UPS : Le super-condensateur
Dans cet article nous allons évaluer la possibilité d'utiliser un super-condensateur comme solution d'alimentation de secours (UPS : Uninterruptible Power Supply).
Les super-condensateur sont des condensateurs de très forte capacité. Celle-ci peut dépasser le millier de Farads ! Ces composants sont principalement utilisés comme réserve d'énergie dans les systèmes d'alimentation de secours, y compris dans certains onduleurs UPS du commerce.
1. Batterie vs super-condensateur
Quelles sont les principales différences entre une batterie et un super-condensateur ?
1.1. Tension
La tension de service d'une batterie dépend de sa technologie :
- plomb : 2V par élément
- NI-MH : 1.2V par élément
- LITHIUM-ION ou LIPO : 3.7V par élément
Il existe une grande diversité de super-condensateurs et leur tension de service peut varier de 2.7V à plus de 48V. Les super-condensateurs ayant une tension de service élevée sont en fait des assemblages de super-condensateur 2.7V en série.
1.2. Recharge
Le super-condensateur se charge comme un condensateur, c'est à dire instantanément, ou presque, et ceci sans chargeur, à l'aide d'une simple alimentation. La seule limitation est la capacité de l'alimentation à fournir l'ampérage nécessaire, qui peut dépasser plusieurs ampères ou dizaines d'ampères.
Comparativement, la recharge d'une batterie prend beaucoup plus de temps, au minimum 30 minutes pour celles qui sont capables de supporter un courant de charge important.
1.3. Décharge
La courbe de décharge d'un super-condensateur a la forme classique de celle d'un condensateur :
La décharge d'une batterie LITHIUM-ION est beaucoup plus plate :
2. Utilisation du super-condensateur
On pourrait penser que la décharge d'un super-condensateur est trop rapide pour que la solution puisse être exploitable pour alimenter un microcontrôleur. Mais il faut tenir compte de la capacité, qui est énorme.
Un microcontrôleur 5V par exemple peut continuer à fonctionner jusqu'à environ 3.8V. Si nous utilisons un super-condensateurs de 5.5V nous allons pouvoir alimenter une carte ARDUINO sans problème pendant un certain temps.
Pour rappel une NANO consomme environ 25mA et sa LED consomme 5mA. Cela correspond à une résistance de 200Ω sous 5V.
Dans un article précédent j'avais déterminé que la NANO allait fonctionner jusqu'à 85% de la tension d'alimentation. La tension va donc pouvoir chuter de 15%.
Considérons un condensateur de 5 Farads :
T = C * R * 0.15 = 5F * 200Ω * 0.15 = 150s = 2 minutes 30s
J'ai réalisé un petit montage d'essai avec une carte ARDUINO NANO chargée avec un programme blink.
En parallèle sur l'alimentation 5V j'ai placé deux super-condensateurs 10F / 2.7V en série. Deux résistances de 100KΩ en parallèle sur chaque condensateur permettent d'équilibrer la charge / décharge :
Comme deux condensateurs de 10F en série sont équivalents à un condensateur de 5F. Nous devrions donc obtenir le temps de fonctionnement prévu.
Lorsque je coupe l'alimentation 5V le montage continue à fonctionner durant pratiquement 3 minutes. La NANO que j'ai utilisé cesse donc de fonctionner un peu plus tard que prévu. Plusieurs raisons sont possibles :
- elle a une plage de fonctionnement en tension plus large
- elle consomme moins que prévu
- les super-condensateurs ont une capacité réelle plus élevée
Le résultat est donc très satisfaisant.
Si l'on alimentait une carte ARDUINO PRO MINI modifiée, en utilisant la veille profonde, l'autonomie serait très largement supérieure.
2.1. Tension de service
Le montage précédent est il sérieusement envisageable ?
Je dirais que non. En effet, équilibrer la charge / décharge de deux super-condensateurs à l'aide de simples résistances peut paraître illusoire, et l'est probablement. Pour que la solution soit efficace il faudrait appairer les super-condensateurs pour que leurs capacités soient très voisines, ou alors utiliser des résistances de plus faible valeur, ce qui réduirait l'autonomie.
Par contre il existe des super-condensateurs ayant une tension de service de 5.5V, qui à mon avis seraient certainement plus adaptés.
On pourrait aussi envisager l'utilisation d'un convertisseur STEP-UP spécialisé du type MAX38889, qui à partir d'un seul super-condensateur de 2.7V sera capable de fournir une tension de 5V.
2.2. Temps de charge
Le montage précédent est branché sur une alimentation 5V capable de débiter 3A. En le mettant sous tension, avec des super-condensateurs préalablement vidés, le programme met environ 10 secondes à démarrer, ce qui est assez conséquent.
2.3. Alimentation par l'USB
L'alimentation d'un tel montage par le cordon USB est à proscrire. Le courant demandé à la mise sous tension est trop important.
S'il s'agit d'un port USB classique, limité à 500mA, il y a un risque pour le port USB du PC, si celui-ci n'est pas suffisamment bien protégé.
S'il s'agit d'un port USB C, limité à 3A ou 5A, la diode de protection de la NANO, située entre le 5V USB et le 5V du microcontrôleur, serait détruite.
3. Conclusion
Un super-condensateur Viking 5.5V 15F coûte environ 5€, ce qui me paraît très raisonnable pour bâtir une solution UPS simple et économique. Avec ce modèle on obtiendrait un temps de fonctionnement 3 fois supérieur, soit 9 minutes. On peut bien entendu en placer plusieurs en parallèle pour obtenir plus d'autonomie.
On peut également combiner cette solution avec une sauvegarde automatique des données sensibles en cas de coupure de courant trop longue.
Cordialement
Henri
