Batteries : décharge profonde

 

Batteries : Décharge profonde

C'est un phénomène bien connu. La décharge profonde est souvent synonyme de destruction, qu'il s'agisse de batteries NI-MH, LITHIUM-ION ou LIPO.

Je viens malheureusement d'en faire l'expérience avec quelques appareils. Après une longue période d'inactivité, certaines batterie se sont déchargées complètement.

Nous allons parler de ces appareils en les catégorisant.

1. Batteries stockées

Quelques batterie neuves LIPO et LITHIUM-ION stockées depuis 6 ans ont parfaitement résisté. Leur tension est encore de 3.5V à 3.6V. Cela ne veut pas dire bien sûr qu'une batterie usagée résistera aussi bien.

Il est à noter que les batteries de ce type ne sont pas vendues chargées à bloc, ce qui explique probablement leur bon comportement pendant un stockage prolongé. D'après quelques sources, leur tension de stockage est de 3.8V, ce qui améliore leur stabilité dans le temps. Cela semble parfaitement vrai.

Qu'en est il de l'état d'une batterie neuve ayant été chargée à bloc, donc 4.2V, et stockée ensuite ? D'après ce que j'observe la tension retombe naturellement à 3.8V, et ne diminue plus, ou beaucoup plus lentement. On peut donc affirmer que charger à 100% une batterie neuve pour la stocker ensuite ne sert absolument à rien.

2. Appareils sans détection de décharge profonde

2.1. Testeur de composants

Le premier appareil n'ayant pas démarré après une longue période d'inactivité a été ce testeur de composants :

Il est à noter qu'il ne possède pas d'interrupteur marche/arrêt. Un simple bouton poussoir permet de démarrer la mesure. Cela veut clairement dire que le processeur (un ATMEGA328) est sous tension en permanence, en veille profonde. Lorsqu'il est laissé inutilisé la batterie LIPO se vide peu à peu, très peu certes, mais suffisamment pour détruire la batterie en quelques mois ou années.

Après démontage, il s'avère que la tension de la batterie est de ZÉRO volts. Il n'y a aucune chance de pouvoir la recharger. Le remplacement de celle-ci a été nécessaire :

Le testeur a redémarré sans problème.

A noter qu'au démarrage, l'appareil affiche la tension de sa batterie. Le test périodique de celle-ci est donc simple.

2.2. Téléphone DECT

Lorsqu'il est posé sur son socle, un téléphone DECT est rechargé automatiquement. Souvent il est équipé de batteries NI-MH. Pour l'instant, après 13 ans de service, j'ai été obligé de changer les batteries une seule fois, ce qui prouve que ces appareils sont assez bien conçus d'un point de vue recharge.

2.3. Appareil photo, téléphone mobile

Mon appareil photo Panasonic ne démarre pas non plus. Il est vrai qu'il a été pas mal sollicité depuis son achat (2009), et que la batterie est très âgée. Sa tension a chuté à 2.85V, ce qui est limite mais pas catastrophique. Une simple recharge suffira.

Normalement, un téléphone mobile entre en veille profonde lorsque la tension de sa batterie chute en dessous de quelques %. Ce n'est pas une raison pour le laisser dans cet état pendant trop longtemps. La veille profonde consomme un peu d'énergie tout de même.

2.4. Clavier, souris, télécommande infrarouge

Je remplace systématiquement les piles de ces appareils par des batteries NI-MH, ce qui est économiquement et écologiquement une bonne chose. Mais c'est aussi une mauvaise chose, car les batteries NI-MH ont un courant de fuite supérieur, donc une autonomie plus faible que les piles.

Ici, le test est simple. Il suffit d'essayer ... Si la batterie est trop faible l'appareil ne fonctionnera pas, ou mal, ou aura une portée réduite.

Il est normalement assez rare de laisser de genre d'appareil inutilisé. Dans ce cas, il vaut mieux retirer les batteries.

3. Appareils avec détection de décharge profonde

Je possède un seul type d'appareil pourvu d'un mécanisme de test de la tension de la batterie, avec avertissement sonore : 3 détecteurs de fumée Bosch, qui émettent un bip à intervalle régulier en cas de tension batterie trop faible, ce qui semble assez normal, étant donné qu'il s'agit d'un élément de sécurité.

Il y a donc en théorie très peu de chances pour que les batteries entrent en décharge profonde, à moins d'être absent du domicile pendant une longue période. En cas de longue absence, il faudra surveiller régulièrement l'état des batteries. Un bouton de test est prévu à cet effet.

A noter que ces détecteurs Bosch, en plus de leur rôle de surveillance permanente de la présence de fumée, sont interconnectés, donc communiquent entre eux par radio. Une belle performance en matière de consommation d'énergie !

4. Conclusion

Un seul mot pour conclure : vigilance !

On ne laisse pas un appareil alimenté par batterie inutilisé pendant une longue période sans vérifier périodiquement l'état de celle-ci.

Cordialement

Henri

Batteries : Durée de vie

 

Batteries : Durée de vie

Dans cet article nous allons parler des effets du vieillissement des batteries, en particulier de la résistance interne.

On sait tous que la capacité d'une batterie diminue avec l'âge, et surtout le nombre de recharges qu'on lui fait subir. Mais une autre caractéristique est modifiée : sa résistance interne.

Toute batterie a une résistance interne. Cette résistance série impacte directement ses performances. Lors de la recharge ou de la décharge elle va empêcher le courant de circuler librement.

Comment mesurer cette résistance ?

1. Expérience

Faisons une expérience : chargeons deux batteries de vapoteuse 21700 4000mAH, la première achetée il y a deux ans, l'autre achetée très récemment.

Le chargeur IMAX B6 est réglé comme suit :

• courant de charge : 1.5A
• batterie 1S : tension de fin de charge 4.2V

Comme tout chargeur LITHIUM ou LIPO qui se respecte, l'IMAX B6 commence par recharger la batterie à courant constant, ici 1.5A, jusqu'à ce que la tension atteigne 4.2V. Ensuite il continue la recharge à tension constante jusqu'à ce que le courant descende à 10% du courant nominal, donc 150mA.

Lorsque je recharge la batterie neuve, la tension en fin de charge est bien de 4.2V et reste à cette valeur même plusieurs jours après.

Lorsque je recharge la batterie usagée, la tension en fin de charge est de 4.18V et baisse légèrement pendant les heures suivantes, jusqu'à 4.10V.

On peut en déduire deux choses :

• la batterie usagée possède une résistance interne plus forte
• la batterie usagée a tendance à fuir

Quelle est la valeur de cette résistance ? C'est facile à calculer :

R = (4.2V - 4.18V) / 150mA = 0.133Ω

Cette valeur très loin d'être négligeable. Ce sont des batteries capables de délivrer 20A sur des charges de valeurs très basses, de l'ordre de 0.2Ω à 0.5Ω. On voit bien que si l'on cherche à débiter 20A dans une charge de 0.2Ω, le tiers de l'énergie va être gaspillé dans la résistance interne de la batterie.

2. Durée de vie

La durée de vie d'une batterie est donnée en nombre de cycles de recharge. Les plus courantes supportent 300 à 500 recharges. Les plus durables, comme les LiFePO4, supportent jusqu'à 7000 cycles.

Avant de décider quelle batterie utiliser dans un montage il vaut mieux examiner de près les conditions d'utilisation :

• courant nécessaire
• fréquence des recharges

Il faut aussi tenir compte de la température. La plage de fonctionnement optimale d'une batterie LITHIUM se situe entre 15°C et 35°C. Une température élevée ou très basse réduit les performances. Il faut également éviter de recharger une batterie LITHIUM si la température est négative.

Bien souvent, lorsque les conditions climatiques sont défavorables, on adopte des batteries au plomb, à électrolyte gélifié de préférence.

3. Surveillance

Afin d'éviter les problèmes une batterie doit être surveillée. Dans un article récent je parlais d'un détecteur de fumée BOSCH capable d'émettre un bip en cas de batterie trop faible.

Avec nos montages DIY on peut faire exactement la même chose. A l'aide de quelques lignes de code on peut faire des mesures automatiques régulières de la tension, afin d'en déduire la capacité restante.

On peut également surveiller le comportement du montage afin de signaler les anomalies (blocage moteur inattendu, contact de fin de course, etc.). L'organe de signalisation doit être adapté au cas envisagé :

• LED émettant un ou des FLASHs
• buzzer
• mail
• SMS
• serveur domotique
• etc.

L'organe de signalisation doit également être accessible. Il ne servirait à rien de faire clignoter une LED si l'on n'est pas présent sur place pour constater qu'elle est allumée !

Tous mes équipements domotique alimentés par batterie sont capables d'envoyer régulièrement la capacité restante de celle-ci à un serveur DOMOTICZ, mais également l'état de fonctionnement de leurs organes principaux (l'état de la porte de mon poulailler par exemple).

Mon dispositif de surveillance est basé sur un ESP8266, un afficheur TFT et un buzzer :

Un afficheur TFT pour DOMOTICZ ou JEEDOM (version ESP8266)

4. Conclusion

L'expérience citée ci dessus est un cas extrême. Peu de montages sont appelés à consommer des courant aussi élevés. Cela donne tout de même une bonne idée de l'état d'une batterie au bout de quelques années de fonctionnement dans des conditions sévères. 

Si l'on avait affaire à un montage destiné à piloter un moteur, la résistance interne pourrait limiter le courant délivré au moteur, et empêcher celui-ci de tourner à la vitesse prévue. En fonction de la charge mécanique, le moteur pourrait aussi ne pas avoir suffisamment d'énergie pour pouvoir manœuvrer celle-ci, et se bloquer.

Il faut donc être vigilent, et ne pas chercher à prolonger l'utilisation de batteries délivrant des courants importants. Il vaut mieux les changer régulièrement, et réutiliser les batteries usagées dans des montages moins gourmands.

La surveillance est également un point important. On ne peut pas laisser indéfiniment un montage alimenté par batterie vivre sa vie sans s'en occuper.

Cordialement

Henri

Batteries : Recharge et décharge

 

Batteries : Recharge et décharge

Je suis utilisateur de batteries NI-MH depuis plus de dix ans, sur différents appareils :

• souris
• clavier
• détecteurs de fumée
• lampe torche
• éclairage de vélo
• capteurs de température
• etc.

Ces batteries sont en général bien acceptées par les appareils prévus pour fonctionner avec des piles 1.5V.

Certains appareils rechargeables récents utilisent des batteries LITHIUM-ION, 18650 en général, comme certaines lampes torches par exemple.

1. Batteries NI-MH à faible auto-décharge

Depuis quelques années, il existe sur le marché des batteries NI-MH à faible auto-décharge. Leur emballage peut porter l’indication "Déjà chargées" ou "Pré-chargées". Elles peuvent être stockées durant une longue période après recharge, ce qui est un atout de taille si l'on en possède un petit stock.

2. Décharge

Certains appareils sont capables de signaler que la ou les piles arrivent en fin de vie, comme mes détecteurs de fumée Bosch qui émettent un bip à intervalle régulier dans ce cas, ce qui semble assez normal, étant donné qu'il s'agit d'un élément de sécurité.

D'autres appareils se contentent de ne plus fonctionner. Dans ce cas, il peut arriver que la tension des batteries descendent un peu trop bas, si l'on oublie de les recharger à temps (la limite étant de 0.9V). Cette situation est assez ingérable, et je ne vois pas comment je pourrais résoudre ce problème sans faire une mesure régulière.

Suite à une décharge profonde il arrive de temps en temps qu'une batterie soit impossible à recharger.

3. Recharge

J'utilise pour la recharge un Voltcraft IPC-1L :

Ce chargeur a un gros avantage : il ne se contente pas d'allumer une LED indiquant que le recharge est en cours. Il affiche clairement le courant de charge pour chaque batterie. Il indique également "NULL" si une batterie HS est insérée.

On trouve bien sûr d'autres modèles, d'autres marques, SkyRc par exemple. Ces chargeurs évolués ont un coût : entre 30€ et 50€.

Jusqu'à présent j'utilisais deux bacs (AA et AAA) pour les batteries sortant du chargeur, mais cela pose un problème de gestion. Il faut ranger les batteries par ordre chronologique de recharge.

Récemment j'ai trouvé un distributeur : 

Avec ce bidule capable de stocker 10 piles AA et 10 piles AAA, acheté à pas cher sur Amazon, AliExpress ou Temu, les batteries rechargées le plus récemment se retrouvent nécessairement en haut de la pile. Cela évite de laisser en stock une batterie rechargée pendant trop longtemps.

4. Incidents

Malgré une gestion rigoureuse il peut arriver qu'une batterie arrive en fin de vie, même après avoir été rechargée avec succès.

Récemment j'ai été obligé de changer les deux batteries d'un téléphone DECT qui ne s'allumait plus. Cet appareil embarque deux batteries NI-MH qu'il est capable de recharger lui-même.

Après remplacement des batteries le téléphone démarre, mais redémarre au bout de quelques secondes, et ceci sans arrêt, probablement suite à un appel de courant plus important (ouverture de la ligne ?).

Le DECT est il mort ? Je décide de remplacer à nouveau les batteries, et le démarrage se passe bien. Il s'avère que la tension mesurée sur une des deux batteries précédentes est de ZÉRO volts ! Elle est donc morte après avoir été rechargée et placée dans le bac prévu à cet effet.

Le téléphone est donc capable de démarrer avec une seule batterie en état, ce qui est remarquable, mais ne peut poursuivre son démarrage.

Une des deux batteries est donc entrée en décharge profonde après avoir été rechargée. Cette décharge profonde peut être provoquée par exemple par un léger courant de fuite de la batterie, sur une période relativement longue.

Méfiance donc :

Ce n'est pas parce qu'un appareil ne démarre pas après remplacement de ses batteries qu'il est HS.

Ce n'est pas parce que l'on prend une batterie dans le stock de batteries rechargées qu'elle est forcément en état.

Avant de l'insérer dans un appareil, il vaut mieux la tester. Il existe un grand nombre de testeurs de piles dans le commerce. Ces petits appareils sont prévus pour tester des piles 1.5V mais donnent tout de même une bonne indication de l'état de charge d'une batterie 1.2V.

4. Conclusion

On peut tirer quelques leçons évidentes :

• utiliser un chargeur haut de gamme
• ranger les batteries par ordre de recharge
• tester les batteries avant utilisation
• ne pas stocker un nombre important de batteries chargées, surtout si elles ne sont pas à faible auto-décharge

On peut ajouter à cela un petit détail pratique : coller sur chaque batterie une étiquette indiquant la date d'achat, ce que je fais sur mes grosses batteries LITHIUM ION 21700, soumises à des courant de décharge importants, et qui ont donc une durée de vie limitée.

Cordialement

Henri

UPS : Le super-condensateur

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

Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN : l'ondulation

 

Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN : l'ondulation

Cet article fait suite à celui-ci : Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN

Le but de ce nouvel article est de parler de l'importance de l'ondulation en sortie.

1. Pourquoi un convertisseur STEPDOWN ?

Alimenter un microcontrôleur à l'aide d'un module convertisseur à découpage a un avantage évident : le rendement est nettement supérieur à celui d'un régulateur linéaire.

Si l'on prend l'exemple suivant :

• alimentation générale 12V
• alimentation d'un ARDUINO sous 5V
• besoin en courant 100mA

Le convertisseur à découpage a un rendement d'environ 90%.

La puissance dissipée en pure perte calorique (10%) par le convertisseur est de :

P = 5V * 0.1A * 10% = 0.05W

Si l'on adoptait un régulateur linéaire le rendement serait directement proportionnel à la différence de tension entre entrée et sortie :

P = (12V - 5V) * 0.1A = 0.7W

La différence est juste énorme.

2. L'ondulation

L'ondulation en sortie d'un régulateur linéaire est très faible, de l'ordre de 0.003% pour un LM1117, c'est à dire 5V * 0.003% = 0.15mV

Celle-ci est sans commune mesure avec celle d'un convertisseur à découpage. Elle dépend en outre de la charge. Voici une capture d'écran montrant l'ondulation d'un LM2596 débitant 100mA sous 5V :

L'ondulation atteint 150mV crête à crête, à une fréquence de 55KHz.

Mais est ce bien important ? L'ondulation en sortie d'un convertisseur à découpage peut elle avoir une influence sur le comportement d'un microcontrôleur ?

Je dirais que non tant qu'on se limite à une utilisation purement numérique.

Par contre dans le cas où l'on désire faire des mesures analogiques en utilisant le 5V comme tension de référence, l'ondulation impactera directement les mesures. Il en ira de même si l'on alimente un capteur analogique avec ce 5V pollué.

La précision risque d'en souffrir. La tension de sortie du LM2596, ainsi que la tension de référence va donc varier de +/-75mV.

Si la valeur lue est de 2.5V, l'ADC renverra une valeur d'environ 500 :

min = 2.5V * 1023 / (5 + 0.075) = 504

min = 2.5V * 1023 / (5 - 0.075) = 519

Si l'on effectue une mesure en continu, la valeur lue sur l'entrée de l'ADC va donc osciller entre ces deux valeurs, ce qui représente une erreur de 3%.

Il est un peu dommage de sacrifier la précision d'un ADC capable de mesurer une tension avec une résolution de 1/1024 points, c'est à dire +/- 5mV.

3. Amélioration

Dans l'article précédent, on avait vu que l'on pouvait réduire l'ondulation en sortie d'un module LM2596 à une valeur très faible (10mV) en ajoutant une cellule LC (self + condensateur).

Pourrait on obtenir le même résultat avec un simple condensateur ?

Il y a peu de chances, en effet le module LM2596 possède déjà un condensateur de sortie de 220µF.

En ajoutant un condensateur de 220µF supplémentaire, cette fois-ci au plus près de la charge, l'ondulation est de 75mV. Avec 1000µF elle descend à 50mV.

On voit bien que l'on est très loin des 0.15mV d'un régulateur linéaire.

Dans certains cas, on pourra difficilement se contenter de cette imprécision, dans d'autres cas, elle sera peu gênante. Tout dépend de l'application.

Suivant les besoins on pourra donc réduire l'ondulation en adoptant une solution adaptée :

• l'ondulation n'est pas gênante : rien du tout
• l'ondulation est légèrement gênante : un condensateur
• l'ondulation est gênante : une cellule LC
• l'ondulation est très gênante : voir plus loin

4. Solution alternative

Il existe des solutions alternatives pour effectuer des mesures précises tout en conservant un régulateur à découpage.

4.1. Utiliser un régulateur linéaire

On peut parfaitement utiliser le régulateur linéaire d'une carte UNO ou NANO en alimentant à l'aide d'un régulateur à découpage par la broche VIN ou le JACK entre 6.5V et 12V, par contre tout va dépendre de la tension appliquée sur VIN, et du courant nécessaire. Plus la tension sur VIN sera importante, et plus le courant demandé sera important, plus le régulateur chauffera.

Voir ici :

ARDUINO : l'alimentation (VCC, VIN, etc.)

Paragraphe 3.3.3. Puissance maximale

4.2. Utiliser la sortie 3.3V comme tension de référence

Avec un ARDUINO UNO ou NANO on peut relier la sortie 3.3V à l'entrée VREF. Ensuite dans le code on écrira :

analogReference(EXTERNAL);

En procédant de la sorte on ne pourra pas mesurer de tensions supérieures à 3.3V, ou alors il faudra installer un pont diviseur entre la tension à mesurer et l'entrée analogique.

Remarque : une carte ARDUINO PRO MINI ne possède pas de broche VREF.

4.3. Utiliser une référence de tension

J'ai déjà parlé de ces composants ici :

La référence de tension MAX6225, MAX6241 & MAX6250

Ici aussi on reliera la sortie de la référence à l'entrée VREF et on ajoutera la même ligne dans le code.

5. Conclusion

Quand on alimente un microcontrôleur à l'aide d'un convertisseur à découpage on pense rarement à ce problème d'ondulation. J'espère que cet article vous aura éclairé.

Cordialement

Henri

Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN : suite

 

Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN : suite

Cet article fait suite à celui-ci : Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN

Dans ce nouvel article, je propose de tester le comportement de deux convertisseurs STEPUP en fonction de leur tension d'entrée. En effet dans le cadre d'une utilisation avec une batterie LITHIUM-ION ou LIPO il serait intéressant de vérifier qu'à 3V ils soient encore capable de fournir une tension correcte.

1. Le XR2981

Le XR2981 est un modèle 5V.

Voici les résultats :

Tension d'entrée	Tension de sortie à vide	Tension de sortie charge 100Ω : 50mA	Tension de sortie charge 10Ω : 500mA
4.2V	5.18V	5.13V	5.12V
3.7V	5.18V	5.13V	5.12V
3.3V	5.18V	5.13V	3.3V
3V	5.18V	5.13V	2.5V
2.7V	2.6V	2.4V	2.2V

Le XR2981 tient bien la charge entre 4.2V et 3V, par contre sa tension de sortie s'écroule en dessous de 3.7V si le courant débité est important.

Le résultat à 2.7V ne nous intéresse pas vraiment, étant donné qu'il est déconseillé de laisser une batterie LITHIUM se décharger en dessous de 3V.

2. Le MT3608

Le MT3608 est réglé sur 12V.

Voici les résultats :

Tension d'entrée	Tension de sortie à vide	Tension de sortie charge 220Ω : 54mA	Tension de sortie charge 22Ω : 540mA
4.2V	12V	12V	11.5V
3.7V	12V	12V	10V
3.3V	12V	12V	9.2V
3V	12V	12V	5.9V
2.7V	12V	12V	5.1V

Le MT3608 tient bien la charge entre 4.2V et 2.7V, par contre, comme le XR2981, sa tension de sortie s'écroule si le courant débité est important. Il n'y a qu'à pleine charge (4.2V) qu'il parvient à fournir presque 12V.

A 3.7V il fournit tout de même 10V, ce qui peut être acceptable pour alimenter un moteur de quelques watts. Par contre si le moteur se bloque, celui-ci risque de demander plus de 1A, courant que le convertisseur sera peut être incapable de fournir.

3. Conclusion

Ces convertisseurs, malgré leur courant de sortie annoncé (2A) ne tiennent pas vraiment leurs promesses, sauf si l'on se contente d'alimenter un circuit ayant une consommation faible.

Si l'on désire pleinement tirer parti de la capacité d'une batterie LITHIUM-ION ou LIPO, avec ces convertisseurs, on pourra difficilement alimenter autre chose qu'un µcontrôleur et quelques capteurs, ou un petit moteur 12V.

Par contre en alimentation solaire, si la batterie est correctement rechargée tous les jours, on pourra débiter un courant plus important, à condition de ne pas laisser la tension de la batterie descendre en dessous de 3.7V.

A titre indicatif, lorsque la tension d'une batterie descend en dessous de 3.7V, il reste environ 20% de capacité, ce qui permet tout de même de profiter d'une bonne partie de la capacité de celle-ci.

Cordialement

Henri

Recharger une batterie avec un TP4056

 

Recharger une batterie avec un TP4056

Le TP4056 ou TC4056 est un circuit de recharge de batterie LITHIUM-ION ou LIPO que j'ai déjà utilisé dans quelques projets décrits sur ce blog.

Cet article regroupe les connaissances que j'ai de ce circuit et apporte quelques précisions indispensables.

1. Les batteries LITHIUM

Qu'il s'agisse de batteries LITHIUM-ION ou LIPO, ces batteries ont des caractéristiques communes : 

• tension minimale : 2.4V
• tension maximale 4.2V
• courant de charge : C/2

La limite basse de 2.4V est une limite en dessous de laquelle la batterie ne doit pas être déchargée, sous peine de l'endommager de manière irréversible. Pour des raisons pratiques, on adopte en général une limite basse de 3V, ce qui laisse une marge de sécurité.

Le courant de charge, pour ce genre de batterie, ne peut dépasser une certaine valeur, C/2, où C représente la capacité de la batterie en mAH. Une batterie de 2000mAH devra donc être rechargée avec un courant de 1A au maximum.

Ne vous laissez pas berner par les marchands asiatiques, AliExpress ou autres, qui annoncent des capacités de batterie 18650 avoisinant les 10000mAH. Rien n'est plus faux.

Un test que j'ai fait il y a quelques années sur une ULTRAFIRE 6000mAH a démontré que sa capacité était de 990mAH !

Les meilleures batteries 18650 de marque disponibles actuellement (Samsung, SONY, Panasonic, MJXO) ont des capacités de 3500mAH au maximum.

2. Le TP4056

Ce circuit disponible sous forme de cartes complètes, est capable de recharger une seule batterie 3.7V, ou plusieurs en parallèle. Les cartes sont en général équipées d'un connecteur d'entrée tu type µUSB, miniUSB ou USBC.

Il faut bien connaître les limitations de ce circuit, et pour cela la lecture de la datasheet est indispensable :

• tension d'entrée maximale : 8V
• courant de charge maximal : 1.2A

Lorsqu'une batterie LITHIUM est rechargée, sa tension atteint rapidement 4.2V, mais cela ne veut pas dire qu'elle soit correctement rechargée. Le TP4056 est un chargeur qui opère en deux phases :

• courant constant jusqu'à 4.2V
• tension constante et courant décroissant jusqu'à ce que le courant atteigne 10% du courant programmé

Qu'est ce que le courant programmé ? c'est le courant de charge utilisé lors de la première phase, c'est donc le courant maximal. Celui ci peut être modifié en remplaçant une résistance nommée RPROG :

Pour cela, nul besoin de disposer d'un jeu de résistances CMS, on peut parfaitement s'en sortir à l'aide d'une résistance 1/4W dont on plie les pattes :

Le remplacement de cette résistance est indispensable pour toute batterie dont la capacité est inférieure à 2000mAH.

3. Les cartes TP4056

Il y a deux types de cartes équipées de TP4056 :

• avec protection
• sans protection

Voici un modèle sans protection :

Les bornes de sortie de la carte, BAT+ et BAT-, reçoivent les fils de la batterie, mais aussi les fils alimentant la charge (le circuit à alimenter).

Le modèle avec protection limite le courant de décharge et permet d'éviter entre autres les court-circuits et la décharge profonde :

La batterie est reliée aux bornes B+ et B-, le circuit à alimenter est relié à OUT+ et OUT-.

Contrairement à certaines idées reçues la sortie OUT+ ne fournit pas une tension de 5V ! Elle fournit la tension de la batterie, rien de plus.

Il suffit de jeter un œil au schéma :

OUT+ et B+ sont reliées. En fonctionnement normal, B- et OUT- sont également reliées grâce à un MOSFET. Lorsque le courant consommé par le circuit à alimenter est trop important, typiquement 3A, le DW01A coupe la sortie OUT- à l'aide du MOSFET. La sortie est également coupée si la tension de la batterie descend en dessous de 2.4V

Un article plus détaillé sur le sujet : LetMeKnow

Ces cartes sont équipées de deux LEDs :

• rouge pour indiquer que la recharge est en cours
• bleue pour indiquer que la recharge est terminée

Le courant consommé par ces LEDs est pris sur l'entrée USB, et non pas sur la batterie. Bien entendu, si l'on débranche le cordon USB, les LEDs sont éteintes.

4. TP4056 et panneau solaire

Je l'ai déjà expliqué ici : Alimentation par batterie + panneaux solaires

Voir le paragraphe 3.4.1. Panneau solaire 5V ou 6V et suivant

Il est tout à fait possible d'utiliser un panneau 12V classique comme source d'énergie pour un TP4056, par contre il faudra abaisser la tension du panneau à l'aide d'un convertisseur step-down, afin de na pas dépasser 8V sur son entrée. 5V reste une valeur idéale.

5. TP4056 à demeure dans un montage

Peut-on laisser un TP4056 à demeure dans un montage alimenté sur batterie ? Ne va t-il pas trop consommer de courant ?

Il va consommer typiquement 2.6µA, 6µA au maximum, c'est à dire à peu près la même chose qu'un ATMEGA328 en mode sommeil profond.

Il faut savoir qu'une batterie se décharge d'elle-même. Ce courant de fuite s'appelle courant d'auto-décharge, et dépasse largement les 2.6µA du TP4056. Tout dépend évidemment de la qualité de la batterie.

On peut donc sans problème laisser un TP4056 branché en permanence sur une batterie, et la recharger par le connecteur USB en cas de besoin.

6. Peut-on recharger et consommer en même temps ?

Il faut rappeler que la recharge est stoppée par le TP4056 lorsque le courant de charge descend en dessous de 10% du courant programmé, donc 100mA pour un courant de charge de 1A. Si le montage consomme un courant supérieur à ces 10%, le TP4056 sera incapable de stopper la recharge, et la batterie subira des dommages à plus ou moins long terme.

Cette manière de faire ne convient donc qu'aux montages dits "basse consommation".

Par exemple, un montage à base d'ESP8266 ou ESP32 sur batterie ne pourra pas être rechargé par un TP4056, car il consomme environ 100mA. On devra soit couper l'alimentation du microcontrôleur, ou le faire passer en mode deep-sleep pendant la recharge.

Mes montages basse consommation ont une autonomie d'environ 20 mois avec une batterie de 650mAH. Leur consommation n'excède pas 20µA à 60µA permanents. Dans ce cas, il n'y a aucun problème pour recharger la batterie tout en laissant le microcontrôleur fonctionner.

7. Conclusion

Grâce à sa large diffusion, le TP4056 est un circuit très bon marché, quelques dizaines de centimes pour une carte complète. Ce prix très faible ne doit pas être un motif pour le sous-estimer.

A titre de comparaison, une carte Adafruit coûte dix fois plus cher, et n'apporte rien de plus.

Cordialement

Henri

Passage de triphasé en monophasé

 

Passage de triphasé en monophasé

Un peu en marge de mes articles consacrés à l'électronique et au logiciel, voici quelques informations qui peuvent intéresser ceux qui ont une vieille installation triphasée et désireraient changer pour du monophasé.

En effet, si l'on cherche sur le WEB comment réaliser cette opération assez simple, il est quasiment impossible de réunir absolument toutes les informations nécessaires.

La personne que j'ai eu au téléphone lorsque j'ai fait ma demande a été incapable de me renseigner de manière précise. Elle m'a simplement conseillé de passer par un électricien.

1. Contraintes liées au triphasé

Le triphasé est intéressant quand on possède des appareils triphasés (machines outils, four, etc.). Si l'on possède un ou plusieurs appareils de ce type, il est difficile de se passer de ce mode de distribution.

Attention, dans une habitation certains appareils triphasés ne sont pas reconnaissables au premier coup d’œil. Si l'appareil est branché sur une prise, la taille de celle-ci n'est pas un indice suffisant, il vaut mieux débrancher l'appareil :

Ceci est bien une prise triphasée.

Par contre celle-ci est monophasée 32A :

Certains appareils peuvent être branchés sur une sortie de câble :

• chauffe-eau
• cuisinière
• etc.

Il vaut mieux démonter le cache pour inspection, à moins que le câblage soit visible côté appareil :

• 1 fil rouge + 1 fil bleu + 1 fil jaune/vert : appareil monophasé
• 3 fils rouges + 1 fil bleu + 1 fil jaune/vert : appareil triphasé 230V
• 3 fils rouges + 1 fil jaune/vert : appareil triphasé 380V

Le deuxième cas correspond à ce que l'on appelle un câblage en étoile, le troisième cas correspond à ce que l'on appelle un câblage en triangle :

Certains appareils triphasés 230V peuvent être convertis en monophasé. Pour un chauffe-eau par exemple il suffit de brancher les trois résistances en parallèle. Par contre si c'est un modèle 380V (câblage en triangle), en 230V il ne fournira même pas la moitié de sa puissance, et il vous faudra ajouter un fil de neutre.

C'est une question de choix personnel. Si l'habitation est équipée d'appareils triphasés non transformables en monophasé, et si leur remplacement est coûteux, autant rester en triphasé.

Si l'habitation est équipée uniquement d'appareils monophasés, il y a certaines contraintes :

Pour un abonnement 6KW par exemple, la puissance maximale que l'on peut consommer est de 2KW par phase.

Contrairement à ce que l'on pourrait croire, si l'on consomme seulement sur une seule phase, on peut aller jusqu'à 3.5KW.

Par contre, si l'on met en route un appareil consommant 2KW, et que par malchance le cumulus de 2KW se met en route également, le compteur Linky se coupe, et il affiche "Puissance dépassée".

On comprend assez vite qu'en triphasé, malgré un abonnement 6KW, suffisant dans la majeure partie des cas, il est assez difficile d'équilibrer les phases pour avoir un fonctionnement optimal. Rien qu'en cuisine, si celle-ci est alimentée par la même phase, la mise en route simultanée d'une plaque de cuisson (1000W), d'un grille-pain (1500W) et d'une bouilloire (2000W) provoque une coupure, alors qu'en monophasé, cela passerait sans problème.

La première solution est d'augmenter la puissance disponible, avec à la clé une augmentation du tarif de l'abonnement. Pour passer de 6KW à 12KW, il en coûtera 226.68€ au lieu de 149.28€ par an.

2. Passer au monophasé

Si l'on veut profiter pleinement des 6KW disponibles, passer au monophasé est une solution qui permet de ne pas augmenter le tarif de l'abonnement.

Il y a une autre raison : certains appareils triphasés coûtent bien plus cher que leur équivalent monophasé. La différence de prix entre une pompe à chaleur triphasée et monophasée peut avoisiner 1000€. Autant investir dans une modification en monophasé qui coûtera bien moins cher.

2.1. Marche à suivre

Si vous avez pris la décision de passer en monophasé, la première chose à faire est d'appeler votre fournisseur d'énergie qui fixera un rendez-vous pour l'intervention. Le délai peut varier de quelques semaines à plus d'un mois. Cela vous laisse le temps de faire les modifications nécessaires, ou de contacter un électricien si vous ne vous sentez pas à même de les faire vous-même.

N'hésitez pas à prendre un peu d'avance. Votre installation doit être prête pour le jour de l'intervention du technicien ENEDIS, mais ne tardez pas trop. D'une part, selon la configuration de l'installation et son ancienneté, sa modification peut prendre plus ou moins de temps. D'autre part, en cas d'oubli ou d'erreur de votre part, il vaut mieux avoir quelques jours devant soi afin de pouvoir effectuer les corrections.

Comme dit plus haut, le passage en monophasé peut entraîner quelques modifications lourdes, comme le remplacement d'un chauffe-eau par exemple.

Entre le moment où votre installation est convertie en monophasé et le moment où le technicien ENEDIS va remplacer votre compteur, votre installation sera incapable de délivrer sa puissance maximale, soit 3,5KW pour un abonnement 6KW. Il va falloir tenir avec cette puissance réduite pendant quelques jours. Par exemple il vous sera impossible de démarrer une cuisson au four pendant que le chauffe-eau ou le lave-linge est en marche. Il est possible de brancher le chauffe-eau sur un programmateur afin de l'alimenter uniquement à certains moments bien choisis de la journée. Le lave-linge peut être également être démarré en différé.

2.2. Quel est le coût ?

L'intervention de l'agent ENEDIS implique le remplacement du compteur et du disjoncteur principal par des modèles monophasés. Il vous en coûtera exactement 150€.

Si vous désirez augmenter la puissance, il se peut que la section des fils aériens ou enterrés arrivant au compteur soit insuffisante. Dans ce cas, ENEDIS peut vous facturer une partie des frais de remplacement.

2.3. Le tableau existant

Le tableau peut être équipé de différentes manières suivant sa vétusté.

2.2.1. Disjoncteurs

Si des disjoncteurs sont déjà en place, l'opération sera simple. Une heure suffira.

2.3.2. porte-fusibles bipolaires

Si le tableau est équipé de porte-fusibles bipolaires, on peut laisser l'installation telle quelle, ou les remplacer par des disjoncteurs bipolaires et recâbler à l'identique.

Un porte-fusible bipolaire possède deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie :

2.3.3. porte-fusibles unipolaires

Un porte-fusible uinipolaire possède une borne d'entrée et une borne de sortie :

Seuls les fils rouges sont protégés. Les fils bleus sont tous réunis sur une barrette de neutre :

Les nouvelles normes les interdisent depuis longtemps. Il faudra les remplacer par des disjoncteurs bipolaires. Je pense que dans ce cas il vaut mieux inspecter l'intérieur du tableau.

Il est absolument indispensable que les fils rouges et bleus soient correctement appairés sur les sortie de chaque disjoncteur.

On peut déjà commencer par faire les comptes. Le nombre de fils rouges sortant des porte-fusibles doit être égal au nombre de fils bleus sur la barrette de neutre, +1 pour le fil bleu d'arrivée de forte section. Si c'est le cas, c'est déjà une très bonne chose.

Si l'installation a été réalisée par un professionnel, c'est en général très simple. Il est facile de repérer les couples de fils bleu & rouge à l'intérieur du tableau. Ils sortent généralement de la même gaine.

Si par contre l'installation a été réalisée par un amateur, plusieurs couples de fils bleu & rouge peuvent arriver par la même gaine. Et il va falloir les distinguer. Il se peut que chaque couple ait une section différente, dans ce cas il n'y a pas de question à se poser.

Sinon, une solution consiste à appairer les fils au hasard. Les fils rouges étant déjà en place, on peut relier les fils bleus dans n'importe quel ordre sur les sorties des disjoncteurs concernés. Après avoir réarmé le disjoncteur principal, couper chaque disjoncteur à tour de rôle. Si l'installation fonctionne, comme voulu vous avez eu de la chance. Dans le cas contraire, inverser les fils bleus. Bien entendu, c'est facile avec deux paires de fils, au delà, cela prend plus de temps.

La pire des situations est celle où plusieurs fils rouges sortent d'une même gaine, et qu'un seul fil de neutre les accompagne. Dans ce cas, il est assez difficile d'ajouter un fil de neutre dans une gaine sur une installation existante. On peut dans un premier temps relier les sorties neutre des disjoncteurs entre elles, mais ce n'est pas une solution très sécurisante. Les normes actuelles l'interdisent.

2.3.4. Câbles d'arrivée

Les câbles reliant le disjoncteur principal et le tableau doivent être également inspectés. Leur section doit être suffisante :

• 6mm² pour 6KW
• 10mm² pour 9KW
• 16mm² pour 12KW

Normalement, en triphasé, chaque fil de phase doit supporter le tiers de la puissance, et le fil de neutre la totalité. Dans une installation correctement dimensionnée, les fils de phase et de neutre doivent cependant être prévus pour supporter la totalité de la puissance, et avoir la même section, car l'équilibrage des phases n'est jamais parfait. Mais il vaut mieux vérifier.

2.4. Comment faire ?

Pour votre sécurité, avant toute intervention, couper le courant à l'aide du disjoncteur principal.

Tout d'abord voici quelques images de mon tableau électrique :

On peut remarquer que les différents porte fusibles sont étiquetés, ce qui est déjà une chance !

Mais l'installation date des années 1980. Les porte-fusibles sont des modèles unipolaires, ce qui est interdit à l'heure actuelle.

Sous le tableau principal se trouvent deux petits coffrets équipés de porte-fusibles triphasés (cuisinière et hangar) et d'un disjoncteur triphasé. On constate la présence d'une cuisinière dont le four est triphasé !

Comme j'ai remplacé cette vieille cuisinière par une plaque de cuisson et un four électrique monophasés, rien ne m'empêche plus de passer au monophasé.

On voit plus bas la répartition des trois phases du tableau principal. 3 bornes permettent de connecter les 3 fils de phases 10mm².

Ces fils sont suffisants pour du 6KW.

On voit également, sous les porte-fusibles, à gauche la barrette cuivre regroupant les fils bleus de neutre, à droite celle de terre.

Deux porte-fusibles bipolaires sont présents, le premier et le dernier, un ajout récent sans doute.

Quelles sont les opérations à prévoir ?

Pour respecter les normes actuelles, il serait bon de remplacer les porte-fusibles par des disjoncteurs bipolaires.

Egalement, un interrupteur différentiel ne ferait pas de mal, ainsi qu'une prise.

Voici le tableau après modifications : 

Deux fils de phase ont été supprimés, un seul a été conservé. Deux bornes reçoivent le fil de neutre (bleu) et le fil de phase (rouge), et deux peignes permettent la distribution sur les  autres disjoncteurs :

2.4.1. Cas des disjoncteurs et des porte-fusibles bipolaires

Si le tableau est équipé de disjoncteurs ou de porte-fusibles bipolaires, il n'y a rien d'autre à faire, sauf si vous désirez remplacer les porte-fusibles par des disjoncteurs.

Dans ce cas, il faudra retirer tous les câbles d'arrivée, et remplacer chaque porte-fusible par un disjoncteur, et recâbler les 2 sorties à l'identique. Travailler disjoncteur par disjoncteur, éviter de décâbler tous les fils en même temps, ce sera plus facile.

2.4.2. Cas des porte-fusibles unipolaires

Dans ce cas, le fil de neutre arrive du disjoncteur principal jusqu'à une barrette de neutre.

On doit donc basculer le fil de neutre sur l'entrée N des disjoncteurs.

Les fils rouges sortant par le bas des porte-fusibles sont simplement replacés sur les sorties phase (à droite) de chaque disjoncteur, à l'identique.

Jusqu'ici, c'est relativement simple. Si l'on en a assez pour aujourd’hui, on peut très bien laisser le fil d'arrivée bleu sur la barrette de neutre, l'installation doit fonctionner comme auparavant, sauf qu'elle est devenue monophasée.

La dernière opération à réaliser est d’appairer les fils de neutre et de phase pour que chaque disjoncteur  puisse couper phase et neutre simultanément. Pour cela il faut ouvrir le coffret supportant le tableau et travailler à l'intérieur, afin de pouvoir repérer les couples de fils qui sortent des gaines.

Une fois toutes les sorties neutre des disjoncteurs reliées, la barrette de neutre doit être vide. Sur la photo ci-dessus, c'est bien le cas.

Voici le tableau terminé :

L'ancien petit coffret à 6 modules n'était pas assez haut pour recevoir des bornes de raccordement :

Ces bornes sont absolument nécessaires au raccordement correct des fils d'arrivée. On peut difficilement glisser ceux-ci dans un disjoncteur ou dans un différentiel, surtout si un peigne est nécessaire. En tous cas la section d'un câble de 10mm² ou 16mm² rend cette opération difficile. Avec du 6mm² cela peut s'envisager.

Un deuxième tableau a donc été ajouté. Il accueille :

• un disjoncteur 32A : plaque de cuisson et four
• un disjoncteur 16A : chaudière
• un interrupteur différentiel
• un disjoncteur 32A : hangar
• une prise

Seuls les deux premiers disjoncteurs sont non protégés par le différentiel. La sortie du différentiel alimente donc l'ancien tableau, le disjoncteur du hangar, et la prise :

En haut à gauche, les deux fils 16mm² venant du disjoncteur principal.

2.5. Les prises triphasées

Il y a de fortes chances que l'habitation ou ses dépendances soit équipée de prises triphasées. Il faudra les remplacer par des prises monophasées.

S'il s'agit de prises 3 pôles + terre, il faudra retirer les 4 fils et repasser 3 fils rouge, bleu, vert/jaune. 

S'il s'agit de prises 4 pôles + terre, on peut de contenter d'utiliser un seul fil rouge sur les 3. Le plus difficile sera de choisir le bon fil, côté prise et côté tableau. On peut procéder par essais successifs, ou s'aider d'un multimètre.

2.6. Problèmes éventuels

Vous avez besoin de plus de puissance, car par exemple vous comptez faire installer une pompe à chaleur ?

Dans ce cas, il faut probablement remplacer les fils entre le disjoncteur principal et votre tableau par des fils de plus forte section :

• 6mm² pour 6KW
• 10mm² pour 9KW
• 16mm² pour 12KW

Cette opération est réalisable soi-même, car tout le matériel en aval du disjoncteur principal vous appartient.

Actuellement, aucun fil autre que ceux appartenant à ENEDIS ne doit se trouver dans le coffret ENEDIS.

Dans certaines installations anciennes, les fils reliant le disjoncteur principal et le tableau passent par l'intérieur du coffret bois EDF, et comme souvent le coffret EDF et le coffret du tableau sont accolés, un trou est pratiqué entre les deux pour le passage des deux câbles.

Si c'est votre cas, vous pouvez attendre le passage du technicien ENEDIS, qui retirera lui-même les anciens fils et vous laissera câbler les nouveaux, à moins qu'il n'ait la gentillesse de le faire lui-même.

Généralement le coffret EDF ou ENEDIS est scellé. Je vous déconseille de desceller celui-ci.

3. Conclusion

Avec quelques connaissance en électricité il est parfaitement possible de transformer soi-même un tableau triphasé en monophasé.

Avant de se lancer, il convient de faire une inspection minutieuse, afin d'éviter les surprises.

Faites soigneusement vos courses, n'oubliez rien :

• fils d'arrivée si vous devez les remplacer
• disjoncteurs
• différentiel
• bornes
• peignes
• prise de tableau

Et surtout évitez de faire quoi que ce soit quand les fournisseurs de matériel sont fermés. Un oubli, ou une erreur, est toujours possible.

Cordialement

Henri

Piloter une charge inductive

Piloter une charge inductive

Nous allons dans cet article revenir sur un aspect assez méconnu des débutants en électronique : la charge inductive, et les parasites qu'elle est susceptible d'engendrer. Ces dernières années je ne compte plus les interventions que j'ai pu effectuer, sur le forum ARDUINO, afin de résoudre ce genre de problème.

Malgré que j'aie déjà évoqué ce sujet à plusieurs reprises, il m'a semblé utile de rassembler dans un seul article les connaissances que j'ai pu accumuler sur les protections contre les surtensions.

Commençons par ma première expérience. Il y a trois ans j'avais présenté un projet de Micro-irrigation Automatisée.

Ce fut le premier projet sur lequel j'ai été confronté à des problèmes liés aux parasites générés par la commutation d'une charge inductive. La charge en question était une électrovanne motorisée 230V : 

Le moteur de l'électrovanne possède 3 fils :

• neutre
• fil d'ouverture
• fil de fermeture

Il est piloté par un classique module à double relais :

De manière aléatoire, l'afficheur 4 lignes du montage affichait des caractères incompréhensibles, juste après une ouverture ou une fermeture de la vanne.

Après de longues recherches sur le WEB, j'avais appris que les parasites générés par la coupure d'un moteur 230V pouvaient perturber l'alimentation de l'ARDUINO. Dans mon cas, cette alimentation est pourtant est de qualité supérieure, une MEANWELL IRM-05-5.

Et j'avais résolu le problème en adoptant un snubber : 

Nous allons examiner les différents cas qui peuvent être potentiellement problématiques.

1. Quel type de charge ?

Tout d'abord, qu'est ce qu'une charge inductive ? Il s'agit de tout type de charge comportant une inductance (un bobinage) :

• un moteur
• une électrovanne
• un électroaimant ou solénoïde
• un relais ou un contacteur
• un distributeur pneumatique
• etc.

Lors de la coupure du courant dans l'inductance, une surtension apparaît aux bornes de celle-ci et peut être véhiculée à travers une alimentation et perturber la tension de sortie de celle-ci, allant jusqu'à planter un microcontrôleur alimenté par celle-ci.

2. Oscillogrammes

J'ai déjà publié ces oscillogrammes dans cet article : 

On voit ici la surtension de 100V produite sur le collecteur du transistor de commande d'un relais 5V lors de la coupure.

On voit également des perturbations énormes sur la ligne d'alimentation 5V : jusqu'à 1.5V aussi bien en positif qu'en négatif pendant 100µs.

Ces perturbations pourraient facilement provoquer le plantage d'un microcontrôleur ou d'un module.

Avec une diode de roue libre ces surtensions disparaissent :

Tension sur le collecteur

Tension d'alimentation 5V

3. En courant continu

Lorsque l'on a affaire à une charge inductive fonctionnant en courant continu, la diode de roue libre est la solution.

3.1. Pilotage à l'aide d'un transistor

Ici elle est mise en place, cathode au +5V, donc en inverse, aux bornes de la bobine d'un relais. On choisit de préférence une diode rapide du type 1N4148.

Pour un moteur, une électrovanne, etc. le câblage est identique : 

Le transistor peut être un MOSFET : 

Remarque : tous les modules relais du commerce sont équipés de cette diode :

Si l'on adopte un relais nu, on devra ajouter cette diode, comme sur le schéma ci-dessus.

3.2. Pilotage à l'aide d'un relais

Qu'en est-il si l'on pilote un moteur ou une électrovanne à l'aide d'un relais nu ? La solution ne diffère pas, chacun est équipée de sa diode de roue libre :

3.3. Pilotage à l'aide d'un pont en H

Un transistor ou un relais n'est pas le seul moyen de piloter un moteur continu. Un moteur continu peut également être piloté à l'aide d'un pont en H, permettant de le faire tourner dans les deux sens.

Là encore, la majeure partie des ponts en H sont équipés de diodes de roue libre : 

Ci-dessus le schéma simplifié de l'électronique interne d'un L293D montre 4 diodes. Mais encore faut-l ne pas se tromper de modèle, car un L293 (sans le D) n'en possède pas.

Lire la datasheet d'un circuit de pont en H est indispensable.

4. En courant alternatif

Il est arrivé sur un de mes projets que la coupure d'un réfrigérateur fasse planter un montage à base de STM32. Le montage est alimenté par une alimentation 5V USB, branché sur une prise 230V proche de celle du réfrigérateur. Le simple fait de changer de prise 230V a fait disparaître le problème. Cette deuxième prise 230V est située de l'autre côté de la pièce, et est alimentée par une ligne 230V séparée de la première. Les deux lignes partent pourtant du même disjoncteur dans le tableau principal. On peut en déduire deux choses :

• la longueur des fils 230V semble avoir un effet positif sur les parasites
• comme le réfrigérateur est à l'origine du problème, on peut douter de la qualité de ses circuits antiparasites. Il faudrait ajouter un circuit supplémentaire sur le moteur.

En courant alternatif, une diode de roue libre ne va pas être utilisable, car elle serait détruite instantanément par les alternances négatives. Il faut utiliser un snubber.

4.1. Relais

Ici on voit un relais 5V continus, équipé de sa diode de roue libre, et un moteur 230V et son snubber.

Le snubber est constitué d'un condensateur (C2) et d'une résistance (R10) en série, autrement dit un couple RC. Il va absorber la surtension lors de la coupure du moteur. Le condensateur est en général du type X2 (auto-cicatrisant) :

Une varistance 275V peut être utilisée en lieu et place du couple RC :

Des modules tout faits, combinant les deux solutions (couple RC + varistance), existent :

4.2. Où placer le snubber

A noter : on pourrait penser que le snubber peut être placé directement en parallèle sur le contact du relais, plutôt qu'en parallèle sur la charge : 

Théoriquement, oui, mais il y a un effet secondaire : un courant de fuite de quelques mA va circuler dans la charge, à travers le snubber, et cela peut être gênant.

Schéma de gauche : si le contact est ouvert aucun courant ne circule.

Schéma de droite : si le contact est ouvert un léger courant circule à travers le snubber et le moteur.

On peut facilement le calculer. Calculons l'impédance du condensateur :

X = 1 / (2 * Pi * F * C) = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 0.0000001) = 31847Ω

En ajoutant la résistance de 100Ω : 31947Ω

Imaginons que la charge soit la bobine d'un contacteur. La résistance de celle-ci peut avoir une valeur similaire, une 30aine de KΩ. 

Ce qui donne un courant de 230V / 60KΩ = 3.8mA

Ce courant peut être suffisant pour activer le contacteur s'il est très sensible. On l'a déjà vu, par exemple ici :

https://forum.arduino.cc/t/commande-pompe-piscine-via-arduino-et-relais/959401/42

Si la charge est un petit moteur, ce courant peut être suffisant pour entraîner sa rotation.

Il vaut donc mieux placer le snubber en parallèle sur la charge.

4.3. Contacteur

Un contacteur est aussi une charge inductive. Si l'on utilise un contacteur pour piloter un moteur, chacun d'eux devra être équipé d'un snubber :

Ici il s'agit d'un contacteur à bobine 230V. Il possède son propre snubber, le moteur également. Si le contacteur est un modèle à bobine 24V ou 48V cela ne change rien au problème, le snubber est indispensable.

Remarque : certains contacteurs sont équipés d'origine d'une varistance en parallèle sur la bobine, par exemple ce modèle de chez Finder :

Il est à noter que la plupart des contacteurs sont bipolaires, ce qui permet de couper phase et neutre, apportant ainsi une sécurité supplémentaire. Il sont de plus beaucoup plus robustes qu'un petit relais chinois, et peuvent piloter de gros moteurs.

5. Conclusion

J'espère que ce petit article vous aura persuadé que les surtensions provoquées par des solénoïdes sont maîtrisables, et que vos chères alimentations, même si elles sont bien régulées et de qualité ne sont pas des protections suffisantes.

Cordialement

Henri