Précautions et sécurité avec les supercondensateurs

securite supercondensateur

La grande puissance des supercondensateurs...

Les supercondensateurs sont moins dangereux à l'usage que les batteries Lithium-ion. Ils ne risquent pas d'emballement thermique capable de générer une explosion lors de leur utilisation comme cela peut arriver avec les batteries Lithium-ion.

La recharge des supercondensateurs doit satisfaire à certaines contraintes et règles de sécurité, tout comme les batteries, même si les contraintes sont différentes. Mais une fois que le système de charge est correctement mis en place, les supercondensateurs offrent une plus grande sécurité que les batteries. Il n'y a pas de réactions chimique complexes, pas de surprises et les supercondensateurs peuvent être chargés et déchargés des millions de fois en plug and play sans tracas.

Les supercondensateurs doivent tout de même être utilisés sur une plage de température qui se situe souvent entre -40°C et 65°C, mais certains supercondensateurs peuvent accepter des températures de 200°C ! En cas de dépassement de la température limite propre au supercondensateur utilisé, certaines électrolytes peuvent s'enflammer.

Pour l'utilisation des supercondensateurs dans les automobiles et les transports en commun, des normes de sécurités très importantes sont en cours d'élaboration pour éviter les incendies qui pouvaient survenir lors de grosses chaleurs dans les bus électriques à supercondensateurs utilisés en Chine.

Bricoler avec les supercondensateurs

Si nous pouvons être tranquille une fois le système de charge et d'exploitation des supercondensateurs bien conçus, il faut encore les concevoir...

Pour les bricoleurs qui souhaitent s'essayer à utiliser des supercondensateurs, il y a un certain nombre de précautions à prendre et de connaissance à avoir sur les supercondensateurs...

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 humain 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 gravement 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 équilibreur de charge. La recharge de supercondensateurs en série fera l'objet d'un article dédié...

Limite de tension d'un supercondensateur

Les supercondensateurs ont tous une limite maximale de tension à ne pas dépasser. Charger un supercondensateur 2,7V à une tension plus élevée endommagera le supercondensateur en augmentant son taux d'autodécharge et diminuera sa durée de vie. Le supercondensateur peut alors gonfler et émettre un dégagement gazeux qui peut être nocif.

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 ! Mais les supercondensateurs ne sont pas des condensateurs.

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 dans certains cas aller jusqu'à 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 supercondensateur.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).

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