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

2

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.

4

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

5

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))

7

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

8

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

11

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.

12

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.

13

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)

14

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.

15

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

16

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.

19

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.