personne ne vous prend pour un idiot.

Le manque de clarté c’est d’où vient la puissance envoyée dans les LEDs : sortie d’une PIN de l’arduino, pin 5V, direct de la batterie, Pris sur l’USB de l’ordinateur, si vous utilisez du PWM ou similaire en cas d’une pin etc… non vous n’avez pas été clair du tout et c’est de votre fait…

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Vous faites du PWM à 50% de duty cycle mais Votre multimètre (s’il est à valeur moyenne) attend un courant continu et ce n’est pas le cas. La mesure est fausse.
Si vous utilisez un multimètre TRMS numérique , il détermine la valeur thermique « efficace » de votre forme d'onde AC ( RMS =moyenne quadratique) en échantillonnant le signal. Comme vous avez un signal discontinu en entrée, sa fréquence versus la fréquence d’échantillonnage va jouer sur la qualité du résultat. Certains de ces multimètres ont un mode spécial pour contrôler les commutations et circuits de transmission par une mesure de fréquence et du taux des impulsions à une amplitude entre 2 et 5 V et une fréquence entre 100Hzet1MHz.
➜ quel type d’outil de mesure avez vous utilisé ??

Cf le point aussi de @fdufnews

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Attention aussi si il y a du PWM que je n'ai pas vu dans les posts. Je le déconseille fortement pour de la puissance lumineuse. Le rendement des led dépend très fortement de la température et donc de la tension appliquée. J'avais tracé la courbe de rendement d'un ruban led 12V parce que mon ruban éclairait moins à 26V qu'à 24V. Cela m'a donné:

Du coup une led éclaire moins avec un courant de 180mA max en PWM à 50% qu'en continu à 90mA. Et pour faire varier l'intensité lumineuse, une résistance série valait mieux qu'un PWM en terme de rendement.

L'œil a une perception logarithmique et en divisant le flux lumineux par 2, l'humain s'en aperçoit peu. D'autant plus qu'il n'y a pas de référence. J'ai triplé la puissance lumineuse de mon bureau, et on uy voit seulement un peu mieux.

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