Comprendre l'alimentation d'un robot

Tu connais le péage depuis le module des piles : en charge, toute source perd r × I à ses bornes. La nouveauté du robot rapide, c'est l'échelle et la vitesse. La pointe de démarrage des moteurs — 2 A et plus — traverse la résistance interne du pack ET les fils : le rail batterie se creuse d'un volt entier… pendant quelques millisecondes seulement. Le voltmètre, trop lent, n'affiche rien ; seul l'oscilloscope voit l'événement. C'est le premier réflexe du chapitre : les parasites d'alimentation se chassent à l'oscilloscope.

Pourquoi la carte redémarre-t-elle ? Parce qu'un cerveau nourri sous sa tension minimale calcule faux — bits qui basculent, mémoire corrompue. Ses concepteurs ont donc câblé un veilleur : sous environ 4,5 V sur une carte 5 V, tout est remis à zéro, proprement. Ce redémarrage parasite porte un nom : le brown-out — la « baisse de lumière », par opposition au black-out complet. Symptôme signé : un robot qui reboote exactement au démarrage des moteurs n'a presque jamais un problème de programme — il a un problème d'alimentation.

Remonte le courant depuis sa source, étage par étage. D'abord la batterie — chez nous la LiPo à deux éléments, 7,4 V — la réserve d'énergie. À deux centimètres de sa borne, le fusible : le garde du corps rencontré au module sécurité, qui fond avant que le reste ne brûle — pour une LiPo, une clause du contrat. Puis l'interrupteur général, le robinet maître qui coupe tout d'un geste. Ensuite les régulateurs, qui fabriquent à partir du pack changeant les tensions stables que la logique exige. Et enfin les rails, qui distribuent chaque tension à ses clients.

Le mot « rail » prend ici son sens complet : au-delà des deux colonnes de la plaque d'essai, un rail est une tension distribuée partout dans le robot. Le nôtre en compte trois. Le rail de puissance : le 7,4 V brut du pack, pour les moteurs qui tolèrent ses sautes d'humeur. Le rail 5 V : le cerveau et ses périphériques. Le rail 3,3 V : les capteurs fins. Trois tensions, trois exigences de propreté très différentes — c'est exactement pour cela que la suite du module va les séparer.

Le régulateur linéaire, tu l'as déjà croisé en portier de ta carte : il régule en rabotant. Quoi qu'il arrive en entrée — 6,8 V, 7,4 V, 8,4 V — il retranche l'excédent en continu pour tenir ses 5 V de sortie, sans hachage ni bruit : la tension la plus propre de l'atelier, obtenue avec trois pattes et deux condensateurs. Mais tout ce qu'il rabote devient chaleur : P = (Ue − Us) × I. De 7,4 V vers 5 V sous 1 A : (7,4 − 5) × 1 = 2,4 W — près de dix fois le quart de watt d'une petite résistance. D'où le radiateur, et le diagnostic appris avec ta carte : tiède, il travaille ; brûlant, il avoue.

Son second trait de caractère : la marge. Le linéaire classique décroche si l'entrée passe sous la sortie plus environ 2 V — les 7 V minimum croisés au module du microcontrôleur prennent ici tout leur sens. Et son rendement ne dépend que des tensions : 5 ÷ 7,4 ≈ 68 %, un tiers de la batterie converti en chauffage quoi qu'on fasse. Verdict d'atelier : parfait pour un rail frugal et sensible — quelques centaines de milliampères de logique — déraisonnable pour les gros courants.

Le régulateur à découpage prend le problème à l'envers : au lieu de raboter l'excédent, il ne prélève que le nécessaire. Un transistor-interrupteur hache la tension d'entrée des dizaines de milliers de fois par seconde — regarde la figure : fermé, ouvert, fermé — puis une bobine et un condensateur lissent ce hachis en tension continue. Ouvert, il ne laisse rien passer ; fermé, il ne freine presque rien : dans les deux états, il ne dissipe quasiment pas. Résultat : un rendement au-delà de 90 % — presque toute la batterie arrive à destination, et le boîtier reste froid.

Son prix : le bruit. Le hachage laisse sur la sortie une petite dent de scie résiduelle et des aiguilles à chaque commutation — un bruit haute fréquence, inoffensif pour un moteur ou une LED, gênant pour un capteur analogique fin ou une mesure précise. La règle de choix tient en une ligne : découpage pour les ampères, linéaire pour la propreté. Et les meilleurs montages cascadent parfois les deux : un découpage qui dégrossit sans chauffer, un linéaire qui polit la tension des capteurs.