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Chargeur de portable par induction
« L’électricité de demain peut-elle se passer de fils ? »
2013-2014 – Lycée de la Côtière –
Nathan MONTCOUDIOL
Achille LAMARQUE
Grégoire PESENTI
Nathan LEHRMANN
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Introduction
La transmission d'énergie sans fils n’est pas une idée nouvelle. Au début du 20ème
siècle, Nikola Tesla avait déjà effectué une transmission d'électricité sans fil. Il utilisait alors
l’induction électromagnétique. Il avait découvert que l’électricité pouvait être transmise à
travers l’air mais aussi la terre. Au cours de ses recherches, il avait
réussi à allumer des lampes à une distance moyenne et était
même capable de détecter une transmission d'énergie sur de
grandes distances.
Il avait construit une tour afin de
démontrer les possibilités de la
transmission d'énergie sans fil globale.
Malheureusement le projet n’aboutit pas
pour cause de problèmes financiers.
Néanmoins, Tesla était convaincu que
l’avenir de la transmission d'énergie se
passerait de fils.
Aujourd’hui la transmission d’électricité sans fil n’est pas
répandue dans notre société, cependant elle peut être promise à
un grand avenir.
Le rechargement d’une batterie sans fil par ondes électromagnétiques, ou rechargement
par induction sans fil, est une méthode permettant de transmettre de l’énergie électrique à
un appareil sans avoir besoin de connexion physique. En bref, le phénomène se produit
lorsqu’on induit un courant dans une bobine et qu’on approche une autre bobine. L’autre
bobine va capter le flux et générer un courant à son tour. Cette méthode, comme nous le
verrons, a beaucoup d’avantages et d'applications possibles.
Nous possédons des dispositifs à induction dans notre environnement quotidien.
On les retrouve dans nos cuisines avec les nouvelles plaques à induction, nos brosses à dents
électriques et encore plus récemment dans les téléphones mobiles de nouvelle génération,
qui peuvent se recharger sans chargeur filaire.
Cette technologie a certainement un plus grand potentiel que de recharger la brosse a
dents...
La tour de Tesla
Nikola Tesla
3
Dans un contexte ou l’électricité est de plus en plus utilisée notamment dans
l'alimentation de nos futurs véhicules, sa transmission est une problématique d’actualité.
On remarque aussi de plus en plus une multiplication des câbles, pour charger tous nos
appareils électriques, toujours plus nombreux. Les appareils électroniques sont dorénavant
de plus en plus nombreux et gourmands en énergie (Smartphones), leur chargement est
inévitablement problématique de par la diversité
des connectiques non compatibles.
Plus généralement ce projet est l’occasion
pour nous de démontrer les possibilités d’une
technologie qui nous semble pleine de potentiel.
Nous avons mis en place une démarche expérimentale pour appréhender les phénomènes
relatifs à l’induction, et afin de les intégrer dans notre prototype. Le prototype réalisé est un
chargeur de portable par induction, le “Wiflux”.
Nous verrons au cours de ce dossier si l’électricité de demain peut se
passer de fils.
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Sommaire
I Notre démarche expérimentale :
- L’induction électromagnétique.
-Le cœur magnétique.
-La position des bobines
-La résonance
II La construction du Wiflux :
-Calculs théoriques pour la résonance
-Obtention d’un courant continu
-Montage
-Tests de rendements
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I
Démarche expérimentale
Dans cette partie, nous exposerons la démarche expérimentale que nous avons effectuée
afin d'appréhender les différents phénomènes physiques relatifs à l’induction. Pour chaque
expérience, nous définissons l’objectif, nous réalisons un montage (schémas électriques
réalisés sous ISIS), et décrivons un tableau de résultats. En conclusion, nous définissons ce
phénomène, et verrons en quoi il nous sera utile dans la construction du prototype.
Expérience n°1 : Le transformateur
L’expérience n°1 permet de montrer le transfert d’énergie entre deux bobines, avec un
circuit magnétique fermé du type transformateur.
Circuit réalisé :
Résultats de l'expérience 1
Nombre de spires
Nombre de spires
Tension
(V)
Tension
(V)
Intensité
(mA)
Intensité
(mA)
Rapport
Rapport
Rapport
Rapport
650 650 5 5 500 500 1 1 1 ≈1
500 250 5 2,5 1000 500 2 2 2 ≈1
250 1000 5 20 125 500 0,25 0.25 0,25 ≈1
6
Conclusion tirée des résultats :
Avec un cœur magnétique,
=
le rapport
=1 (cas d’un transformateur
parfait), c’est-à-dire qu’il y a peu de pertes. Plus généralement, nous avons mis en évidence
un phénomène : l’induction électromagnétique.
Q ’est-ce q e l’ d ct o électromag ét q e ?
C’est le physicien anglais Michael Faraday qui a étudié l’induction et a énoncé des lois
connues sous le nom des lois de Faraday. On observe que lorsqu’un courant est induit aux
bornes d’une bobine, celle-ci crée un flux d’induction magnétique, qui est égal au champ
magnétique ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ multiplié par la surface. Lorsque qu’une autre bobine rencontre ce flux
d’induction magnétique, il se crée un courant induit et une force électromotrice (une tension,
en V) dans cette deuxième bobine. C’est ce courant induit que nous exploiterons.
Que peut-on constater d’autre ?
Si l’évolution du courant dans la première bobine fait varier le courant induit dans la
seconde, on a aussi une rétroaction de la deuxième sur la première. En faisant varier la charge
de la bobine réceptrice de manière linéaire avec un potentiomètre, on obtient les valeurs de
IAlim et I bobine.
Si l’on trace une courbe de tendance de I Alim et I Réceptrice, on constate que celles-ci
sont linéaires, on a bien une action de la bobine réceptrice sur l’émettrice.
0 12,5 25 37,5 50 62,5 75 87,5 100
0
50
100
150
200
250
R (Ohm)
Ialim (mA)
Icharge (mA)
Linéaire (Ialim (mA))
Linéaire (Icharge (mA))
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Expérience n°2 : Le cœ r magnétique
L’expérience n°2 permet de démontrer l’importance et l’effet d’un circuit magnétique pour
canaliser le flux. Le nombre de spire dans les deux bobines est de 650.
Circuit avec cœur magnétique :
Circuit sans cœur magnétique :
Résultats de l'expérience 2
Conclusion tirée des résultats :
Le circuit magnétique permet de canaliser le flux magnétique, en concentrant les lignes
de champ. Cela évite sa dispersion, et diminue les pertes, améliorant ainsi le rendement.
Tension
(V)
Tension
(V)
Circuit magnétique
Intensité
(mA)
Intensité
(mA)
Rapport
5 2,5 Absent 500 250 0,5
5 3 Ouvert 500 300 0,6
5 5 Fermé 500 500 1
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Expérience n°3 : La position des bobines
L’expérience n°3 nous a permis de déterminer la position idéale pour les bobines. Ces
expériences ont été réalisées sans cœur magnétique et avec des bobines de 650 spires
chacune.
Résultats de l'expérience 3 :
Conclusion tirée des résultats : La position idéale des bobines est lorsqu’elles sont
superposées, la bobine réceptrice reçoit mieux le champ produit par la bobine émettrice, il y
a ainsi moins de pertes.
Comment la position des bobines influe-t-elle sur le rendement ?
Pour partager le plus grand nombre de lignes de champ, les bobines doivent être dans une
position particulière : si elles sont perpendiculaires, elles partagent moins de lignes de champ
et le rendement est moins grand. C’est en étant superposées qu’elles sont le mieux couplées.
Expérience n°4 : La résonance
L’expérience n°4 met en évidence le
phénomène de résonance et son intérêt.
Circuit réalisé :
Résultats de l'expérience 4 :
Fréquence Hz
Intensité d’entrée
)
Intensité dans la bobine
( Rapport IL/IAlim
2500 262 682 2,6
3200 58 534 9,2
3600 146 475 3,25
Tension (V)
Tension (V)
Position des bobines
Intensité (mA) Intensité (mA)
Rapport
5 0,3 Perpendiculaires 500 30 0,06
5 1 Côte à côte 500 100 0,2
5 2,5 Superposées 500 250 0,5
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Q ’est ce q e la réso a ce ?
Dans un circuit comportant une capacité C et une inductance L en parallèle, il se crée
une résonance entre elles : c’est-à-dire que pour une certaine fréquence telle que f=
√ , le
courant dans la boucle bobine/condensateur est bien plus important que le courant I fourni
par l’alimentation. Dans notre montage, le rapport
est de 10. Pour expliquer ce
phénomène, on peut faire une analogie avec un circuit de résonance mécanique, quand un
dispositif est excité à sa fréquence de résonance, il restitue le maximum de l’énergie qu’on lui
envoie sous forme d’oscillations. Dans un circuit électronique, à la fréquence de résonance,
les courants iC et iL sont égaux et vectoriellement opposés, ce qui donne iAlim=iR, où R est
la résistance interne du circuit. A la fréquence de résonance, le courant d’alimentation est le
plus faible, et le flux est le plus fort. C’est là que le rapport iL / iAlim est le plus grand, c’est
là que le rendement sera le meilleur.
Nous avons réalisé toute une série d’expériences afin de constater les avantages offerts
par l’induction électromagnétique.
Premièrement, on s’intéresse à l’évolution du courant de l’alimentation en fonction de
la fréquence, puis au rapport I Bobine (IL)/IAlim.
0 1000 2000 3000 4000 5000
0
100
200
300
400
500
600
Fréquence (hz)
Co
ura
nt
d'a
lim
enta
tio
n (
mA
)
Courant alimentation consommé en fonction de la fréquence
10
Quelles informations en tirer ?
Le courant d’alimentation est le plus faible lorsque l’on est à la fréquence de résonance,
c’est donc cela que l’on consomme moins d’énergie. De même, le rapport I bobine/I alim est
le meilleur (point rouge) à cette fréquence de résonance (autour de 3200 Hz), c’est là qu’on a
le meilleur rendement.
200
0
210
022
00
230
0
240
025
00
260
0
270
028
00
290
030
00
310
032
00
330
034
00
350
0
360
037
00
380
0
390
04
00
0
410
0
420
04
300
44
00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
F (Hz)
IL/lAlim
Ibobine/Ialim
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II
Construction du prototype, « Le Wiflux »
Cette partie est construite chronologiquement, selon les étapes que nous avons suivies afin
d’élaborer le prototype. Chaque sous partie présente les problèmes que nous avons dû
résoudre, et quelles solutions nous avons trouvé.
I Objectifs
Le prototype que nous développons est un chargeur de téléphone mobile qui recharge
un téléphone mobile sans que l’utilisateur ne doive brancher de câbles à son téléphone. Il
faut que le téléphone puisse se recharger en totalité en un temps le plus rapide possible.
Il doit pouvoir délivrer une tension de 5v continu et un courant aux alentours de 100
mA. L’alimentation sera un Générateur Basse Fréquence (GBF), dans un souci de flexibilité au
niveau de la tension et de la fréquence.
Il a avant tout pour objectif de démontrer le potentiel de cette méthode, l’ergonomie n’est pas le
problème principal.
II Choix des bobines
Pour fabriquer des bobines nous avons choisi le cuivre émaillé. En
effet, c’est un bon conducteur et l'émail est isolant. C’est le
matériau le plus adapté à la fabrication de bobines. Nous avons
choisi de les constituer de 150 spires car cela nous semblait le
meilleur compromis place/efficacité. De plus, plus une bobine a de
spires, plus le flux crée par la bobine est grand.
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III Choix de la méthode de transmission
Initialement nous étions partis sur un système avec un circuit magnétique en ferrite.
Cependant, pour des raisons pratiques et d’ergonomie, nous nous sommes par la suite
tournés vers la résonance.
Si nous avions utilisé un cœur de ferrite, notre système aurait fonctionné tel un
transformateur.
Nous avions alors déterminé le nombre de spires des bobines émettrice et réceptrice.
Grâce à la formule
où n est le nombre de spires et u est la tension.
Comme nous avons abandonné l’idée du cœur en ferrite, nous nous sommes tournés
vers la résonance pour plus de praticité. Voyons désormais comment nous avons établi les
paramètres nécessaires pour établir une résonance.
IV Calculs pour la résonance :
On veut désormais déterminer la fréquence de résonance de notre circuit (Cf partie
expérimentation pour une définition complète).
Après fabrication des bobines, nous devions calculer l’inductance de chaque bobine.
Calcul de la valeur de l’inductance :
Qu’est ce que l’inductance ?
Une inductance est un composant dans lequel le passage d’un courant engendre un champ
d’induction magnétique. Ceci se traduit par la création de lignes de flux magnétique autour
du composant (souvent une bobine). L’inductance est appelée L et crée un flux magnétique
noté φ qui s’exprime en Weber. Le flux total φ est égal au flux du champ magnétique B à
travers une surface S.
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Les traits en pointillés représentent les lignes de champ magnétique. (en Tesla, par
exemple pour la ferrite, B=0.35 Tesla) Plus les lignes de champ sont serrées et plus le champ
est intense. Plus elles sont éloignées plus il est faible.
A est la s section de la bobine -ou sa surface-
Ф est le flux magnétique (en Weber) normal à la section.
Nous allons mesurer le champ magnétique en différents points des bobines avec un
teslamètre.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
-6 -4 -2 0 2 4 6
Champ magnétique B
(mT)
d par rapport au coeur de la bobine, 0(cm)
B en fonction de d (unebobine sans charge)
B en fonction de d (deuxbobines sans charge)
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On constate que le champ magnétique diminue très vite avec la distance. Il est maximum
au cœur de la bobine. Dans le cadre de notre prototype, il est d’environ 2,5 mT.
Lorsque l’on a les deux bobines en résonance, on constate que le champ est plus intense.
Il nous faut déterminer la valeur de l’inductance L afin de pouvoir fixer la fréquence de
résonance (il nous faudra aussi la capacité C). Nous avons calculé cette valeur théoriquement
et expérimentalement :
Calcul théorique:
L’inductance L d’une bobine est donnée par la formule suivante :
- L est l’inductance de la bobine en Henry (H)
- µo est la perméabilité relative du vide. Pour le vide, on a µo=4π*10-7
-N est le nombre de spires. (Nous avons 150 spires)
-A est la surface de la bobine en m². (Notre bobine mesure 3 cm de diamètre)-l est la
longueur de la bobine. (Pour notre bobine, l=1 cm)
A.N :
L=1,9 mH
Cette valeur est parfaite et ne tient pas compte des imperfections de la bobine, c’est
pourquoi nous allons mesurer cette valeur expérimentalement, et nous devrions arriver à un
résultat plus petit.
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Mesure expérimentale
Grâce à un LCmètre, nous avons mesuré l’inductance
de chaque bobine. On obtient 0.81 mH (le Henry (H)
est l’unité SI de l’inductance) pour l’une et 0.76 mH
pour l’autre. L’écart entre les deux bobines de 150 spires
chacune est dû à la fabrication artisanale des bobines,
et nous ne le prendrons pas en compte dans nos calculs
car il est assez négligeable.
On constate donc bien un écart entre valeur théorique
et expérimentale.
Le LCmètre
Comment avons-nous trouvé la fréquence de résonance ?
La relation entre la fréquence de résonance f (en Hz), l’inductance L (en Henry) et la capacité
C (en Farad) est donné par la formule suivante :
On a déjà déterminé L grâce à notre LC mètre.
L bobine = 0.81 mH = 8.1*10-4 mH (on considérera les bobines comme ayant la même
inductance, bien qu’elles aient un léger écart).
On fixe une fréquence arbitraire pour trouver C: disons f=1000 Hz
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Désormais, on imagine le scénario inverse : nous possédons les condensateurs, quelle est
alors la fréquence de résonance ? Nous avons 6 condensateurs d’1 µF, soit 3 par bobine ce qui
donne :
, d’où :
On peut alors ajuster la fréquence de résonance afin de trouver le point de
fonctionnement le plus optimal. C’est donc avec ces 3 µF sur chaque bobine que nous
réaliserons le circuit.
Il est intéressant de constater que l’impédance d’une bobine augmente avec la fréquence,
d'où l’intérêt de rester à des fréquences relativement faibles. Aussi, pour un confort
d’utilisation, il est judicieux d’éviter autant que possible le domaine de l’audible (entre 20 Hz
et 20 kHz) pour ne pas avoir trop de sons tridents. En effet, la bobine siffle de façon assez
désagréable à certaines fréquences.
Pour obtenir cette fréquence, on règle le GBF, au niveau de la tension, pour avoir 8 volts en
entrée.
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V Obtenir un courant continu
Pour être rechargée, la batterie a besoin d’un signal continu. Comme il faut un courant
alternatif pour générer un flux d’induction magnétique à l’aide d’une bobine, nous allons
devoir le redresser, puis le lisser.
Premièrement, nous avons utilisé un pont de diodes pour transformer tension alternative
en tension positive. On retrouve le schéma d’un pont de diode ci-dessus.
Ensuite, nous allons lisser notre signal grâce à un condensateur, avant de passer au
régulateur.
Enfin, il nous fallait réguler la tension car la batterie fonctionne sous 5v.
Nous avons tout de même rencontré un problème avec le régulateur : pendant un instant,
la tension fournie était inférieure à sa tension nominale, il ne laissait donc plus passer le
courant. Le problème a été résolu en augmentant la capacité de lissage (deux condensateurs
16v, 1000 µF) pour compenser le creux de tension.
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VI Circuit.
Circuit de l’émetteur :
Ici, le circuit récepteur :
VII Rendement.
Le rendement est donc de l’ordre de 37,5 %: une partie de l’énergie est transformée en
chaleur par le circuit, c’est l’effet Joule, une autre partie de l’énergie est perdue lors du
transfert électromagnétique, en effet une partie du flux n’est pas reçu par la bobine réceptrice
et environ 37,5% de l’énergie produite par le générateur est utile, et contribue à charger le
portable.
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Temps de chargement
On peut alors calculer le rendement à 1 cm de distance.
=
On peut tout de même voir que le rendement diminue rapidement avec la distance.
Conclusion
Ce projet nous a permis de développer un prototype qui correspondait à nos attentes, et de
découvrir les phénomènes électromagnétiques.
Après un travail expérimental pour appréhender les phénomènes, nous avons construit le
Wiflux, et étudié la place que pourrait avoir l’induction dans la société de demain.
On voit à travers le Wiflux que la transmission d’électricité peut se passer de fils, que c’est
une alternative de plus en plus crédible, avec les progrès de la technologie qui permettent d’
augmenter les rendements. Les résultats sont prometteurs et l’on voit, malgré des limites
évidentes (optimisation spatiale, rendement et portée), le potentiel immense de l’induction et
les champs d’applications possibles. Avec des moyens et de la recherche, l’induction pourrait
bien se banaliser et s’affranchir de toutes ces contraintes pour devenir la méthode de
transmission d’énergie sans fil dominante. Son essor se fera peut-être avec celui de la voiture
électrique, c’est l’un des domaines les plus prometteurs.
Au fond, en bon visionnaire, Nikola Tesla avait vu juste et ses travaux sont la base de ce
qui pourrait être l’une avancée technologique majeure des prochaines décennies.