Scavenger, le composteur de piles

[Tropique]

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Voici, pour changer un projet "vert", comme les mouches du même nom...

Le compostage dont il est question est à prendre au figuré: il va s'agir d'extraire toute l'énergie encore disponible dans une pile avant de la jeter pour de bon.

Sa raison d'être:

Un élément normal de 1.5V est considéré comme épuisé lorsque sa tension atteint 0.9V. C'est du moins la théorie, et c'est cette tension qui est prise comme référence par les fabricants pour définir la capacité d'un élément.
Dans un monde bien fait, il faudrait donc que les appareils utilisant des piles puissent fonctionner jusqu'à 0.9V/élément. Dans les faits, c'est plus un voeu pieu qu'autre chose: de tels appareils, à supposer qu'ils existent, sont de rarissimes exceptions.
En pratique, on pourra s'estimer très heureux si l'on arrive à 1V/élément, mais généralement, ce sera plus: l'indicateur "LoBat" s'active souvent vers 1.2V, et le fonctionnement cesse complètement entre 1.2 et 1.1V.
Certains gadgets et appareils photo sont encore pires, et commencent à rouspéter dès 1.3V.

Une analyse superficielle du problème conduirait à penser que l'on gaspille la plus grande partie de l'énergie stockée dans une pile, même en descendant à 0.9V: de 1.5 à 0.9V, il y a 0.6V, et de 0.9V à 0, il y a, sans surprise, 0.9V, soit 50% en plus. Les choses sont, heureusement, plus subtiles:
Le courant, s'il est débité à 1.5V, a plus de "valeur" qu'à 0.9V: 1A représente alors 1.5W, contre 0.9W, et pour calculer l'énergie, il faut procéder autrement:
En unités arbitraires d'énergie, la tension de 1.5V représente en fait 1.5², soit 2.25. A 0.9V, il n'y a plus que 0.9², soit 0.81. La différence entre 2.25 et 0.81 vaut 1.44, donc sensiblement plus que 0.81.
Il y a encore un autre élément important dont il faut tenir compte: ce qui précède suppose une décharge linéaire, à la manière d'un condensateur, mais la caractéristique de décharge d'une pile est non-linéaire.
Il y a une première région de descente relativement rapide, entre 1.5 et 1.3 à 1.4V, suivie d'un "plateau" beaucoup plus long, jusqu'à 1 ou 1.1V, et enfin la descente finale, moyennement rapide jusqu'à 0. La présence de ce plateau implique que beaucoup plus d'énergie est disponible au dessus de 1V que ce que le raisonnement simple, basé sur une approximation linéaire ne laisserait supposer.
Tout cela signifie qu'en fait, l'énergie restante sous 0.9V est assez marginale. Ce n'est cependant pas à dédaigner, et puis comme on l'a vu, les piles termineront en réalité leur carrière à des tensions toujours sensiblement plus élevées.
Et là, l'énergie encore disponible augmente très vite, à cause de l'effet du carré dans le calcul, et du fait que l'on va commencer à grignoter sur le plateau.

Description du Scavenger:

C'est un convertisseur, répondant à un cahier des charges très spécifique:

• Il doit pouvoir fonctionner à des tensions très basses, et fortement variables: les piles que l'on va lui confier auront une tension de départ comprise entre 0.9 et 1.3V, et il devra pouvoir les utiliser jusqu'à 0, ou pratiquement.
• Son rendement doit être acceptable, le but étant précisément de limiter les gaspillages.
• La sortie devra être bien régulée, pour que les variations de tension de la pile soient complètement "effacées" au niveau de la charge.
• Il ne peut utiliser de circuit intégré spécifique (ce qui serait de toutes manières difficile vu les exigences).
• Dans un but de simplicité et constructibilité également, il ne doit pas employer de transformateur ou self spéciale: seule une self standard, à deux terminaux est acceptable.
• Il doit être aussi simple et bon marché que possible.
  Le but est d'alimenter une LED blanche forte puissance à un courant constant de 100mA.

Pour faire un convertisseur minimaliste avec une self simple, il faut une topologie à deux transistors: c'est le minimum requis pour un oscillateur bloqué si un feedback inductif n'est pas possible.

La régulation nécéssitera encore un transistor supplémentaire. Bien qu'il soit possible de s'en passer et de contrôler directement l'oscillateur, cela handicaperait excessivement la stabilité de régulation et le rendement, à cause de la marge de régulation nécéssaire.

Pour travailler à une tension aussi basse en gardant des performances décentes, il n'est pas possible de faire l'économie d'un composant un peu spécial: un transistor "superbeta". Lui seul aura un gain en courant et une tension de saturation compatibles avec les conditions de fonctionnement très difficiles exigées.
Ici, c'est un Zetex (maintenant devenu Diodes Inc), mais il existe d'autres références, notamment en 2Sxxxx.

L'oscillateur s'articule autour de Q1 et Q3. C'est un multivibrateur dont la fréquence est déterminée principalement par C2 et R9. Elle est centrée vers 25KHz.
Le transistor de sortie découpe le courant dans la self de flyback. Fréquence de commutation et valeur de self sont des compromis choisis en fonction de l'encombrement, des pertes de commutation et de la facilité de réalisation.

Q1 a un réseau de polarisation automatique R3/R6, qui lui permet de démarrer à coup sûr dans une très large plage de tensions d'alimentation.
Après le démarrage, R2 connectée à la sortie permet le fonctionnement "en puissance".

Q2 mesure la tension aux bornes de R1, le shunt échantillonnant le courant dans la LED, et controle le rapport cyclique de l'oscillateur.

A suivre...
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Les performances

Elles n'ont rien de phénoménal, c'est un circuit simple et efficace qui privilègie la souplesse, la tolérance et la simplicité sur les performances pures.
Dans son domaine de prédilection, de 0.8 à 1.2V, il garde le courant de sortie rigoureusement stable à 102mA, grâce à l'action combinée de la régulation et des compensations. Passé ces limites, le courant diminue progressivement: il descend à 90mA pour 0.65V d'une part, et 2.7V de l'autre. Il faut remarquer qu'en absolu, une réduction de luminosité de 10% est pratiquement imperceptible.
Le démarrage du convertisseur est possible à partir de 0.51V; le courant de sortie vaut alors 66mA.
Mais une fois démarré, le convertisseur peut fonctionner à des tensions bien plus faibles.

Si l'on va plus loin, la diminution continue: à 0.35V, on est à 35mA, ce qui reste exploitable.
De l'autre côté, la limite est de 3.7V: à ce moment, la source débite directement dans la LED, et le convertisseur ne contrôle plus le courant. Cela représente une plage exploitable d'un rapport de 1 à 10.
Même sous 350mV, le convertisseur continue à fonctionner: à 0.12V, il parvient encore à délivrer 2mA. Ce n'est certainement pas suffisant pour s'éclairer, mais c'est assez pour chercher des clés, ou le trou d'une serrure.

Il est donc possible, si on le souhaite, de vider une pile jusqu'à la plus ultime parcelle de son énergie. Il faut naturellement une tension initiale >0.51V, mais ce n'est normalement pas un problème, parce qu'à vide, une pile même fortement déchargée reprend une tension plus élevée que sa valeur en charge, et le courant nécéssaire au démarrage du convertisseur est infime.

On peut regretter que le courant commence à fléchir à partir de 0.6V. Mais tout est affaire de compromis, et pour conserver le courant constant à des tensions plus basses, il faut augmenter le courant de polarisation (diminuer R2). Mais cela augmente inutilement la consommation pour des tensions plus élevées, le bénéfice est donc douteux. D'autant plus qu'à ces faibles tensions, le courant augmente démesurément pour maintenir la puissance de sortie: dans sa version actuelle, il consomme déjà 750mA à 0.7V. Demander encore plus à une pile qui est par principe déjà fatiguée serait tout à fait déraisonnable, et la fin de décharge se passerait à une vitesse fulgurante.

Aide au démarrage
Les composants C4 et R6 ne sont pas requis pour un fonctionnement "normal", en régime établi. C4 a même pour effet de dégrader légèrement le rendement.
Mais grâce à eux, le démarrage peut s'effectuer à des tensions très basses, de 0.5V environ:
C4 crée un circuit résonant à relativement basse fréquence avec la self. L'impédance élevée obtenue à cette fréquence augmente considérablement le gain de l'oscillateur, à une fréquence peu exigeante pour les transistors.
R6 polarise directement la base de Q3, sans subir la tension de déchet de D3.
Si C4 est omis, le démarrage ne s'effectue qu'à partir de 0.6V environ.

Le courant de consigne est déterminé par R7; sa valeur va dépendre du type exact de diode utilisé pour D1. On peut éventuellement monter une résistance fixe de 330ohms en série avec un ajustable de 100 ou 220ohms, pour pouvoir ajuster précisément le courant (ou le rendre réglable).

Rendement
Le rendement, hors self, est de l'ordre de 80%.
Pourquoi exclure la self? Il faudra bien inclure ses pertes dans le rendement global.
La raison, c'est que c'est un aspect dont on est totalement maître: selon l'investissement en matériel et en effort que l'on consent pour ce composant, le supplément de pertes pourra être négligeable, ou au contraire dominant.
Une inductance "state of the art", bobinée avec du fil divisé sur une ferrite hautes performances munie d'un bon entrefer, ayant des surfaces fer et cuivre surdimensionnées ne modifiera pratiquement pas le chiffre de 80%.
Au contraire, une quelconque self de choc, qualité "tout-venant" pourra facilement doubler (et même plus) les pertes globales.
Si on est soigneux sans sombrer dans la paranoia, on peut tabler sur un rendement global de 75%. C'est le cas du proto, dont la self est faite sur mesure, mais avec une simple tore en poudre de fer, rien d'exotique.

Les 20% de pertes propres sont difficilement compressibles: plus de la moitié proviennent de la tension de déchet de la diode schottky, et une amélioration substantielle ne serait possible qu'avec un redressement synchrone, qui compliquerait considérablement le circuit. Le reste se répartit entre les pertes de conduction, principalement le Vcesat du transitor, les courants de fonctionnement et polarisation, la marge du shunt d'asservissement du courant et les pertes en commutation. Des améliorations sont possibles sur ces points, mais elles seront forcément marginales, et nécéssiteront de compliquer le circuit; le jeu n'en vaut pas vraiment la chandelle.
Si, malgré tout on désire gagner quelques points sans complications et pour un surcoût pas trop excessif, le moyen le plus simple est de prendre une diode schottky très surdimensionnée, genre 8A/12V: la diminution de tension directe permettra de gagner quelques %, sans rien modifier d'autre. En plus, la très forte capacité de ce type de diode permettra de se passer de de C4.

Réalisation
Comme il s'agit d'un circuit basse tension/fort courant, il faut soigner le câblage, pour éviter toutes les résistances parasites. Les condensateurs de filtrage et de découplage doivent être à très faible esr: j'ai utilisé des OSCON. Des tantales ou autres conviendraient également. Des électrolytiques standard dégraderaient un peu plus le rendement.
Q3 doit être modèle superbeta; plusieurs types Zetex peuvent convenir, ZTX869, ZTX1047, 8, etc, ou leurs versions SMD. Il existe également des "combos", incluant la diode schottky dans le même boîtier. D'autres fabricants que Zetex existent, mais je ne saurais pas donner de références précises.

Applications
Le but initial était de faire un "vide-pile". Il convient très bien pour cette tâche, et peut s'accomoder de n'importe quel type d'élément, neuf ou usagé, depuis les alcalines jusqu'au lithium.
Mais sa souplesse permet d'envisager d'autres applications: il peut parfaitement s'accommoder d'un supercondensateur, et délivrer une puissance de sortie constante dans une large plage de tensions.
D'autres applications de "energy-harvesting", mécaniques notamment, sont certainement possibles également. A vous de faire fonctionner votre imagination!

Voici quelques photo du proto en fonctionnement, ainsi que le fichier LTspice, pour ceux qui souhaitent s'amuser:

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Mais oui, voici le Scavenger "Light":

Pour ceux qui souhaitent le même genre de convertisseur, adapté à des LEDs normales de 20mA, ceci est une version allégée, qui permet également l'utilisation de transistors "normaux", un BC338 dans ce cas ci.
Le principe est exactement le même, il y a simplement quelques valeurs de composants modifiées.
Le rendement est forcément moins bon, à cause du rapport plus élevé entre la polarisation et la puissance utile. Je n'ai pas fait de tests détaillés sur cette version, elle doit en gros avoir le même comportement que sa grande soeur, aux coéfficients et rendement près.
La diode schottky pourrait également être d'un calibre inférieur sans inconvénient.

Pourrait-on envisager une version plus forte puissance, 350mA p.ex.?
En théorie, ce n'est sûrement pas impossible. En pratique, la version 100mA taxe déjà très lourdement des éléments de pile en bout de course, et aller plus loin ne serait pas très raisonnable, pour des applications généralistes du moins.
L'augmentation de puissance n'est pas gratuite de surcroît, et elle se payerait en complexité ou en perte de rendement dans des conditions normales, ce qui va à l'encontre des buts de ce projet, raison pour laquelle cette voie ne sera pas explorée dans le cadre de ce projet.
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Fin?

[penthode]

c'est le joule thief dont on cause ailleurs

[A voir en vidéo sur Futura]