Comment charger un supercondensateur ?

module lm2596

Module convertisseur buck LM2596

Les supercondensateurs sont encore assez méconnus et les différentes techniques de recharge de ces dispositifs de stockage d'énergie ne sont pas forcément connues de tous.

Si les caractéristiques de charge et de décharge des supercondensateurs se rapprochent de celles des condensateurs, le fait que les supercondensateurs servent à stocker une quantité d'énergie beaucoup plus importante et leur plus faible tension maximale implique l'utilisation de techniques de recharge différentes.

Pour assurer une recharge efficace d'un supercondensateur, un bon système de charge doit :

  • Assurer une charge qui n'endommage pas le supercondensateur
  • Limiter les pertes d'énergie et le dégagement de chaleur lors de la charge
  • Optimiser la rapidité de la charge sans endommager le générateur

Il existe plusieurs techniques pour recharger un supercondensateur. Certaines sont simples et pas cher, mais peu efficaces. D'autres sont un peu plus compliquées et plus ou moins efficaces. Enfin, il y a la possibilité d'utiliser des circuits intégrés ou des modules tout faits et plus ou moins adaptés à la recharge des supercondensateurs tout en étant plus ou moins onéreux.

De la recharge par une simple pile AA à l'utilisation de circuits intégrés spécialisés dans la recharge des supercondensateurs, nous présentons ici plusieurs techniques permettant de recharger un supercondensateur à partir de générateurs de tension constante et à partir de générateurs de courant constant. La recharge de plusieurs supercondensateurs en série requiert des explications complémentaires qui sont apportées dans les articles suivants :
Charger des supercondensateurs en série
Les circuits d'équilibrage de tension pour supercondensateurs


SOMMAIRE


Précautions

Risques de décharges sur le corps humain

Question sécurité, il faut bien faire la différence entre un condensateur et un supercondensateur.

Les condensateurs peuvent avoir des tensions maximales très variables allant de quelques volts à plusieurs centaines de volts. Les supercondensateurs quant à eux ont une tension maximale variant de 2,5 volts à 2,85 volts selon les modèles (certains atteignent 5,5 volts, mais ils sont constitués de supercondensateurs reliés en série).

Ainsi, il faut faire très attention lorsqu'on manipule un condensateur chargé à 500V. Même avec une faible capacité de 100nF, toucher les bornes positives et négatives avec les doigts délivrera un violent choc électrique, même s'il est de courte durée.
Il en est de même si vous êtes lié à la Terre et si vous touchez le fil positif du condensateur : le corps agit alors comme un chemin à la Terre et le condensateur se décharge alors instantanément à travers vous.

La résistance du corps humain est généralement de 5000 à 50000 ohms et peut descendre à 1000 ohms en condition humide. Donc manipuler avec ses doigts un seul supercondensateur chargé à 2,7 volts n'est pas directement dangereux :
I = U/R = 2,7/1000 = 0,0027 ≈ 3mA (en condition humide)

Les risques sont différents avec des condensateurs pouvant atteindre 500V :
I = U/R = 500/1000 = 0,5 = 500mA (en condition humide)
Heureusement, à la différence des supercondensateurs, les condensateurs stockent très peu d'énergie, donc les chocs électriques potentiels sont extrêmement brefs.

Si un supercondensateur seul n'est pas directement dangereux à manipuler, ce n'est par contre plus exact lorsque l'on manipule des supercondensateurs reliés en série, car la tension augmente alors...

L'effet du courant sur le corps humain dépend de plusieurs paramètres, qui sont principalement l'intensité du courant et la durée de contact. Des brûlures superficielles peuvent apparaître à partir de courants relativement faibles (de l’ordre de 10 mA) si le contact est maintenu pendant plusieurs minutes. En courant alternatif, les muscles situés sur le trajet du courant se contractent. On peut alors perdre le contrôle de ses muscles avec des mains qui serrent fortement le conducteur empêchant tout dégagement volontaire. Les risques de brûlures sont alors accrus. Des courants de l’ordre de 30 mA prolongés suffisent à bloquer les muscles respiratoires. Pour des valeurs supérieures, on à fibrillation puis arrêt cardiaque.

cf. pamelard.electro.pagesperso-orange.fr et wikipedia.org

Certains effets du courant électrique sur l’être humain sont représentés sur le tableau ci dessous. Le trajet passe ici par les organes vitaux.

Intensité Perception des effets Temps
0,5 mA Sensation très faible
1 à 3 mA Sensation sans douleur
6 mA Perception cutanée douloureuse
8 mA choc au toucher, réactions brutales
10 mA Contraction des muscles, seuil de non lâcher (tétanisation) 4 mn 30
15 mA Impossibilité d’auto libération
30 mA Paralysie des muscles respiratoires 30 secondes
40 mA Fibrillation ventriculaire 3 secondes
75 mA Fibrillation ventriculaire 1 seconde

Vu la résistance du corps humain, on ne prend pas trop de risque de décharge dans le corps pour la santé si on se contente de manipuler des montages ne dépassant pas 24V.

Si le corps humains a une certaine résistance ralentissant la vitesse de circulation du courant, il n'en est pas de même pour un fil électrique ou pour les composants électroniques.

Risques de brûlure et d'incendie

Le danger vient de l'intensité du courant. Une faible tension générera une faible intensité de courant s'il y a une certaine résistance, mais peut tout de même générer une forte intensité de courant si la résistance est très faible.

Ainsi, court-circuiter une batterie de voiture de 12V avec un fil conducteur peut être très dangereux : il n'y a aucune résistance et donc une énorme quantité de chaleur est alors générée et la batterie risque d'exploser. A minima, il y a des risques de brûlures et d'incendie.

Les condensateurs et les supercondensateurs sont conçus différemment des batteries et ne risquent pas d'exploser suite à un court-circuit, mais la chaleur générée peut être très importante.
En effet, les condensateurs et les supercondensateurs ont une résistance interne extrêmement faible en comparaison des batteries, ce qui leur permet d'être rechargés beaucoup plus rapidement ou de délivrer un courant très élevé.
Court-circuiter une banque de condensateurs ou de supercondensateurs avec un fil conducteur peut alors faire rougir le conducteur, mettre le feu à l'isolation du fil, brûler grâvement toute personne qui le touche, faire fondre le fil conducteur ou provoquer des étincelles et des incendies.

Même avec un seul supercondensateur chargé à 2,7 volts, il faut donc faire attention à ne pas créer des court-circuits de façon inopinée pour ne pas griller vos composants et même les fils de connexion de vos circuits électroniques.

Par rapport aux batteries, les supercondensateurs ont l'avantage de n'avoir aucun problème de décharge profonde. Vous pouvez donc décharger complètement un supercondensateur pour obtenir un composant sans charge électrique et donc sans risque.

Pour bien se rendre compte des effets que peuvent provoquer les court-circuits avec de gros supercondensateurs, voici une vidéo impressionnante (NE PAS REPRODUIRE !) :

Nous montrons cette vidéo pour illustrer les risques. Ces expériences ne doivent pas être reproduites. Les supercondensateurs ne sont pas conçus pour cela !

Evidemment, court-circuiter un tout petit supercondensateur n'aura pas les mêmes effets. Mais il faut s'habituer à être vigilant lorsqu'on manipule des composants électriques.

Décharger les supercondensateurs en fin test

Lorsque l'on réalise des tests de montages électroniques utilisant des supercondensateurs, il est fortement recommandé de décharger les supercondensateurs à la fin de chaque test. En effet, il faut éviter les courts-circuits, mais il faut aussi diminuer les risques en cas de court-circuit créé par inadvertance.

Anecdote : il nous est arrivé de créer une petite étincelle en saisissant d'une main qui tenait déjà une pince, un supercondensateur 10 Farads que nous avions pourtant déchargé (mais insuffisamment). La pince a mis en contact les 2 bornes du supercondensateur et créé un court-circuit. Résultat : une petite étincelle et un dégagement de chaleur bien perceptible pour un supercondensateur en très grande partie déchargé !

Pour décharger rapidement un supercondensateur, il suffit de relier ses 2 bornes avec au choix :

  • une résistance 0,5 ohm ou 1 ohm - 10 Watts
  • une résistance 2 ohms - 3 à 5 Watts
  • une résistance 5 ohms - 1 Watt
  • cinq résistances 1 ohm - 0,25 Watt en série
  • une résistance 10 ohms - 0,5 Watt
  • une résistance 20 ohms - 0,25 Watt

Evidemment, la décharge sera plus rapide avec une résistance 0,5 ohm, mais les résistances supportant 10 Watts de puissance sont plus coûteuses que les traditionnelles résistances 1/4 de Watt...

Supercondensateurs en série

Des supercondensateurs chargés en série peuvent atteindre des tensions élevées et il faut donc avoir conscience des risques associés.

Par ailleurs, pour recharger des supercondensateurs en série il est hautement recommandé d'utiliser un circuit d'équilibrage de tension.

Limite de tension d'un supercondensateur

Les supercondensateurs ont tous une limite maximale de tension à ne pas dépasser. Charger un supercondensateur 2,7V jusqu'à atteindre une tension de 3 volts endommagera le supercondensateur en augmentant son taux d'autodécharge et diminuera sa durée de vie.

Les supercondensateurs sont plus ou moins résistants aux tensions inappropriées selon le modèle et selon le fabriquant. Dans certains cas, charger un supercondensateur à des tensions élevées peut aller jusqu'à le faire exploser !

Pour ne pas prendre de risque et pour garantir une longue durée de vie aux supercondensateurs, il est recommandé de conserver une marge de sécurité et de charger un supercondensateur 2,7V jusqu'à une tension de 2,4 à 2,5 volts.

Polarité

Il faut faire très attention lorsqu'on branche des condensateurs polarisés : ceux-ci explosent s'ils sont branchés à l'envers !

La plupart du temps, les supercondensateurs ont des électrodes symétriques : l'anode et la cathode sont constituées de la même matière. Théoriquement, on pourrait donc indifféremment brancher le + ou le - sur les bornes du supercondensateur. Cependant, lors du processus de fabrication des supercondensateurs, des chargements successifs créent de fait une certaine asymétrie au niveau des électrodes.

Par ailleurs, il existe aussi des supercondensateurs à électrodes asymétriques, des pseudo-supercondensateurs et des supercondensateurs hybrides (cf. Grand dossier sur les supercondensateurs).

Inverser la charge d'un supercondensateur peut être dangereux et générer une explosion ou au minimum en abaisser la capacité. Il est donc recommandé de faire attention à la polarité lorsqu'on utilise des supercondensateurs.

Il faut également faire attention aux termes «anode» et «cathode» peuvent prêter à confusion parce qu'il y a changement de polarité selon que le composant est considéré comme un générateur ou comme un consommateur (une charge). Pour un accumulateur ou une batterie, la cathode a une polarité positive (+) et l'anode a une polarité négative (-). Pour les condensateurs, la cathode a une polarité négative (-) et l'anode a une polarité positive (+). Cela nécessite une attention particulière si les supercondensateurs sont substitués ou connectés en parallèle avec des batteries.

Les effets d'une charge au delà de la tension maximale et d'une inversion de polarité en vidéo : Let's BLOW UP some SUPERCAPACITORS !


La présentation des risques et des précautions à prendre étant faîte, il faut préciser que l'électronique et l'utilisation de composants électriques est assez dangereux à mettre en œuvre si l'on ne prend pas suffisamment garde à éviter les risques.
Il faut savoir ce que l'on fait et connaître les principes de l'électricité et les risques associés pour se lancer dans des expériences utilisant des supercondensateurs.

Les personnes réalisant des circuits électroniques sont les seules responsables de leurs montages et doivent maîtriser les risques.

supercondensateur.com et les rédacteurs associés ne pourront être tenus responsables en cas d'accident mineur ou majeur provenant de la réalisation de montages électroniques ou électriques présentés sur superondensateur.com ou lors de l'utilisation de supercondensateurs en général.

Ceux qui souhaitent expérimenter sans risque peuvent toujours se contenter d'utiliser des logiciels de simulation de circuits électroniques (Cf. Breadboard et simulateurs de circuits électroniques).

Après ces nécessaires mises en garde, nous pouvons entrer dans le vif du sujet...

Recharger un supercondensateur à partir d'une pile AA

La plupart des supercondensateurs supportent une tension maximale de 2,7 volts (2,85V pour la gamme DuraBlue de Maxwell Technologies), tandis qu'une pile AA délivre une tension de 1,5 volts.

Relier une pile AA à un supercondensateur permet donc de recharger celui-ci jusqu'à une tension de 1,5V. Le supercondensateur ne sera donc pas rechargé entièrement, mais c'est une possibilité simple de recharge partielle. Il faut tout de même limiter l'intensité du courant pour protéger la pile. En effet, une pile AA de type LR6 supporte une intensité maximale de 300mA sur une longue durée.

R = U / I = 1,5 / 0,3 = 5 ohms
On peut donc théoriquement utiliser une résistance de 5 ohms pour recharger un supercondensateur à partir d'une pile AA.

Voilà ce que ça donne dans 123D Circuits :

supercondensateur pileaa resist

La simulation 123D Circuits est accessible depuis ce lien :
http://123d.circuits.io/circuits/632938-charger-un-supercondensateur-avec...
(Cliquer sur "Start Simulation" pour démarrer la recharge du supercondensateur)

L'Ampèremètre est branché en série et le Voltmètre en parallèle.

On peut constater que plus le supercondensateur se charge, moins le courant est élevé. Lorsque le supercondensateur arrive au niveau de tension de la pile (1,5V), il n'y a plus de courant à passer.

Pourquoi 3 résistances et pas une seule ?
La puissance maximale acceptée par les petites résistances les plus répandues est de un quart de watt (0,25 Watt). Avec une intensité de 300mA, cela donne :
P = U x I = 1,5 x 0,3 = 0,45 watt.

Il faut donc au moins deux résistances pour dissiper la chaleur émise au niveau des résistances.
Avec une résistance de 3 ohms appelée R1 et une résistance de 2 ohms R2, on a bien R1+R2 = 3+2 = 5 ohms.
Un = Utot x Rn / Rtot
U1 = 1,5 x 3 / 5 = 0,9 V
U2 = 1,5 x 2 / 5 = 0,6 V
P1 = U1 x I = 0,9 x 0,3 = 0,27 watt
P2 = U2 x I = 0,6 x 0,3 = 0,18 watt

Avec une résistance de 3 ohms et une résistance de 2 ohms, on dépasse toujours la puissance maximale autorisée au niveau de la résistance de 3 ohms. Il faut donc prendre deux résistances de 2 ohms et une résistance de 1 ohm.

Pour faire plus simple, on peut aussi utiliser des résistances 0,5 Watt ou mettre une seule résistance de 10 ohms, ce qui diminuera l'intensité maximale à 150mA (I = U / R = 1,5 / 10 = 0,15A = 150mA) et ralentira donc la charge...

Nous avons prévu une résistance totale de 5 ohms, mais comme le courant décroît très rapidement au départ, nous aurions pu mettre une résistance totale plus faible afin d'augmenter la rapidité de charge. En effet, 300mA est l'intensité maximale supportée par la pile AA sur une longue durée. Les piles AA peuvent supporter des courant plus élevés sur de très courtes durée. Mais comme nous ne connaissons pas l'intensité maximale courte durée supportée et comme nous ne souhaitons pas prendre de mauvaises habitudes, on s'en tiendra à une résistance totale de 5 ohms.

Dans EveryCircuit :

charge avec pile AA

La simulation Everycircuit est accessible pour les navigateurs Google Chrome ou les smartphones/tablettes Androïd et iOS depuis ce lien :
http://everycircuit.com/circuit/6010697873883136
(Cliquer sur l'interrupteur pour démarrer la charge du supercondensateur)

Dans notre exemple, nous avons pris un condensateur de 1 Farad pour faire office de supercondensateur. Nous aurions pu sélectionner une valeur de 3000 Farads, mais le chargement aurait été beaucoup plus long. Certes, les supercondensateurs sont capables d'être rechargés beaucoup plus rapidement. Mais ici, nous sommes limité par l'intensité maximale que peut délivrer une pile AA.

Dans les exemples suivants, nous limiterons également la vitesse de charge pour les mêmes raisons, mais aussi car nous souhaitons pouvoir recréer les simulations sur Breadboard. Or celles-ci sont prévues pour résister à une puissance de 5 watts.

Dès lors, pour exploiter au mieux la vitesse de charge d'un supercondensateur, il faudra utiliser des sources de courant plus puissantes ainsi que les connectiques appropriées.

Charger un supercondensateur avec une pile AA, c'est bien, mais on ne peut pas dépasser les 1,5 volts. On préférera donc utiliser une source de tension plus élevée, quitte à la réguler pour atteindre la tension désirée...

Charger avec 2 piles AA et une diode anti-retour

Utiliser des piles AA, c'est bien pour faire des tests, mais ce n'est évidemment pas la solution optimale pour recharger des supercondensateurs.

Lorsqu'on utilise une pile AA (ou AAA) pour recharger un supercondensateur, il faut par ailleurs penser au moment où la pile sera déchargée. Lorsqu'une pile est presque totalement déchargée, il y a une chute de tension à ses bornes. Il faut donc rajouter une diode pour empêcher le courant de retourner du supercondensateur vers la pile en cas de chute de tension de la pile.

L'avantage ici, c'est qu'une diode standard provoque une chute de tension d'environ 0,7V. Donc il suffit de brancher deux piles AA en série et de relier celles-ci à une résistance et une diode anti-retour pour recharger quasiment entièrement un supercondensateur.

Deux piles AA de 1,5V en série équivaut à une pile de 3V. En soustrayant la chute de tension de 0,7V, on arrive à 2,3V. En réalité, lorsque le supercondensateur arrive à 2,3V, l'intensité du courant de recharge devient très faible et la chute de tension d'une diode comme la 1N4007 devient plus petite et peut alors passer à 0,5V. Donc en attendant suffisamment longtemps, on peut recharger ainsi un supercondensateur à 2,5V.

Voilà ce que ça donne dans 123D Circuits :

Charge supercondensateur avec 2 piles AA et une diode

La simulation 123D Circuits est accessible depuis ce lien :
https://123d.circuits.io/circuits/774289-charge-supercondensateur-avec-2-piles-aa...
(Cliquer sur "Start Simulation" pour démarrer la recharge du supercondensateur)

Charger avec 2 piles AA et une diode Zener : mauvaise idée

Une autre solution à celle de provoquer une chute de tension par une simple diode est d'utiliser à la place une diode Zener pour réaliser un régulateur shunt.

Il existe des diodes Zener 2,4V qui laissent donc passer le courant lorsque la tension dépasse 2,4V. Si on branche une telle diode Zener en parallèle avec une charge, la tension de sortie sera limitée au niveau de la tension Zener.

Attention toutefois, les diodes ont des puissances maximales de fonctionnement. Les diodes Zener de 2,4V sont souvent limitées à 400mW. Il faut donc limiter le courant :
I = P / U = 0,4 / 2,4 ≈ 0,16 = 160mA

Pour limiter le courant à 160mA, il faut une résistance de :
R = U / I = (3-2,4) / 0,16 = 0,6 / 0,16 ≈ 4 ohms
(On pourrait aussi compter la résistance ohmique de la diode...)

Les piles AA supportent un courant de 300mA maximum (sur longue durée), il faut donc limiter le courant avec une seconde résistance :
R = U / I = 3 / 0,3 = 10 ohms
R2 = R - R1 = 10 - 4 = 6 ohms

Si on devait brancher un supercondensateur complètement vide comme charge, tout le courant irait dans le supercondensateur en début de charge et il n'y aurait alors aucune régulation par la diode Zener au début de la charge, même avec une résistance de 6 ohms en série avec le supercondensateur.

Résultat : en début de charge, une tension de 3V est appliquée aux bornes du supercondensateur dont la tension nominal est souvent de 2,7V. Cela a pour conséquence de réduire la durée de vie du supercondensateur et d'augmenter sont taux d'autodécharge.

Voici le circuit sous EveryCircuit :
http://everycircuit.com/circuit/6549770761928704

Après avoir fermé les interrupteurs sous EveryCircuit, on constate qu'aucun courant ne passe dans la diode Zener en début de charge...

Pour s'assurer qu'un régulateur Zener fonctionne, il faut que la résistance de charge (Rc) soit suffisamment élevée par rapport à la résistance source (Rs) pour qu'un minimum de courant passe par la diode Zener. L'équation suivante doit être satisfaite :
Rs(max) = (Vs(min)/Vz - 1) x Rc(min)         (Vs=tension source, Vz=Tension zener)
Autre formule équivalente :
Rs(max) = (Vs(min) - Vz) / Ic(max)

On peut donc augmenter la valeur de la résistance R2 pour éviter cet écueil, mais cela réduira alors la vitesse de recharge du supercondensateur.

La régulation de charge d'un régulateur Zener n'est pas adaptée lorsque le courant consommé varie dans de grandes proportions. Hors, la charge d'un supercondensateur depuis une source de tension fait fortement varier l'intensité du courant.

Par ailleurs, dans un tel circuit il ne faut pas oublier de débrancher le supercondensateur une fois que la tension à ses bornes est suffisante. Sinon, les piles continuent de se décharger à travers la diode Zener. Il est d'ailleurs préférable d'ajouter une diode supplémentaire pour protéger les piles dans le cas où elles seraient vidées et donc en cas de chute de leur tension.

Si la source de courant est un panneau solaire, les choses sont différentes. En effet, brancher un supercondensateur déchargé à presque 0 Volt sur un panneau solaire correspond à un branchement en court-circuit et le panneau solaire donne alors une tension de presque 0V et un courant maximum. Avec la courbe caractéristique tension-courant d'un panneau solaire, le shunt par diode Zener fonctionne donc correctement. Par ailleurs, il n'y a pas besoin de débrancher les panneaux solaires en fin de charge...
Le shunt par diode Zener est la solution choisie par Richard pour sa brique solaire éternelle en version 2.0. La version 3.0 utilise une solution plus efficace...

Les diodes Zener ne sont pas un moyen très efficace, ni très fiable pour réguler la tension. En effet, la tension nominale varie en fonction de la température ambiante et de l'intensité du courant. Pour en savoir plus sur la diode Zener utilisée comme régulateur de tension :
http://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_diode_zener.html

Remplacer la diode Zener par une LED : attention, c'est risqué !

lampe supercondensateur led

Jusqu'à présent, pour savoir si le supercondensateur est bien chargé, il faut utiliser un voltmètre. Une solution risquée pour connaître facilement le niveau de charge du supercondensateur est d'utiliser une LED à la place d'une diode Zener. C'est la solution qu'a adopté Antoine ROUSSEL sur son blog "La famille créative" pour faire sa lampe de poche à supercondensateur avec recharge USB.

Voici ce que ça donne sur 123D Circuits :

charge supercondensateur usb led

Voici le lien vers la simulation (Cliquer sur "Start simulation") :
http://123d.circuits.io/circuits/633183-charger-un-supercondensateur-en-usb...

Le port USB délivre du 5V. Comme certains ordinateurs ne peuvent délivrer que du 100mA, Antoine a limité le courant avec une résistance de 56 ohms (5V/56Ω=89mA). Aujourd'hui, la grande majorité des ordinateurs peuvent délivrer 500mA, mais il faut de toute façon éviter que la LED ne grille directement. Au départ, Antoine avait utilisé une diode Zener, puis il a utilisé une LED pour faire office de régulateur shunt, en précisant bien qu'il débranche son dispositif du port USB dès que la LED s'allume.

En effet, la puissance reçue par la LED devient vite trop élevée et la LED risque de griller. Les LED n'ont pas toutes les mêmes caractéristiques et il faut donc faire attention lorsque l'on se lance dans la fabrication de tels circuits. Dans la simulation 123D Circuits, nous avons utilisé un supercondensateur de 1 Farad seulement pour diminuer la durée de la charge. Avec un supercondensateur de 10 Farads, on a un peu plus de temps pour débrancher le dispositif avant que la LED ne grille.

Autre problème important : la diode ne fait pas office de régulateur de tension ! C'est en fait du 5V qui est appliqué aux bornes du supercondensateur. Même si la tension interne du supercondensateur augmente graduellement, il faut éviter d'appliquer une tension supérieure à sa tension nominale aux bornes d'un supercondensateur. Cela a pour conséquence une détérioration de l'électrolyte et une diminution de la durée de vie du supercondensateur. Pour une faible intensité de charge, les risques sont limités, mais ce mode de recharge est vraiment déconseillé.

Cependant, Antoine a utilisé une autre technique intéressante pour exploiter l'énergie du supercondensateur afin d'alimenter une LED : un Joule Thief.

Le Joule Thief (littéralement "Voleur de Joule") est une sorte de convertisseur Flyback très simple permettant de convertir une tension faible en une tension plus élevée. Pour comprendre ce qu'est le Joule Thief et découvrir d'autres solutions plus performantes encore, voir notre article : Utiliser un supercondensateur pour allumer une LED.

Charger un supercondensateur 5,5V depuis du 5V

Il existe des supercondensateurs 5,5V qui sont en fait réalisés à partir de 2 supercondensateurs reliés en série et qui sont parfois équipés en interne d'un équilibreur de charge. Les supercondensateurs 5,5V sont donc beaucoup plus volumineux que les supercondensateurs 2,7V de capacité équivalente.

La recharge d'un supercondensateur 5,5V depuis une source de tension de 5V fonctionne de la même manière que la recharge d'un supercondensateur 2,7V depuis une pile AA de 1,5V. Il faut cependant que la source de tension soit fiable et ne dépasse pas (ou de très peu) les 5 volts. Attention, car les petits supercondensateurs 5,5V de 1F sont souvent réservés pour faire des alimentations de sauvegarde et sont conçus pour une recharge à faible courant. Les supercondensateurs à plus forte capacité mais à bas prix ne sont pas souvent équipés de système d'équilibrage de tension et il faudra alors arrêter la charge à 4,5V ou moins pour préserver un minimum la longévité de ces supercondensateurs.

Les sources de tension de 5V sont assez répandues et il y en a notamment une qui va s'avérer de plus en plus intéressante pour la recharge des supercondensateurs : le port USB. En effet, l'USB 3.1 (et notamment le connecteur USB type C) arrive petit à petit et il devrait permettre à terme d'utiliser un courant plus important qu'avec les ports USB 2 et 3.

supercondensateur usb led

Voici un exemple très simple de supercondensateur 5,5V chargé par USB pour allumer une LED :
http://www.bustatech.com/supercapacitor-usb-light/
La première version était risquée pour le port USB car il n'y avait pas de résistance limitant l'intensité du courant. Par défaut, les ports USB des ordinateurs d'aujourd'hui peuvent délivrer 500mA. Sans négociation avec le port USB, il faut donc mettre une résistance de 10 ohms (R = U / I = 5 / 0,5 = 10). Attention : la puissance délivrée en début de charge est de 2,5W (P = U x I = 5 x 0,5 = 2,5). Il faudrait donc logiquement utiliser une résistance 2,5W.

Dans cet exemple, le supercondensateur est rechargé très rapidement car il a une faible capacité. Mais le supercondensateur est capable d'absorber une intensité de courant beaucoup plus importante, ce qui peut permettre de recharger plus rapidement de gros supercondensateurs. L'idéal est donc de pouvoir demander plus de puissance au port USB...

L'USB Power Delivrery 2.0 est une norme qui prévoit différents profils de recharge depuis un port USB permettant d'aller jusqu'à une puissance de 100 Watts ! L'alimentation pouvant fonctionner dans les deux sens, il est ainsi possible dans certains cas d'alimenter un ordinateur portable avec un port USB, ou bien de charger rapidement des appareils externes depuis le port USB d'un ordinateur. Attention cependant, le fait d'avoir un port USB 3.1 ne garanti pas que l'ordinateur est compatible avec l'USB Power Delivrery 2.0. De plus, le fait de disposer de l'USB Power Delivrery ne garanti pas que l'ordinateur puisse délivrer le profil 5 permettant d'atteindre une puissance de 100 Watts (loin de là). Mais les chargeurs USB à haute puissance arrivent et espérons que petit à petit les ordinateurs seront capables de délivrer de plus en plus de puissance électrique. Ceci permettra de recharger plus rapidement les supercondensateurs et nous verrons donc apparaître de nouveaux produits rechargeables rapidement par port USB grâce aux supercondensateurs.

Pour utiliser l'USB Power Delivrery, il faut utiliser un petit Circuit Intégré permettant de "négocier" avec le port USB afin que celui-ci autorise l'utilisation d'un des profils suivants :

  • Profil 1 : 5V / 2A → 10W
  • Profil 2 : 5V / 2A et 12V / 1.5A → 18W
  • Profil 3 : 5V / 2A et 12V / 3A → 36W
  • Profil 4 : 5V / 2A et 12V ou 20V / 3A → 60W
  • Profil 5 : 5V / 2A et 12V ou 20V / 5A → 100W

L'idée est de pouvoir recharger très rapidement et simplement des appareils électroniques qui seraient plus utiles que les petits gadgets USB que l'on voit parfois. Ainsi, une lampe USB pourrait se recharger en quelques secondes pour plusieurs dizaines de minutes d'éclairage. On pourra aussi avoir des souris d'ordinateur qui se rechargeront plus rapidement encore et pour plus d'autonomie que la Souris sans fil à supercondensateur Genius DX-Eco.

En attendant l'augmentation de la puissance électrique délivrable par les ordinateurs, on peut toujours utiliser des chargeurs USB à prise secteur murale. Certains modèles permettent déjà de délivrer une intensité de 2,4A comme le RAVPower 2 ports USB .

L'adoption future de chargeurs universels avec connecteur USB de type C pourra également simplifier la recharge ultra-rapide d'appareils équipés de supercondensateurs.

A noter que les ports USB 3.0 des ordinateurs permettent tout de même de délivrer 900mA après négociation...

Charger un supercondensateur avec un régulateur série

Comme nous l'avons vu, les régulateurs shunt par diode Zener ne sont pas ce qu'il y a de plus fiable et ne peuvent fonctionner que pour une intensité de courant très limitée. Il est possible d'ajouter un transistor afin d'utiliser le gain du transistor pour améliorer la fiabilité de la tension de sortie, mais il faut alors utiliser une autre diode Zener de tension plus basse, car la tension de sortie est alors égale à :
Uout = Uzener + Ube (Ube = tension base-émetteur du transistor)

Cependant, la tension Ube varie et il ne faut pas se tromper sur la valeur de la diode Zener à utiliser.

Les régulateurs shunt sont simples à réaliser, mais ils ne sont pas toujours très fiables et ont un faible rendement.

Une solution est d'utiliser un transistor ballast (transistor de puissance) et une diode Zener pour réaliser un régulateur série afin d'obtenir un meilleur rendement énergétique. Il faut alors utiliser une source de tension plus élevée car la tension de sortie est égale à la tension Zener moins la tension base-émetteur du transistor. Mais pour avoir un régulateur série plus stable et intégrant un minimum de sécurité, on peut utiliser des Circuits Intégrés dédiés.

Voici à quoi ressemble le circuit interne des régulateurs de tension LM78XX :

lm78xx_schema

On comprend bien qu'il est plus facile d'utiliser un Circuit Intégré qui comprend tous ces composants dans un seul de taille très réduite...

Les régulateurs de la famille LM78XX sont les plus connus, mais on ne peut pas les utiliser dans tous les cas. On peut par exemple s'en servir pour abaisser la tension à 5V lorsque l'on ne dispose que d'une alimentation en 9V...

Charger avec une pile 9V et un régulateur intégré LM7805

Parmi les régulateurs de tension intégrés, la famille des régulateurs LM78XX est la plus connue. Ces régulateurs de tension fixe sont peu chers et faciles à utiliser. La série LM78XX permet d'obtenir la tension représentée par les "XX". Ainsi, le LM7805 permet d'abaisser la tension à 5 volts. Voici les modèles existants : LM7805, LM7806, LM7808, LM7810, LM7812, LM7815, LM7818, LM7824.

Le choix de tension de sortie est limité. On ne pourra donc pas recharger un supercondensateur standard de 2,7V, mais éventuellement un supercondensateur de 5,5V. Attention tout de même car les régulateurs LM78XX ne sont pas tous très précis.

En effet, un régulateur LM7805 peut réguler en réalité la tension à une valeur comprise entre 4,8V et 5,2V (les régulateurs LM78XX CT ont une tolérance de 4%, tandis que les régulateurs LM78XX ACT ont une tolérance de 2%).

Par ailleurs, il y a des pertes d'énergie importantes et pour utiliser un LM7805 il faut au moins une source de tension de 7 à 7,3 volts (et un au maximum de 20V). Selon l'intensité du courant et la différence de tension entre la source et la sortie, il peut être nécessaire d'utiliser un petit radiateur pour dissiper la chaleur.

Lorsque le LM7805 est à plus de 15 cm d'un condensateur de filtrage d'alimentation non régulée, l'inductance des fils de connexion peut engendrer des oscillations internes au Circuit Intégré. Pour cette raison, les constructeurs recommandent l'utilisation d'un condensateur de découplage sur la broche 1. Pour améliorer la réponse transitoire de la tension régulée, un autre condensateur de découplage est parfois connecté à la broche 2. Le LM7805 a une intensité maximale de sortie de 1,5 A.

Voici un régulateur LM7805 et un exemple de circuit de régulation de tension utilisant le LM7805 :

Pour en savoir un peu plus sur les régulateurs de tension, il y a des explications assez claires ici :
- http://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_reg_tension.html
- http://www.electronique-3d.fr/Les_regulateurs_de_tension.html

Charger un supercondensateur 2,7V avec un régulateur ajustable LM317

Les régulateurs de tension ajustables permettent de "programmer" la tension de sortie dans le cadre d'une plage de tension possible. Parmi les régulateurs ajustables les plus répandus, deux peuvent nous intéresser : le LM317 et le LM338.

Le régulateur LM317 peut délivrer une tension de 1,25 à 37 volts, pour une intensité maximale de 1,5A. Il a besoin d'une tension d'entrée supérieure de 2 volts à la tension de sortie pour fonctionner.

Le régulateur LM338 peut délivrer une tension de 1,2 à 32 volts, pour une intensité maximale de 5A. Il a besoin d'une tension d'entrée supérieure de 2,7 volts à la tension de sortie pour fonctionner.

Comme le LM7805, ces régulateurs possèdent un interrupteur thermique qui ouvre le transistor ballast et coupe la régulation si la température de la puce devient trop forte et qui la rétablit si la température redescend suffisamment. En effet, ces régulateurs peuvent devenir très chauds et il faut leur adjoindre un radiateur pour dissiper la chaleur.

Pour régler la tension de sortie, on se sert d'un potentiomètre et de résistances. Lorsque l'on souhaite avoir une tension de sortie la plus précise possible, il est préférable d'utiliser un potentiomètre monté en série avec une résistance talon. Cela limite la plage de variation de la tension, mais la tension de sortie est alors fixée de façon plus précise. Par ailleurs, comme pour le LM7805, il est préférable d'ajouter des petits condensateurs pour améliorer le fonctionnement et la stabilité du régulateur de tension. Ceci est particulièrement bien expliqué ici :
http://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_reg_tension.html

Il existe des modules prêts à l'emploi pour utiliser un régulateur de tension LM317 :

Recharger un supercondensateur avec un régulateur LDO

Les régulateurs de tension fixes ou ajustables présentés ci-avant nécessitent une tension d'entrée supérieure de 2 à 3 Volts à la tension de sortie afin de fonctionner correctement. Ceci constitue une contrainte et une perte de rendement énergétique manifeste qui générera d'autant plus de chaleur que l'intensité du courant sera élevée.

Pour améliorer ce point, il existe des régulateurs de tension intégrés à faible chute de tension : les régulateurs LDO (Low Drop Out). La tension d'entrée peut alors être supérieure à la tension de sortie de seulement quelques dixièmes de volt (0,15 à 1 volt en général). Il existe aussi des régulateurs VLDO (Very Low Drop Out) qui fonctionnent avec une très faible tension de déchet : 0,1V seulement.

La marge de tension nécessaire peut varier pour un même composant : plus l'intensité du courant est grande, plus la tension de déchet requise est importante. Ainsi, le régulateur de tension fixe LDO LM2940CT-5 qui délivre du 5V a une tension de déchet de 0,8V à 1A et de 0,15V à 100mA :
http://www.mouser.fr/ProductDetail/Texas-Instruments/LM2940CT-50-NOPB...

Ces régulateurs de tension intégrés sont un peu plus onéreux et donc un peu moins utilisés.

Recharger un supercondensateur avec un convertisseur DC-DC buck

lm2596

Convertisseur Buck LM2596

Les régulateurs de tension série tels que les LM78XX sont bien pratiques, mais pour une marge de tension usuelle, leur rendement se situe entre 40% et 50%. Pour obtenir de meilleurs rendements, il faut alors utiliser des convertisseurs de tension : les convertisseurs DC-DC convertissent une tension continue en une autre tension continue, tandis que les convertisseurs AC-DC convertissent une tension alternative en une tension continue...

Les convertisseurs DC-DC, lorsqu'ils servent à réguler la tension sont aussi appelés "régulateurs à découpage" ou "alimentation à découpage" (les régulateurs série sont des régulateurs linéaires).

Le principal inconvénient des régulateurs linéaires par rapport aux régulateurs à découpage est qu'ils se comportent comme des résistances variables dissipant ainsi beaucoup d'énergie et générant beaucoup de chaleur. De plus, les régulateurs à découpage sont plus souples que les régulateurs linéaires car ils peuvent aussi servir à augmenter la tension.

Les régulateurs à découpage sont par contre plus complexes à réaliser et sont donc un peu plus onéreux. Autre inconvénient : dans certains cas, ils génèrent des émissions parasites qui émettent du bruit.

Cependant, les régulateurs à découpage ont été améliorés au fil du temps et ils sont de plus en plus utilisés et avec un prix de revient de plus en plus bas. Ils ont donc remplacé les régulateurs linéaires pour les applications requérant un minimum de puissance (quelques watts). En 1975, les alimentations à découpage étaient plus rentables que les alimentations linéaires à partir d'un niveau de puissance de l'ordre de 500 W. Aujourd'hui, le point de rentabilité est descendu à une puissance inférieure à 5 Watts.

Ces convertisseurs de tensions peuvent servir selon les modèles à abaisser une tension, élever une tension, ou les deux à la fois si la source de tension est fluctuante. Il existe plusieurs techniques pour créer des régulateurs à découpage. Certains sont plutôt simples et ne nécessitent pas de transformateurs (buck, boost). Ceux-ci sont suffisants pour gérer des puissances inférieures à 150W et lorsque les différences entre tension d'entrée et de sortie ne sont pas extrêmement élevées. D'autres utilisent un transformateur et sont de complexité moyenne (flyback) pour des puissances toujours inférieures à 150W. Enfin, il existe des convertisseurs pour les hautes puissances (push-pull, bridge) qui sont d'une grande complexité.

Voici des liens intéressants sur les différents types de convertisseurs :

Nous nous intéresserons ici aux buck / boost et buck-boost qui sont très utilisés :
- Les convertisseurs buck sont des abaisseurs de tension
- Les convertisseurs boost sont des élévateurs de tension
- Les convertisseurs buck-boost sont abaisseurs et élévateurs de tension

Voici les schémas très simplifiés de ces convertisseurs :

buck boost schema

Convertisseur buck à gauche, boost au milieu et buck-boost à droite

Le principe de fonctionnement du convertisseur DC-DC buck peut s'expliquer ainsi : lorsque le commutateur est sur la position 1, la source de courant alimente le circuit qui entraîne une tension de sortie à travers la résistance et le courant traversant l'inductance augmente linéairement. Lorsque le commutateur change de position à 0, l'énergie stockée dans l'inductance et le condensateur se décharge à travers la résistance. En commandant de manière appropriée la position du commutateur, on peut maintenir la tension de sortie à un niveau désiré inférieur à la source.

Pour effectuer la commutation, on utilise un oscillateur rectangulaire et un certain nombre de portes logiques (+ une diode pour réduire les coûts ou en synchronisant les interrupteurs pour un meilleur rendement). Les convertisseurs sont disponibles sous forme de Circuits Intégrés. Cependant, comme on ne peut pas tout miniaturiser au sein d'un Circuit Intégré, il faut connecter un certain nombre de composants aux Circuits Intégrés pour réaliser un convertisseur DC-DC opérationnel.

Voici le schéma du LM2596, un convertisseur buck très utilisé :

schema lm2596

On peut remarquer qu'il faut ajouter des condensateurs, une diode Schottky, des résistances et une inductance pour faire fonctionner le Circuit Intégré.

Le LM2596 supporte en entrée une tension de 4,5V à 40V et délivre une tension ajustable entre 1,23V et 37V (±4%) pour une intensité maximale de 3 ampères. Son efficacité peut atteindre 92%.
Fiche produit : http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/LM2596-D.PDF

Il existe des modules intégrant tous ces éléments pour un tarif très abordable (entre 1 et 2 € sur Amazon.fr) :

On peut constater qu'il n'y a pas de radiateur comme pour les modules équipés des régulateurs LM7805 ou LM317. En effet, le rendement étant meilleur avec le LM2596, il y a moins de dégagement de chaleur. Pour de fortes intensités, il est toutefois nécessaire de rajouter un radiateur.

Caractéristiques de ce module abaisseur de tension utilisant le LM2596 :

Entrée : 4V-35V
Sortie : 1,23 V-30V (réglable)
Courant de sortie : 2A nominale (MAX 3A) (besoin d'ajouter dissipateur de chaleur)
Efficacité de conversion : jusqu'à 92%
Fréquence de commutation : 150KHz
Vague de rendement : 30mV (max.)
Régulation de charge : ± 0,5%
Régulation de tension : ± 2,5%
Température de fonctionnement : -40°C à +85°C
Taille : environ 48 x 23 x 14 mm
Les ports d'entrée et de sortie sont inclus

Avec du 5V en entrée, ce module peut abaisser la tension à 2,52V, ce qui est très bien pour la charge d'un supercondensateur 2,7V.

Avec les régulateurs à découpage, on a déjà un bien meilleur rendement qu'avec un régulateur linéaire. Mais analysons de plus près les rendements énergétiques et la rapidité de charge spécifique aux supercondensateurs...

Source de tension constante versus source de courant constant

En électricité on trouve des sources de tension plus ou moins constantes et des sources de courant plus ou moins constants.

Une source de tension constante idéale est par exemple une batterie parfaite dont la résistance interne est nulle et qui donne une tension de sortie constante quelles que soient les variations de la résistance de charge. Seul le courant de sortie change.

Une source de courant constant à contrario donne un même courant continu pour différentes valeurs de la charge. Un exemple est une batterie avec une grande résistance interne ou tout simplement les panneaux solaires. En effet, lorsque la résistance interne du générateur est très élevée, la variation de la résistance de la charge influe très peu sur le courant qui reste donc constant.

On considère qu'un générateur est une source de courant constant lorsque sa résistance interne est au moins 100 fois plus grande que la résistance de charge.

Pour visualiser les caractéristiques de charge des supercondensateurs, nous présentons ci-dessous des simulations réalisées avec le logiciel LTspice (Cf. Breadboard et simulateurs de circuits électroniques).

Pour les supercondensateurs (et les condensateurs), le type de source est particulièrement important car les courbes de charge et les rendements énergétiques sont très différents lorsque l'on utilise une source de tension constante ou une source de courant constant :

Charge supercondensateur à tension constante

Charge d'un supercondensateur 10 Farads à tension constante

Charge supercondensateur à courant constant

Charge d'un supercondensateur 10 Farads à courant constant

Charge supercondensateur

Comparaison de charge à tension constante et à courant constant

On voit que pour une intensité de courant de 1 ampère, un supercondensateur de 10 Farads met prêt de 3 minutes pour être rechargé à 2,5 Volts, alors que 25 secondes suffisent avec une source de courant constant de 1 ampère. Attention, avec une source de courant constant il faut en plus ajouter un interrupteur qui s'ouvre une fois la tension désirée atteinte, sinon la limite de tension du supercondensateur est vite dépassée !

Charge supercondensateur

Evolution de l'intensité du courant pendant la charge

On constate que lors d'une charge à tension constante, l'intensité du courant diminue proportionnellement à l'augmentation de la tension aux bornes du supercondensateur. Lorsque la tension aux bornes du supercondensateur arrive au niveau de tension fourni par le générateur, le supercondensateur se comporte comme un coupe circuit : il n'y a plus de courant à passer.

Observons maintenant le rendement énergétique...

Charge supercondensateur

Puissance absorbée par le supercondensateur (en vert) et puissance dissipée par la résitance (en bleu)

Charge supercondensateur

Puissance utilisée (vert et bleu) et puissance fourni par le générateur (rouge)

On constate que la résistance dissipe énormément de puissance en début de charge, puis de moins en moins... C'est une caractéristique de la charge des condensateurs par une source de tension constante : seule la moitié de l'énergie fourni par le générateur est absorbée par le supercondensateur. Le reste est dissipé sous forme de chaleur (effet joule). Ceci est vrai quelque soit la valeur de la résistance.

Que d'énergie gaspillée !

Mais ceci n'est plus du tout vrai lors de la charge depuis une source de courant constant. Avec un circuit virtuel parfait composé d'une source de courant constant parfaite et d'un condensateur sans résistance interne, toute l'énergie fournie par le générateur est absorbée par le condensateur :

Charge supercondensateur

Puissance utilisée (vert) et puissance fourni par le générateur (rouge)


Voici une vidéo présentant l'analyse de la charge et d'un condensateur depuis une source de tension :
Analyser charge et décharge d'un condensateur sous Orcad PSPICE LITE 165

Heureusement, lorsque l'on dispose uniquement d'un générateur à tension constante, on peut transformer la source d'énergie en source de courant constant pour obtenir de meilleures performances. Voici quelques exemples de circuits permettant de le faire :
http://www.sonelec-musique.com/electronique_bases_gene_courant.html

En fait, c'est aussi ce que font certains convertisseurs buck : il transforment une source de tension constante en source de tension constante de plus faible valeur mais aussi avec un courant constant (ou plutôt moyen constant). Résultat : une plus grande rapidité de charge pour un meilleur rendement énergétique... Attention, la conversion en courant constant est plus ou moins bien assurée selon les convertisseurs et selon la différence entre tension d'entrée et tension de sortie. Il peut donc y avoir de grandes différences de performances pour la charge des supercondensateurs selon le convertisseur utilisé.

Il est bien évident que les électroniciens ne cherchent pas à optimiser la vitesse de charge ou le rendement énergétique pour charger de simples condensateurs de quelques micro-farads. Les besoins sont différents lorsque l'on souhaite charger des banques de supercondensateurs de 3000 Farads. L'utilisation de composants dédiés pour optimiser la charge est alors justifié...

Comparaison de la charge d'un supercondensateur selon différents circuits

Pour comparer différents circuits de charge d'un supercondensateur (ou d'un condensateur), nous allons simuler la charge d'un condensateur de 1mF (1 milliFarad). En effet, les calculs sont très complexes et demandes beaucoup de ressources processeur lorsqu'on analyse la charge avec un convertisseur DC-DC. Nous préférons donc prendre une petite capacité pour représenter le supercondensateur afin de réduire le temps de calcul.

Rappelons les caractéristiques de charge d'un condensateur à partir d'un générateur de tension constante et d'un générateur de courant continu, pour un condensateur de 1mF et un courant de base de 1 ampère :

Schéma charge à tension et à courant constant

Charge à tension constante (à gauche) et à courant constant (à droite)

Evolution de la tension (vert) et de l'intensité (bleu) pour charge à tension constante

Evolution de la tension (vert) et de l'intensité (bleu) pour charge à tension constante

Evolution de la tension (vert) et de l'intensité (bleu) pour charge à courant constant

Evolution de la tension (vert) et de l'intensité (bleu) pour charge à courant constant


Voici maintenant les caractéristiques de charge lorsqu'on utilise le Circuit Intégré LM317 pour réguler une source de tension de 5V afin de l'abaisser à une tension de 2,5V :

Schéma circuit de charge d'un supercondensateur avec le régulateur LM317

Schéma circuit de charge d'un supercondensateur avec le régulateur LM317

Evolution de la tension et de l'intensité lors de la charge avec régulateur LM317

Evolution de la tension et de l'intensité lors de la charge avec régulateur LM317

Nous n'avons pas trouvé de modèle LTspice pour simuler la charge avec le convertisseur LM2596, mais la société Linear Technology propose un certains nombre de convertisseurs adaptés pour la charge des supercondensateurs et propose des modèles LTspice pour certains d'entre eux.

Voici la page recensant les convertisseurs Linear Technology adaptés à la charge des supercondensateurs :
www.linear.com/parametric/supercapacitor_chargers

Analysons donc la charge d'un supercondensateur avec un circuit utilisant le convertisseur Buck-Boost LTC3127 :

Schéma circuit de charge d'un supercondensateur avec le convertisseur LTC3127

Schéma d'un circuit de charge d'un supercondensateur avec le convertisseur LTC3127

Charge d'un supercondensateur avec le convertisseur LTC3127

Charge d'un supercondensateur avec le convertisseur LTC3127

On constate que malgré une intensité plus forte en entrée de 1,4A pour le LM317 contre 1A (ligne rouge) pour le LTC3127, la charge est bien plus rapide avec le LTC3127. La vitesse de la charge avec le LM317 diminue régulièrement avec les caractéristiques d'une charge depuis une source de tension. D'un autre côté, l'évolution de la tension lors de la phase de charge avec le convertisseur LTC3127 ressemble plus aux caractéristiques de charge depuis une source de courant constant.

chargeur supercondensateur lm317

Voici un exemple de circuit permettant la recharge de supercondensateurs à partir d'un régulateur LM317 :
http://www.instructables.com/id/The-Forever-Rechargeable-VARIABLE-Super-Capacitor-/?ALLSTEPS
Pour augmenter la vitesse de charge, il est possible de positionner des jumpers au milieu de la charge afin de diminuer la valeur des résistances. Cela permet de compenser la baisse d'intensité progressive due à la charge depuis une source de tension. C'est un concept intéressant, mais ce n'est évidemment pas industrialisable...

L'utilisation du convertisseur Buck-Boost LTC3127 est plus efficace et permet de recharger le supercondensateur en 1,6ms contre 2,5ms avec une source de courant constante de 1 ampère. En effet, le convertisseur va utiliser l'énergie excédentaire issue de la conversion de la tension de 5V en une tension de 2,42V afin d'augmenter l'intensité de charge.

Pour une tension de 5V et une intensité en entrée de 1A (en moyenne), le convertisseur va sortir une tension de 2,42V à une intensité constante moyenne de 1,5A. En fait, le LTC3127 fait encore mieux qu'une charge à courant constant, il fait une recharge à puissance constante. Voir cette explication (en anglais) de Maxwell Technologies sur la recharge à puissance constante.

On voit bien ici les caractéristiques d'un régulateur à découpage avec le courant qui est "haché" par le convertisseur. Voici ce que l'on peut voir lorsqu'on fait un zoom :

Zoom sur la charge d'un supercondensateur avec le convertisseur LTC3127

Vue sur le hachage avec le convertisseur LTC3127

Les convertisseurs de tension sont un très bon moyen pour recharger efficacement les supercondensateurs. Ils sont de plus en plus utilisés et leur prix ne cesse de baisser. Par ailleurs, le développement du marché des supercondensateurs pousse à l'élaboration de convertisseurs plus performants encore et adaptés à la charge ou à l'exploitation des supercondensateurs.

Les convertisseurs de tension lorsqu'ils sont utilisés pour augmenter la tension sont également un très bon moyen d'utiliser efficacement le réservoir d'énergie des supercondensateurs. Nous en parlons en détail dans notre article Utiliser un supercondensateur pour allumer une LED.

La recharge d'un supercondensateur à partir du module convertisseur LM2596 présenté plus haut est moins performante qu'avec le convertisseur spécialisé LTC3127, car le LM2596 ne garantit pas un courant constant. Mais pour 1 à 2 euros le module, on peut difficilement se plaindre...

Nous invitons les internautes ayant les connaissances suffisantes en électronique pour réaliser des montages électroniques en toute sécurité à partager leurs expériences en nous envoyant des photos et explications avec les schémas de leurs circuits électroniques. Les projets intéressants seront publiés sur supercondensateur.com dans la rubrique DIY / Bricolage.

Voici un premier exemple de montage électronique à base de supercondensateur expliqué pas à pas :
Lampe torche à supercondensateur avec recharge micro-USB

lampe supercondensateur

Lampe torche à supercondensateur avec recharge micro-USB

La charge de supercondensateurs en série nécessite quelques précautions supplémentaires. Voici donc deux articles pour expliquer de manière exhaustive ce sujet qui n'est pas si simple :
Charger des supercondensateurs en série
Les circuits d'équilibrage de tension pour supercondensateurs

6 commentaires

François 14 janvier 2016 à 19:39

Merci pour cet article, il est vraiment bien fait.
A quand celui sur la recharge de super-condensateurs en série?

François

Anatol 07 avril 2016 à 22:15

Effectivement je ne trouve aucune info sur le web à ce sujet (recharge des supercondensateur en série).
Je serai intéressé aussi par article à ce sujet!!
Je construit un petit robot pour mon fils que je souhaite alimenter avec 4 supercondensateur 100F de 2.7v en série, mais j'ai peur de faire une surtension en les rechargeant en série?!

supercondensateur 07 avril 2016 à 22:46

@Anatol :

Bonjour,

Un article sur la recharge en série est en préparation.
Il ne faut pas recharger des supercondensateurs en série sans équilibreur de tension, sauf dans certains cas si on prend une grande marge (équivalent d'un supercondensateur 2.7V chargé à 2V)...

Kévin 29 avril 2016 à 16:23

Bonjour, j'ai lu chacun de vos articles, je les trouves super.
Cependant, j'ai quelques questions dont je n'ai pas trouvés réponses sur votre site.

Voila, j'ai un supercondensateurs Maxwell de 16V et de 58F, j'aimerais le brancher en série sur une batterie de 24V et 17Ah afin d'améliorer l'autonomie ( robot tondeuse RL500 ), mais je n'arrive pas à crée le circuit de cette batterie et supercondensateurs, sur EveryCircuit le logiciel que vous avez utilisé, pour voir si oui ou non cela améliore effectivement l'autonomie.

Merci, en espérant obtenir une réponse de votre part.

supercondensateur 29 avril 2016 à 17:44

@Kévin :

Bonjour,

Un module supercondensateur 16V ne doit pas être branché avec une batterie 24V.
EveryCircuit est un petit logiciel appréciable pour comprendre des concepts électroniques, pas plus...

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