Présentation de la carte universelle

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📋 Prérequis

Avant de commencer ce chapitre :

☐ Chapitre ⚠️ Sécurité — À Lire Absolument Avant de Commencer lu et compris

☐ Choix de la configuration effectué (voir Choix de la configuration)

Vue d’ensemble

La carte 3phaseDiverter (rév. 6.0) est la carte principale universelle du Mk2 PV Router. Elle remplace les anciennes cartes monophasée et triphasée séparées par une carte unique capable de gérer les quatre configurations supportées :

• Monophasé : une phase, un neutre (230 V)

• Triphasé avec neutre : trois phases + neutre (400 V / 230 V)

• Triphasé sans neutre : trois phases sans neutre (400 V)

• Split-phase : deux phases à 180° (120 V / 240 V, réseau nord-américain)

La sélection de la configuration se fait uniquement par les cavaliers de soudure et le choix des connecteurs — tous les composants CMS sont identiques quelle que soit la configuration.

Caractéristiques principales

• Microcontrôleur ATmega328P (16 MHz, DIP-28)

• Jusqu’à 3 capteurs de tension (ZMPT101K, rapport 1000:1000)

• Jusqu’à 3 connecteurs de transformateur de courant (CT 1–CT3)

• Module radio RFM69CW (bande ISM 433/868 MHz) avec connecteur SMA

• Alimentation AC-DC intégrée (MPC10-5, 5 V / 10 W)

• Régulateur LDO AP7361C-33E (5 V → 3,3 V, 1 A)

• Protection parafoudre multiniveau (GDT, fusibles, MOV, self de mode commun)

• Buffer de la référence interne 1,1 V (AREF) par amplificateur opérationnel LMV321A

• Connecteurs d’extension : TRIG_EXT, UART_EXT, FTDI, OLED

• Compatible avec le module d’extension mk2Wifi

Images de la carte

Face avant (assemblée)	Face arrière

Composants CMS uniquement	Circuit imprimé nu

Connecteurs

Sérigraphie	Type	Description
PE / N / L1 / L2 / L3	Phoenix Contact MSTBV 2,5 (pas 5,08 mm)	Entrée secteur. En monophasé, un connecteur 3 voies est fourni (PE, N, L1).
TRIG_EXT	Barrette mâle 1×06 (pas 2,54 mm)	Déclenchement / GPIO
UART_EXT	Barrette mâle 1×06 (pas 2,54 mm)	UART + capteur DS18B20
FTDI	Molex SL 1×06 (pas 2,54 mm)	Programmation / débogage
OLED	Molex SL 1×04 (pas 2,54 mm)	Écran I2C (monophasé uniquement)
SMA	SMA vertical (50 Ω)	Antenne module RF
CT1	Molex SL 1×02 (pas 2,54 mm)	Entrée CT L1
CT2	Molex SL 1×02 (pas 2,54 mm)	Entrée CT L2 (triphasé uniquement)
CT3	Molex SL 1×02 (pas 2,54 mm)	Entrée CT L3 (triphasé uniquement)
D2 à D13	Molex SL 1×02 (GND, I/O) + Molex SL 1×03 (GND, I/O, VCC) par sortie	Sorties numériques — voir Sorties numériques D2–D13

Brochage des connecteurs

PE / N / L1 / L2 / L3 — Entrée secteur (1×5 Phoenix Contact)

Sérigraphie	Signal
PE	Terre (conducteur de protection)
N	Neutre
L1	Phase 1
L2	Phase 2
L3	Phase 3

En monophasé, un connecteur 3 voies est fourni (PE, N, L1).

TRIG_EXT — Déclenchement/GPIO (1×6 barrette mâle)

Broche	Signal
1	GND
2	D8
3	D7
4	D6
5	D5
6	D9

UART_EXT — UART + DS18B20 (1×6 barrette mâle)

Broche	Signal
1	GND
2	DS18B20
3	+5 V
4	RX
5	TX
6	DTR

Les noms des signaux (TX, RX) sont du point de vue de la carte principale : TX transporte les données émises par l’ATmega328P, RX les données reçues.

FTDI — Programmation/débogage (1×6 Molex SL)

Broche	Signal
1	GND
2	CTS (NC)
3	VCC (NC)
4	TXO
5	RXI
6	DTR

Brochage compatible avec les adaptateurs FTDI standard. Le signal DTR permet l’auto-reset pour le téléversement via le bootloader Arduino.

OLED — Écran I2C (1×4 Molex SL)

Broche	Signal
1	GND
2	VCC
3	SCL
4	SDA

Important

Le bus I2C est partagé sur les broches A4 (SDA) et A5 (SCL) de l’ATmega328P. En mode triphasé, ces broches sont affectées à la mesure de tension/courant L3 — l’écran OLED n’est alors pas disponible. Le choix est effectué par les cavaliers SDA et SCL (voir Configuration des cavaliers).

CT1 / CT2 / CT3 — Transformateurs de courant (1×2 Molex SL)

Broche	Signal
1	Signal CT
2	AGND

CT1 est utilisé en monophasé et en triphasé. CT2 et CT3 sont utilisés uniquement en triphasé.

Sorties numériques D2–D13

Chaque sortie numérique (D2 à D13) dispose de deux connecteurs Molex SL sur la carte :

• 1×02 (2 broches) : GND, I/O

• 1×03 (3 broches) : GND, I/O, VCC

Le connecteur 1×03 (GND, I/O, VCC) sert à raccorder l’étage de sortie (triac ou relais), qui a besoin de l’alimentation. La broche VCC de ces connecteurs est reliée au rail +5 V, activé par le cavalier +5V Rail (voir ci-dessous). Le connecteur 1×02 (GND, I/O) sert à raccorder la carte indicateur LED (voir Carte indicateur LED), qui n’a besoin que du signal de commande.

Disponibilité des sorties numériques

Sortie	Remarques
D2*	Réservée au module RF (IRQ). Libre si le module RF n’est pas soudé.
D3	Capteur DS18B20 (si cavalier TEMP en position routeur). Libre si TEMP en position mk2Wifi.
D4	Libre
D5#–D9#	Sorties de déclenchement (TRIG_EXT). Marquées d’un dièse (#) sur la sérigraphie pour indiquer qu’elles sont partagées avec le module mk2Wifi. Utilisées par le mk2Wifi si celui-ci est présent et que le cavalier correspondant est fermé (voir ci-dessous). Libres sinon.
D10*	SPI SS — réservée au module RF. Libre si le module RF n’est pas soudé.
D11*	SPI MOSI — réservée au module RF. Libre si le module RF n’est pas soudé.
D12*	SPI MISO — réservée au module RF. Libre si le module RF n’est pas soudé.
D13*	SPI SCK — réservée au module RF. Libre si le module RF n’est pas soudé.

Les sorties marquées d’un astérisque (*) sur la sérigraphie sont réservées au module RF (RFM69CW) lorsqu’il est soudé. Les sorties marquées d’un dièse (#) sont partagées avec le module mk2Wifi (voir ci-dessous). Si le module concerné n’est pas présent, ces sorties sont librement utilisables.

Types de capteurs de courant supportés

La carte universelle est conçue pour fonctionner avec deux types de capteurs de courant :

Note

Quel que soit le type de CT, le boîtier porte généralement une flèche indiquant le sens du courant primaire, ainsi que des repères K et L sur les bornes ou fils du secondaire :

• K (ou P1 / S1) : borne positive quand le courant primaire circule dans le sens de la flèche

• L (ou P2 / S2) : borne complémentaire

Ces marquages sont importants lors du raccordement aux connecteurs CT de la carte (voir Installation Finale dans le Système Électrique).

CT à sortie tension (333 mV) — recommandé

Les capteurs à sortie tension (par ex. SCT-023R-005 ou équivalent 333 mV) intègrent leur propre résistance de burden. Le signal de tension est directement compatible avec l’entrée ADC du microcontrôleur. Aucun composant supplémentaire n’est nécessaire sur la carte.

C’est le type de CT recommandé pour la carte universelle.

CT à sortie courant — avec burden THT

Les capteurs à sortie courant (par ex. YHDC SCT-013-000, 100 A / 50 mA) délivrent un courant proportionnel au courant mesuré. Ce courant doit être converti en tension par une résistance de burden soudée sur la carte (emplacements R18 / R28 / R38).

Les emplacements R18 / R28 / R38 sont des empreintes doubles : une diode TVS de protection est déjà soudée en usine (côté CMS). Elle protège l’entrée de l’ADC dans le cas où un CT à sortie courant serait branché sans burden. La résistance de burden THT se soude par-dessus la TVS, sur les mêmes pastilles.

La valeur du burden doit être calculée pour que la tension crête ne dépasse pas 0,55 V (soit la moitié de la plage ADC avec VREF = 1,1 V) :

\[R_{burden} = \frac{V_{REF}}{2 \times \sqrt{2} \times I_{secondaire\_RMS}} = \frac{0{,}55}{I_{secondaire\_crête}}\]

Où \(I_{secondaire\_RMS} = I_{primaire\_RMS} / N\) (N = rapport de transformation du CT).

Exemple : CT de 100 A / 50 mA (N = 2000), courant max souhaité = 50 A :

\[I_{sec} = \frac{50}{2000} = 25\,\text{mA RMS} \quad \Rightarrow \quad R_{burden} = \frac{1{,}1 \times 2000}{2 \times \sqrt{2} \times 50} \approx 15{,}6\,\Omega\]

On choisira la valeur standard la plus proche inférieure (15 Ω) pour garder une marge de sécurité.

Avertissement

Si le courant mesuré dépasse la valeur prévue, la tension aux bornes du burden dépassera la plage de l’ADC. Les diodes TVS protègent l’entrée du microcontrôleur, mais ne limitent pas le courant dans le burden — la résistance peut surchauffer.

🧮 Calculateur de résistance de burden

Entrez les caractéristiques de votre CT pour calculer la résistance de burden adaptée.

Courant primaire nominal du CT (A) :
Courant secondaire nominal (mA) :
Courant max souhaité côté primaire (A) :

Calculer

Un peu de mathématiques

Voici les 3 formules qui vous permettront de calculer une inconnue à partir des 2 autres données connues.

Dans ces formules :

• \(V_{REF}\) = tension de référence interne de l’ATmega328P = 1,1 V

• \(N\) = rapport de transformation du CT (nombre de tours)

• \(I_{RMS}\) = intensité efficace maximale côté primaire (le courant mesuré)

• \(R_{burden}\) = résistance de charge en ohms

Calcul de la résistance de burden en fonction de l’intensité efficace maximale :

\[R_{burden} = \frac{V_{REF} \times N}{2 \times \sqrt{2} \times I_{RMS}}\]

Calcul de l’intensité efficace maximale en fonction de la résistance de burden :

\[I_{RMS} = \frac{V_{REF} \times N}{2 \times \sqrt{2} \times R_{burden}}\]

Calcul du nombre de tours de capteur en fonction de la résistance de burden et de l’intensité efficace maximale :

\[N = \frac{2 \times \sqrt{2} \times I_{RMS} \times R_{burden}}{V_{REF}}\]

Exemple concret : CT de type SCT-013-000 (100 A / 50 mA, donc \(N = 2000\)) avec \(R_{burden} = 22\,\Omega\)

\[I_{RMS\_max} = \frac{1{,}1 \times 2000}{2 \times \sqrt{2} \times 22} \approx 35{,}4\,\text{A}\]

Pour un appareil purement résistif (chauffe-eau…), nous avons \(P_{RMS} = V_{RMS} \times I_{RMS}\).

Exemple pour un chauffe-eau de 3000 W :

\[I_{RMS} = \frac{P_{RMS}}{V_{RMS}} = \frac{3000}{230} \approx 13\,\text{A}\]

Un burden de 22 Ω avec un CT de 2000 tours est donc largement suffisant pour cette application.

Alimentation

Chaîne d’alimentation

Le secteur entre par le connecteur d’entrée secteur (PE / N / L1 / L2 / L3) et traverse une chaîne de protection avant d’atteindre le module d’alimentation :

Secteur → GDT (éclateurs) → Fusibles (FS0–FS3) → Varistances (RV0–RV3, GM1–GM3)
       → Self de mode commun (FL1) → Condensateur film (C1)
       → PS1 (MPC10-5) : 230 VAC → 5 VDC, 10 W
       → D1 (SMBJ7.0A) : protection TVS côté 5 V
       → U1 (AP7361C-33E) : 5 V → 3,3 V, 1 A

Protection contre les surtensions

La carte intègre plusieurs niveaux de protection contre les surtensions transitoires (foudre, commutations sur le réseau). Deux niveaux sont obligatoires, un troisième est optionnel.

Niveau 1 — Modules de protection GM1–GM3 (obligatoire)

Chaque phase est protégée par un module combiné GDT+MOV. Ces modules constituent la protection principale des circuits de mesure. GM1 protège la phase L1, GM2 la phase L2, GM3 la phase L3 (triphasé avec neutre uniquement).

Niveau 2 — Fusibles FS0–FS3 (obligatoire)

Les fusibles protègent les circuits de mesure contre les surintensités. Ils sont dimensionnés pour couper en cas de court-circuit ou de défaut sur un transformateur ZMPT101K.

Niveau 3 — Varistances RV0–RV3 et éclateurs GDT0–GDT3 (optionnel)

Ce niveau de protection supplémentaire est recommandé pour les installations exposées aux surtensions (zones rurales, lignes aériennes, régions à forte activité orageuse). Les éclateurs GDT constituent la première ligne de défense et dévient les surtensions les plus violentes. Les varistances MOV écrêtent les surtensions résiduelles.

Note

Les composants optionnels (RV0–RV3, GDT0–GDT3) ne sont pas fournis dans le kit de base. Ils peuvent être ajoutés ultérieurement sans modifier le reste du circuit.

Rails d’alimentation

Rail	Tension	Usage
+5 V	5 V	Connecteurs UART_EXT, FTDI et broche VCC des sorties numériques (via cavalier « +5V Rail »)
+3,3 V	3,3 V	ATmega328P, module RFM69CW
AVCC	3,3 V (filtré)	Référence analogique ATmega328P, connecteur OLED
GND	0 V	Masse numérique
AGND	0 V	Masse analogique

Cavalier « +5V Rail »

Le cavalier de soudure « +5V Rail » (situé en haut à droite de la carte) permet d’activer le rail +5 V qui alimente la broche VCC des connecteurs 1×03 des sorties numériques. Ce rail est principalement destiné aux cartes de sortie relais, qui nécessitent du +5 V pour alimenter la bobine du relais.

• Fermé : le rail +5 V est actif sur les connecteurs 1×03 — obligatoire si des relais sont utilisés

• Ouvert (défaut) : le rail +5 V est déconnecté des connecteurs de sortie

Avertissement

Ne fermez ce cavalier que si vous utilisez des cartes de sortie relais. Les cartes de sortie triac n’ont pas besoin de cette alimentation.

LED témoins

Deux LED témoins CMS sont situées en haut à gauche de la carte :

• ON : allumée lorsque la carte est sous tension (rail +3,3 V actif)

• +5V : allumée lorsque le rail +5 V des sorties est actif (cavalier « +5V Rail » fermé)

Intégration du module mk2Wifi

La carte principale est conçue pour accueillir le module d’extension mk2Wifi via les connecteurs TRIG_EXT et UART_EXT. La zone réservée au module est repérée par un rectangle hachuré sur la sérigraphie de la face avant, autour des connecteurs concernés.

Signaux échangés :

• L’une des deux cartes utilise des barrettes mâles, l’autre des barrettes femelles (au choix de l’utilisateur)

• L’alimentation +5 V est fournie par la carte principale via UART_EXT broche 3

• L’UART (TX/RX) assure la communication série avec le module d’extension

• Le signal DS18B20 est acheminé via UART_EXT broche 2 pour la mesure de température 1-Wire

• Les signaux GPIO D5–D9 fournissent les sorties de déclenchement/commande via TRIG_EXT

• Le bus I2C (SCL/SDA) est local au module mk2Wifi uniquement — il n’est pas routé vers la carte principale

La zone hachurée sur la sérigraphie indique les connecteurs de sortie (D5#–D9#) potentiellement utilisés par le module mk2Wifi. Ces sorties restent cependant utilisables pour d’autres usages, même lorsque le module mk2Wifi est présent. Dans ce cas :

Avertissement

Si vous utilisez une sortie D5–D9 pour un étage de sortie alors que le module mk2Wifi est branché :

• N’activez sur le mk2Wifi que les cavaliers (D5–D9) correspondant aux sorties réellement gérées par l’ESP32 (voir Module mk2Wifi)

• Ne jamais utiliser une même broche à la fois par le mk2Wifi et par un autre périphérique — cela créerait un conflit de bus pouvant endommager les composants