Générateur à condensateur & transformateur
Ce document décrit un montage électronique susceptible de fournir de l'électricité de manière efficiente:
Elle repose sur deux phénomènes très simples facilement vérifiables:
- D'une part, en exploitant le courant de charge lors du phénomène de charge mais également présente lors de la décharge d'un condensateur.
- D'autre part, en exploitant la capacité du transformateur à transformer/transférer cette énergie vers sa source. (accumulateur)
Elle fait suite à "La théorie du condensateur qui se mord la queue".
Je tiens à signaler que ce "phénomène" ne contrarie en rien les lois de la thermodynamique puisque dans son principe, il ne met en œuvre aucune énergie calorifique ou mécanique. Ce montage ne comporte, en outre, aucune résistance.
Il ne comporte que des impédances selfiques et des capacitances. (Il ne peut donc être "simulé" sur un quelconque simulateur informatique, car ceux-ci demandent une résistance de base comme référence...)
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- 1 - Base théorique
- 1 - Montage de base.
- 2 - Spécificités du condensateur.
- 3 - Spécificités du transformateur.
- 4 - Principe de fonctionnement. (signal PWM, pourcentage de charge du condensateur)
- 5 - Récupération.
- 6 - Les pertes.
- 7 - L'accumulateur.
- 8 - Analogie.
- 9 - Remarques.
- 10 - Construction d'un banc d'essai (prototype)
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Base théorique :
Figure 19 : Dans ce montage, nous retrouvons l'utilisation "classique" du transformateur:
De l'énergie est consommée à l'accumulateur par la bobine primaire du transformateur (via un hacheur). Une énergie secondaire est récupérée dans la bobine secondaire puis redressée. Cette énergie traverse ensuite la résistance. Il faut bien comprendre que ces deux courants sont "distincts", même si l'un a créé l'autre.
Montage de base:
Le principe repose donc sur le montage électronique simple de base suivant, (figure1)
par lequel nous souhaitons recharger un condensateur à l'aide d'un accumulateur:
Il est composé:
D'un accumulateur, un interrupteur 2 positions, un résisteur R1 et d'un Condensateur C.
L'interrupteur, ayant le point commun au résisteur R1 est à deux position:
La position 1 relie l'accumulateur au résisteur R1.
La position 2 relie le résisteur R1 à la masse du montage.
On peut donc, par ce montage, charger ou décharger le condensateur C de manière expérimentale, que j'appellerais à présent "condensateur de transfert".
Ce montage "de base" est souvent montré en travaux pratiques ou en animation sur le net avec, souvent, la possibilité de régler certains paramètres ( Valeur du condensateur, valeur de la résistance...)
http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/electri/chargecondo.html
ou bien:
https://phyanim.sciences.univ-nantes.fr/Elec/Transitoire/chargeRC_TS.php
et encore:
https://www.digikey.fr/fr/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-time-constant
dans lequel, en passant la souris sur les courbes, dans la figure du bas, on peut relever les pourcentages à différents R.C. la tension et l'intensité.
On peut ainsi "voir" les variations de tension et de courant dans le temps qui traversent la résistance.
L'idée est d'exploiter au mieux ce phénomène.
Spécificités du condensateur:
Le condensateur est très employé en électronique, mais aussi en électricité générale:
Il sert d'antiparasite, de filtre, de réservoir tampon pour le lissage de tensions, d'élément d'oscillateur, de mémoire, d'intégrateur...
Ici, nous l'utiliserons comme dans sa fonction première, c'est à dire comme réservoir d'énergie, apte à accumuler des charges électriques et à les restituer.
Contrairement à l'inductance, qui s'oppose aux variations de courant, le condensateur possède une grande appétence envers les charges électriques. On s'en sert d'ailleurs comme système antiparasite dans de nombreux domaines. (industriels, automobile...)
Le condensateur n'est affligé que de très peu de résistance interne, tant à la charge qu'a la décharge, par rapport aux accumulateurs traditionnels.
En charge à tension constante, le condensateur peut être vu comme "une pompe à électron presque parfaite couplée à un réservoir": Tant que sa capacité le permet et tant qu'il y a une d.d.p., il "capture" toutes charges électriques.
Une différence de potentiel étant présent lors de la phase de charge, AUCUNE contrainte ne s'oppose donc a "exploiter" ce courant de charge. Ce que nous prouve l'expérimentation. Même si ce process n'est jamais exploité, nier ce fait est un non-sens scientifique.
Capacitif = A pour fonction de stocker de l'énergie électrique. Le condensateur n'est pas un composant résistif.
Tant qu'une différence de potentiel existe, le condensateur se charge ou se décharge irrémédiablement.
Quant au cycle de décharge, le condensateur devient "un générateur presque parfait":
L'exponentielle variation de potentiel ne constitue nullement "la" résistance interne.
C'est juste la manifestation de la pression du réservoir qui se vide.(de ses charges)
Il est important d'assimiler et d'accepter ces fait, qui sont le principe de base de l'élaboration du système. Sans compréhension claire de ces principes, il n'est évidement pas possible d'en accepter le fonctionnement.
Dans ce montage, lors de phases de charge ou décharge, la même quantité d'électricité passe toujours par le même circuit.
Le temps de décharge et rigoureusement le même que celui de charge,(constante de temps) s'il traverse toujours le même circuit.
La quantité d'électricité peut être rigoureusement connue et contrôlée, à chaque instant, par mesures et/ou par calcul.
Le résisteur peut être remplacé par des résistances, ampoules, inductances (selfiques ou capacitives), mais aussi et surtout par le primaire d'un transformateur, comme nous allons le voir plus loin.
La valeur de la résistance ou de l'impédance influera évidement sur le temps de charge, mais il faut encore une fois garder à l'esprit, que tant qu'une différence de potentiel sera présente, le condensateur se chargera IRREMDIABLEMENT, Qu'il y ait une résistance ou une inductance sur son chemin.
Spécificités du transformateur: (Figure2)
Le courant variable qui circule dans l’enroulement primaire génère un flux magnétique variable dans le noyau.
Cette variation de flux induit dans le secondaire un autre courant ou, si le circuit secondaire n’est pas raccordé à un récepteur, y induit une tension. (fonctionnement "a vide")
Point important qui doit retenir notre attention: nous avons donc 2 courants distincts:
- 1 premier courant (courant primaire) qui traverse la bobine primaire.
- 1 second courant (courant secondaire) qui est généré dans la bobine secondaire.
Généralement, le courant primaire va du générateur a la masse. ( ce courant est donc "consommé" en "alimentant" le secondaire. Le transformateur étant isolé galvaniquement, ces deux courants s'influencent mais "ne se mélangent pas")
J'insiste bien sur ce point, car Lucien Gaulard, inventeur du transformateur, à eu toute les peines du Monde à en faire comprendre le principe, à tel point qu'il n'a pu faire breveter son invention. Hommage lui soit rendu.
De part l'intensité de ce courant consommé au primaire, on peut en déduire le courant consommé au secondaire.
Les transformateurs ont, en général, un bon rendement, de sorte que la puissance consommée au primaire est presque égale à celle récupérée au secondaire.
http://www.courstechinfo.be/Hard/Transfo.pdf
Quand le transformateur fonctionne "à vide" (le circuit secondaire est ouvert), celui-ci ne consomme presque aucun courant.
L’enroulement primaire se comporte alors comme une self, c'est à dire comme une simple inductance qui s’oppose au passage du courant.
Le transformateur fonctionne "en charge" quand un récepteur est raccordé à sa sortie.
On peut y raccorder un pont de diode afin de redresser le courant de sortie en courant continu utilisable.
Il faut veiller cependant au paramètre de l'impédance, le transformateur ne pouvant fournir plus d'énergie qu'il n'en reçoit.
Un transformateur ne peut fonctionner qu'avec un courant et une tension variable.
- Un courant sinusoïdal (par ex: secteur EDF)
- Un courant pulsé (ondes carré) ( par ex : Alimentations Buck avec transformateur d'impulsion) que nous mettrons en œuvre ici.
Il peut aussi fonctionner avec une tension et un courant variable dans le temps. (par ex. :systèmes audio)
Le seul point important est de conserver à l'esprit le fait que le transformateur transmettra toujours son énergie primaire sur le secondaire et que la puissance consommée au primaire sera presque égale à celle récupérée au secondaire.
Principe de fonctionnement:
Le but du système est de faire passer une certaine quantité de charge du condensateur dans le primaire du transformateur, lors de la charge puis une certaine quantité de charge lors de la décharge du même condensateur, encore dans le même primaire du transformateur.
Bien entendu, lors de chaque phases, il faut hacher le courant avant de l'injecter dans le transformateur, celui-ci ne fonctionnant principalement qu'avec un courant sinusoïdal ou pulsé.
Le signal PWM (MLI, Modulation de largeur d'impulsion) est un signal de fréquence constante et de rapport cyclique variable. Il sera chargé de hacher la tension variable dû aux charges et décharges successives. Il peut être bidirectionnel selon la configuration du montage.
Pour le hacheur, fonctionnant en basse fréquence, on peut utiliser des transistors (bipolaires, Mosfet...en pont H ou push pull...) ou des systèmes électromécaniques rapides (rupteurs secs, disques à balais..).
Le but, lors de la charge, est de renvoyer une partie de la puissance récupérée au secondaire du transformateur vers l'accumulateur.
Le but est aussi, lors de la décharge, de renvoyer une partie de la puissance récupérée au secondaire du transformateur vers l'accumulateur.
( Plus prosaïquement, on peut exprimer le fait que si le condensateur veut se charger, il est obligé de faire passer son courant de charge dans le primaire du transformateur et s'il veut se décharger, il est encore obligé de faire passer son courant de décharge dans le primaire du transformateur.)
Expérimentation personnelle du phénomène en vidéo:
Il n'est pas utile d'exploiter la charge et la décharge complète du condensateur:
Au dessus de 65%, le temps de charge devient trop long et tenter d'exploiter au mieux cette charge s'amenuise avec de pertes de plus en plus conséquentes.
Il n'est pas utile, non plus, d'exploiter la décharge complète du condensateur:
En dessous de 35%, le temps de décharge devient trop long aussi et tenter d'exploiter au mieux cette décharge s'amenuise de même.
Il reste donc une plage "flottante" de 30%, lors des charges et décharges successives, dans laquelle nous devons transférer /transformer l'énergie au mieux.
L'énergie "stagnante", quant à elle, restant à chaque fois dans le condensateur , n'est pas "utilisée". Le courant de fuite du condensateur étant très négligeable, elle n'est donc nullement perdue.
On retrouve donc, en permanence, sur le primaire du transformateur, une tension toujours positive hachée. (Figure6)
Figure6: Le condensateur possède toujours une charge minimum égale en tension a 35% de celle de l'accumulateur. De 35 à 65% se situe la " valeur fluctuante de transfert". C'est uniquement cette énergie qui est envoyée au transformateur. Le condensateur ne sera jamais chargé a plus de 65% de la tension de l'accumulateur.
La forme du signal dans le temps (Abscisse) dépend de la capacité du condensateur et de l'impédance du transformateur. (impédance découlant de la fréquence de fonctionnement et de la capacité du transformateur à "évacuer" son énergie secondaire). Je le rappelle: le condensateur à très peu de résistance interne.
L'ordonnée dépend de la tension de l'accumulateur.
Récupération:
Donc, dans la phase de charge, nous chargeons le condensateur au travers du circuit primaire du transformateur et nous récupérons l'énergie générée au secondaire afin, une fois redressée, de la renvoyer dans l'accumulateur.
Dans cette phase de charge, de l'énergie est prélevée à l'accumulateur; énergie double a celle qui sert a charger le condensateur.
De même, dans la phase de décharge, nous déchargeons le condensateur au travers du circuit primaire du transformateur et nous récupérons l'énergie générée au secondaire afin, une fois redressée, de la renvoyer dans l'accumulateur.
Dans cette phase de décharge, aucune énergie n'est prélevée a l'accumulateur.
Il peut vous sembler étrange qu'on puisse "boucler" un transformateur sur lui-même.
Le transformateur n'a pas "d'état d'âme"; il renvoie son énergie ou il peut et si il peut, que se soit dans un circuit résistif ou bien "vers sa source".
Par ce processus, il en découle évidement une tentative de recharger l'accumulateur avec un excédent d'énergie.
- Dans le cycle de charge, on se trouve, effectivement dans la situation du moteur-dynamo couplé.
La force électromotrice (FEM) obligée par le tirage du condensateur, oblige le primaire du transformateur à consommer du courant à l'accumulateur, à la seule condition que son secondaire puisse déverser son courant secondaire dans l'accumulateur.
- Dans le cycle de décharge, le condensateur devient et uniquement à son tour un générateur.
De même, il ne peut se décharger que si le primaire du transformateur consomme ce courant de décharge, à la seule condition que son secondaire puisse déverser ce courant dans l'accumulateur.
Les pertes:
Le principe étant cohérent dans son ensemble, ce système ne peut être efficient que si les pertes sont acceptables, pertes dû à la constitution des différents composants, ainsi qu'a la gestion du fonctionnement.
Exemple vu "au pire":
Si nous prenons le modèles de 200 charges pour charger le condensateur de 100 charges, 200 charges ont donc traversé le primaire du transformateur. Lors de la phase de charge du condensateur, en supposant une perte (principalement de transformateur) de 33% de pertes, nous récupérons sur le secondaire 200 * 67% = 134 charges qui retournent à l'accumulateur.
Sur les 100 charges restantes sur le condensateur chargé, lors de la phase de décharge, en supposant toujours une perte (principalement de transformateur) de 33% , nous récupérons sur le secondaire 100 * 67% = 67 charges qui retournent à l'accumulateur.
Nous retrouvons donc un retour de charge de 134 + 67 = 201 charges retournées pour 200 charges dépensées.
On arriverait donc à un rendement de 101 %, soit une efficience de 1 %.
Cet exemple à été vu "au pire", c'est à dire avec des pertes de 33%, dans lequel le système n'est pratiquement plus viable en soi. Il est évident que chaque pourcent optimisé rapporte à chaque fois une efficience plus importante. (voire exponentielle).
A l'état technologique actuel, nous pouvons maitriser beaucoup mieux ces pertes par l'emploi de composants de bonne qualité et de gestion "intelligente" à microcontrôleur et arriver facilement à des pertes inférieures de 30% à chaque cycle de charge et donc, aussi, de 30% lors du cycle de décharge, soit arriver à un rendement de 120 %. (efficience de 20%)
Un transformateur bien conçu peut avoir un rendement (taux de transfert) de plus de 95%...
L'accumulateur:
Contrairement au condensateur, la plupart des accumulateurs (plomb, LiPo, nimh...) possèdent certaines résistances internes dû à leur technologie, (F.e.m.) tant à la charge qu'a la décharge, nuisibles pour un rendement "acceptable". Ils peuvent cependant êtres utilisés pour l'expérimentation.
L'accumulateur doit être constitué de condensateurs ( ou groupe de condensateurs) mis en parallèle dont la capacité doit être d'au moins supérieure de 120 % de la capacité du condensateur de transfert.
Il faut bien comprendre que la présence de ce condensateur est nécessaire que pour le fonctionnement propre du système et n'est pas prévu comme réserve d'énergie" utilisable à souhait": Il doit garder à ses bornes un niveau de tension minimum propice au bon fonctionnement du montage.
Le pont de diode, obligatoirement présent, n'est pas à considérer comme une perte en soi, mais juste comme un obstacle: Il faut environ 1,4 Volts (2x 0,7 Volts) pour pouvoir franchir son seuil de conduction.
Analogie :
Enfin, en complément, je vous propose, en vue d'esprit, le schéma simple ci-dessous (Figure10). Il reprend la même structure que la première figure, mais en place de la résistance, on place une ampoule ( que l'on imagine très puissante) placée devant une cellule photoélectrique (que l'on imagine avec un excellent rendement)
Quand on charge le condensateur, le courant venant du générateur traverse l'ampoule, celle-ci s'illumine, éclaire la cellule photoélectrique. L'énergie lumineuse, collectée et transformée par la cellule revient charger l'accumulateur.
Le condensateur s'est chargé pendant cette phase avec les charges traversant l'ampoule.
On bascule l'interrupteur: Le condensateur se décharge à présent. Le courant repasse par l'ampoule, illumine celle-ci et éclaire encore la cellule. L'énergie lumineuse collectée et transformée par la cellule revient encore charger l'accumulateur. Le condensateur s'est déchargé.
Bien entendu, le couple ampoule/cellule, avec la technologie actuelle, aura un rendement dérisoire.
Je vous propose un petit aperçu vidéo du phénomène:
Je vous présente un deuxième montage, toujours en vue d'esprit: (Figure 11)
Dans celui-ci, on commence a "discerner", dans le couple de "haut-parleurs" identiques un semblant de transformateur... ainsi que le circuit hacheur pour "stimuler" la membrane du haut-parleur. Là aussi, la constante de temps est modifiée selon l'impédance du haut-parleur, mais le condensateur se charge toujours irrémédiablement.
On peut encore modéliser ce montage avec des moteurs et dynamos, poulies et poids... et autres analogies hydrauliques.
Un transformateur reste cependant le composant parfait pour effectuer ce transfert avec un minimum de pertes!
Remarques:
1 - Ce montage n'a aucun rapport avec un circuit L.C. générant des ondes amorties ou entretenues, ou en espérance de recueillir quelconque énergie par le biais de ces ondes. ( je ne dis pas ce c'est impossible, je n'ai pas entrepris cette démarche.) Cependant:
2 -Il est courant de conclure d'un certain résultat de "perte d'énergie" lors du transfert d'énergie du condensateur en appliquant la méthode du "condensateur qu'on décharge dans un autre condensateur".
Avec cette méthode, en analysant la finalité ( mesure de la tension finale), il en est déduit qu'il ne reste dans le condensateur que la moitié de l'énergie de départ. Il en est donc encore déduit que:
L'énergie dépensée par le générateur est "consommée" de 2 manières:
- Une moitié est dissipée dans la résistance.
- Une moitié vient recharger le condensateur.
Il est un fait qu'en refaisant l'expérience sans résistance, le résultat reste identique... Il en est déduit que cette énergie se dissiperait peut-être sous la forme d'une onde électromagnétique...
Il ne vous échappera pas que dans cette méthode de "condensateur qu'on décharge dans un autre condensateur", nous forçons obligatoirement le premier condensateur a avoir une f.e.m. avec une résistance interne conséquente (presque artificielle), ce qui n'est pas dans son fonctionnement normal.
Je le rappelle, mon montage préconise une réserve d'énergie de 120% en amont.
Enfin, en clin d'œil, je vous laisse admirer le nombre d'oscillations d'ondes amorties dans un circuit LC séparé de son générateur.
Constitution d'un prototype d'expérimentation:
Peu de composants sont nécessaire à la construction du prototype (Figure8).
2 relais sont utilisés pour "orienter" les courant de charge et de décharge. Leur fréquence de coupure dépend du temps de charge du condensateur de transfert.
Ce temps de charge dépend:
- De la capacité du condensateur de transfert,
- De l'impédance du transformateur. Je le rappelle: cette impédance dépend de la fréquence du hacheur, de la constitution même du transformateur et de la capacité du transformateur à "évacuer" son énergie secondaire).
On peut donc "s'arranger" pour que la fréquence de coupure des relais atteigne la demi-seconde, voire la seconde.
En ce qui concerne le circuit hacheur, je me suis orienté vers un circuit à disque et balais collecteurs, entrainé par un petit moteur brushless, dont on peut précisément contrôler la vitesse de rotation et donc définir précisément la fréquence du hacheur.
Il est à noter que lors du cycle de charge, aucune étincelles n'apparaissent sur le disque, le condensateur jouant en outre son rôle d'antiparasite. Il est encore à noter que ce système "en tout ou rien" n'induit aucune résistance ou élément perturbateur externe.
La force exercée par les balais sur le disque est "minime" et n'a aucun rapport avec l'intensité du courant qui peut y circuler.
Le transformateur doit être d'un rapport 1/1. (Certains transformateurs audio ont cette spécificité)
On peut utiliser des transformateur "réseau 220 Volts"(tôles empilées) qu'il faut cependant démonter et rebobiner en conséquence. Dans ce cas, il faudra alors caler le hacheur sur environ 50 hertz, fréquence sur laquelle ils sont prévus de fonctionner de base.
Le transformateur sera le premier vecteur de pertes. Il faudra donc veiller à sa bonne constitution.
Le pont de diode devra plutôt être de technologie "Schottky " afin d'avoir un seuil de conduction au plus bas.(0,7 Volts). Monté en pont, cela nous donne donc 1,4 Volts de chute de tension, ce qui devient gênant quand on veut redresser des tensions de faible valeurs.
Ce sera le second vecteur de pertes, après le transformateur. Il faut préconiser une tension de fonctionnement du montage en conséquence, pour minimiser ce handicap en pourcentage.
Un microcontrôleur surveille les tensions (accumulateur et condensateur de transfert) et bascule les relais de commutation de charge et décharge) en conséquence.
La fréquence du hacheur peut être fixée "une fois pour toute", suivant l'optimisation de l'impédance du transformateur. Il n'est pas nécessaire d'excéder la centaine de Hertz.
La capacité du condensateur de transfert n'est pas critique.
On pourrait envisager un montage avec des transistors (Mosfet...) afin de miniaturiser le module. Il est à noter que, hormis pour le contrôle et les commandes, ce prototype ne comporte AUCUNE RESISTANCE.
-1 transformateur, 2 relais, 2 Mosfet (IRF540), pont de diodes.
- Un microcontrôleur (Arduino) pour contrôler les tensions (contrôle Tension Condensateur principal sur entrée analogique A0, contrôle Tension Condensateur de transfert sur entrée analogique A1), basculer les relais (Pins numériques 3 & 5) et activer les transistors (Pins numériques 7 & 9).
Note:
- Fonction "Tone" utilisée (100 Hertz) pour activer les transistors (car cette fonction est indépendante du processus programme en cours).
- Mettre en place des diviseurs de tension calibrés sur les entrée analogique pour protéger le microcontrôleur.
Malheureusement, le système a transistors fonctionne rarement car lesdits transistors (Fet ou bipolaires) ne supportent pas que leur tension drain-source ou collecteur-émetteur fluctuent de la sorte.
Pour ma part, j'utilise donc, pour la fonction du hacheur, un système à disque et balais, commandé indépendamment du montage.
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