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Message par tarsonis le Jeu 29 Aoû 2019 - 8:53

Salut à tous,

J'ouvre ici un atelier "électronique" option "survival-prepper" clind'oeil

A la base, je bidouillais un module solaire pour mon compteur geiger, puis je me suis dit que l'ensemble des points de réflexion du post méritait peut être un topic à part entière.

Par exemple, l'énergie et sa production à petite échelle est un problème crucial dans toutes nos thématiques. Assez curieusement, c'est un domaine assez souvent survolé (résumé par "il suffit de brancher la génératrice sur les batteries et c'est ok").
Alors que dans notre monde bien réel, c'est un peu mois trivial. Pourtant, n'importe qui est à quelques minutes de bidouillages de produire plusieurs watts.

L'objectif sera d'aborder les notions de base permettant à tous de comprendre le fonctionnement dans les grandes lignes et d'être capable de reproduire le montage sans aide extérieure, à peu près partout dans le monde. D'où le titre du topic sur le nomadisme.

L'idée n'est pas seulement de proposer des compétences en électronique, mais de voir différentes astuces dans le cadre typiquement "survival/prepper".

Autant la littérature usuelle vous expliquera comment faire clignoter une LED avec un Arduino, autant bidouiller avec ce que l'on a sous la main et savoir quel composant et quelle configuration seraient les plus appropriés auront un aspect complètement différent.

Tout ceci est à destination des débutants, mais au lieu d'aborder l'électronique de manière classique (il y a des centaines d'excellents tutos sur le net et dans les bibliothèques), je vous propose de traiter tout plein de subtilités et d'anecdotes qui sont la plupart du temps absentes des manuels mais qui ont d'énormes implications dans l'ensemble de nos thématiques.

Il y a en effet de nombreux points qui ne sont que des détails mais qui peuvent apporter de réels "plus" dans une situation dégradée.

Ces passages vous seront signalés grâce à à un petit logo de votre serviteur :

Circuits Nomades Img_3715

Toute participation est la bienvenue; j'encourage les intervenants à essayer de bidouiller de leur côté avec la récup qu'ils peuvent trouver.

J'ai déjà proposé des circuits produisant un peu d'électricité, mais jamais réellement détaillé la partie électrique/électronique.

Construction d'une petite génératrice à huile de coude.

Électricité : Faire feu de tout bois


En rejouant une partie de This War Of Mine - un jeu vidéo dans un contexte de conflit urbain, fortement empreint de Sarajevo - je me suis posé à plusieurs reprises des questions sur un moyen de produire une petite quantité d'électricité. Disons quelques volts sous quelques centaines de milliampères; de quoi alimenter une lanterne led le soir, une radio et éventuellement un smartphone voire une CiBi si cela se présente bien clind'oeil

En effet, une situation qui commence à dégénérer pousse à l'utilisation des piles. Mais si le conflit continue (Sarajevo, plus de 1400 jours), on arrive vite à bout du stock, qui devient une denrée rare.

J'ai tout de suite en tête le témoignage de Selco dans Témoignage Conflit Bosnie & Survie, qui parle à plusieurs reprises de la place des piles ou de batteries en tant qu'éléments de choix pour le troc.
Par ailleurs, dans bien d'autres situations (Katrina par ex), avoir quelques watts sous la main, juste de quoi alimenter quelques gadgets ou de recharger des accus, est un avantage précieux.

Je propose dans ce topic de fabriquer de petites génératrices, des circuits en tous genres (compteurs geiger passifs, radios,etc)  avec les moyens du bord, le tout dans un contexte dégradé, qui suit la trame de TWOM. L'enjeu est d'aborder un maximum de notions simples, afin de permettre aux débutants d'acquérir le b.a.ba en électronique.

Pour les pressés, il est possible de sauter la théorie pour aller directement aux bidouillages plus bas clind'oeil

Pour la partie théorique, ici j'aurai besoin de :

- fil électrique isolé; de quoi faire une bobine. A noter que beaucoup d'objets en contiennent déjà. Par exemple, le moteur d'un ventilateur de bureau :
Circuits Nomades Img_6210

des aimants capables de passer au travers de la bobine. Mon post sur les connecteurs de piles montre comment en récupérer plusieurs (ceux de cette expérience) très puissants de lecteurs CD et DVD :Circuits Nomades Empty [Bidouille] Un connecteur de piles DIY universel


- du fil de cuivre pour les connexions : la bobine ci-dessus serait suffisante, mais autant prendre du fil avec une gaine colorée, afin de clarifier les montages.
Ici du fil de connexion interphone arraché d'un mur.

- des diodes : en général n'importe laquelle vous tombant sous la main; voir plus bas.

- des dominos d'électricien : j'ai volontairement restreint ce post à l'outillage de base qui devrait traîner dans un placard. Mais rien n'empêche de souder les composants.

La bobine et son aimant qui pourra faire des va et viens à l'intérieur.
Circuits Nomades Captur12

Afin d'illustrer la forme du courant qui est produit par cette configuration, je relie la bobine directement à l'entrée micro de mon PC via une prise jack mono :

Quand l'aimant se déplace dans un sens, il induit un courant électrique dans la bobine qui se déplace dans un sens; quand l'aimant suit la direction inverse, le courant est produit dans l'autre sens : nous avons donc créé un courant alternatif; chaque alternance étant un sens de déplacement de l'aimant.



Circuits Nomades Libre10

Bien entendu, le sens et les flèches ne sont qu'une convention; il y a le déplacement des électrons, qui partent de la la borne négative vers la borne positive du générateur; ce qui est logique car un électron est chargé négativement, et sont donc attirés par les éléments chargés positivement.

Tandis que le sens "conventionnel" du courant part de la borne positive et se déplace vers la borne négative.

Le résultat graphique est très approximatif car de nombreux composants de la carte du PC déforment le signal, mais sous Audacity, nous pouvons en avoir un aperçu qui donne quelques informations :

J'ai noté en ordonnée "tension", bien que les puristes me parleront d'amplitude et de dB, et temps en abscisse.
Nous avons donc une idée de la tension créée aux bornes de la prise jack de notre entrée micro.

Circuits Nomades Libre111

Il y a bien des pics de tension présents dans les deux sens, plus des pics parasites qui résultent de la bobine. Comment les interpréter ?

L'aimant a fait quatre passages : A, B, C et D , soit deux allers-retours : A/B et C/D. Il va donc induire un courant dont le sens va s'alterner.
On remarque que chaque motif est quasiment inversé par rapport au précédent et au suivant.

En effet, si c'est le pôle Nord de l'aimant qui entre à l'aller en traversant la bobine, c'est bien le pôle Sud qui va entrer au retour. Le courant induit change simplement de sens.
On peut le remarquer chaque début de courbe. Au point A, le courant commence par monter, tandis que le pic B commence par descendre.


Maintenant, un étrange phénomène se produit.


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Prenons le pic A :
Le courant produit commence à grimper, puis descend tout d'un coup très bas dans les tensions négatives. Il s'agit du phénomène d'autoinduction qui se produit dès que l'on a des inductances (des bobines) avec lesquelles on coupe brutalement l’alimentation. Ici, dès que l'aimant est sorti de la bobine, il n'y a plus d'induction magnétique; elle relâche d'un coup de l'énergie avec un sens de courant inversé. En général, on cherche absolument à éviter ces pics de tension "parasites" qui perturbent les circuits, en plaçant judicieusement une diode dite "de roue libre", dont le seul but est de drainer ce pic inverse.
Là où cela devient intéressant dans notre cas, c'est que ces pics peuvent avoir des tensions beaucoup plus élevés que le maigre sursaut produit simplement par l'aimant. Au lieu de quelques centaines de milli-volts, nous générons des pics de plus d'un volt.
C'est ce phénomènes que j'utilisais dans le topic Le plus simple compteur Geiger Müller au monde DIY

Comme la plupart des petits appareils nécessitent du courant continu (piles, accumulateurs, alim, etc.), nous avons besoin maintenant de filtrer nos pics pour -au moins- ne pas injecter les pics négatifs, qui pourraient endommager nos appareils....ce qui reviendrait à brancher les piles dans le mauvais sens.

On utilise pour cela une simple diode. Di-iode parce qu'il y a deux bornes. Ce composant se repère principalement avec l'anneau unique qui indique la cathode. Il s'agit de la barre verticale de la flèche sur le symbole :

Le symbole est une flèche et donne le sens du courant conventionnel.

Ici, une flopée de diodes, série 1N400x, avec au milieu une classique 1n4148.

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Le rôle de la diode usuelle est de "redresser" le courant alternatif. Sommairement, elle agit comme un clapet qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens, et le bloque dans l'autre.
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Ce blocage a bien entendu une certaine limite en tension et en intensité : il s'agit de celles de la diode, fournie par la fiche technique.
Par exemple, pour la série 1N400x, x est la centaine de tension supportée : 1N4007 pour filtrer jusqu'à 700V). Au delà le composant peut claquer.

Le tout en série avec notre bobine :

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Donc schématiquement :

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Circuits Nomades Img_3710A) Les diodes font toutes plus ou moins chuter la tension à leurs bornes, c'est un genre de taxe sur leur utilisation, tout comme un clapet a tendance à opposer une résistance dans un circuit sous pression.

Selon la technologie utilisée, cette chute n'est pas la même :
- les diodes au germanium et schottky présentent une chute de 0.3V en moyenne, mais attention, elles sont souvent limitées en intensité.
- les diiodes au silicium d'environ 0.5V
- Les diodes de puissance en général plus de 0,7V.

Cela peut se révéler critique car cette chute est à retrancher directement de la tension que produit votre génératrice. Ainsi, si elle produit 2,5V, une diode de puissance ne vous permettra pas d'obtenir plus de 1,8V !

A noter que cette chute dépend également de l'intensité du courant qui traverse le composant : plus elle est importante, plus grande sera la chute.

B) Il y a de nombreux types de diodes dans la nature. Par exemple des zener, qui permettent de stabiliser une tension à leurs bornes, car elles peuvent laisser passer le courant dans le sens bloquant à une certaine tension. Néanmoins, il est possible de les utiliser dans cette expérience, qui ne manipulera que quelques volts.


Exemple ici : la composante négative est bloquée

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Seuls persistent les pics positifs. Le pic est si bref que les composants de la carte audio parasitent peu le signal. C'est pour cela que l'on parle de redressement mono-alternance.

On remarque une chose intéressante : ce système perd toutes les pics négatifs. Donc on ne redressera en moyenne que la moitié de l'énergie produite par notre génératrice.
Il existe un montage très ingénieux permettant de redresser les deux alternances pour profiter d'une plus grande partie de l'énergie fournie : le pont de diodes ou encore pont de Graetz (EN : Bridge rectifier).
Je laisse l'animation wikipédia expliquer en quelques frames comment cela opère.


Circuits Nomades Diodebridge-eng

On parle alors de redressement double-alternance.

Il suffit alors de quatre diodes : en guise d'exercice, je vous laisse analyser l'implantation : les deux fils bleus proviennent de la génératrice (entrée ou Input) tandis que le fil rouge est utilisé pour la sortie positive (+ output) et le fil marron pour la sortie négative (- output).

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Circuits Nomades Img_3710Le pont de diodes permet effectivement de récupérer les deux alternances d'un signal alternatif, mais il ne faut pas oublier que nous avons en permanence deux diodes en série avec notre montage. Cela occasionne donc une chute de tension doublée par rapport à un redressement avec une seule diode. Par exemple, un pont fait avec des diodes au silicium va faire chuter la tension de 2x 0,5V, soit 1V !

Cela pose un gros souci dans le cadre d'une génératrice de faible tension car nous n'aurons quasiment plus rien à la sortie. C'est ce que nous verrons avec les posts suivants sur le solaire.
Si le montage à alimenter consomme "peu", il est alors préférable de n'utiliser qu'une diode.

Un cas pratique : on n'utilise jamais un pont de diodes dans les radios à germanium, car le signal à détecter est déjà très faible à la base. Un pont de diodes au germanium rendrait inexploitable le signal.

Circuits Nomades Captur14

Comme attendu, le signal est quasi inexistant.

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Dans tous nos bidouillages, si l'on a la possibilité, il faut utiliser des diodes Schottky, qui présenteront le moins de pertes

Ceci marque la fin de la partie théorique.

Passons maintenant à la pratique.

Lors d'un Repair café, on m'a amené une lampe de vtt sans pile :

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qui fonctionne exactement sur le même principe :

- un aimant -fixé sur la roue- passe devant une bobine -fixée sur le cadre.
- un circuit récupère le courant produit
- et alimente des Leds de signalisation.

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Petite différence : la bobine a un noyau, ce qui augmente en général le courant induit. Et l'aimant présente ses deux pôles en un seul passage (pôles latéraux).

Je trouve ce système très ingénieux, car on n'a pas à s'occuper de l'alimentation du circuit : du courant est produit dès que la roue tourne. On est donc assuré d'être bien visible peu importe le moment de l'année.

Contrairement à la dynamo de vélo, il n'y a pas de contact entre l'aimant et la bobine, donc très peu de friction. Il n'y a donc pas de résistance sensible à l'usage ni d'usure prématurée du pneu.

Mais comme il s'agit d'un circuit "moderne", il intègre une quantité phénoménale de technologie en vue de fournir des services supplémentaires.

Très sommairement :

La bobine charge un super-condensateur, qui alimente un circuit qui va faire clignoter les Leds.
Le circuit maintient une fréquence de clignotement constante, tandis que le super-condensateur alimente le circuit pendant quelques dizaines de secondes lors des pauses (feux-rouges, etc.).
Ce qui correspond au "schéma" suivant :
Circuits Nomades Captu232

Le risque avec l'électronique sophistiquée, c'est bien entendu son manque de résilience, surtout face aux conditions extérieures.

La panne est difficilement identifiable car le circuit est "tropicalisé" via un genre de laque noire, impossible à retirer proprement sans détruire le circuit.

Circuits Nomades Captu226

On repère au moins un microcontrôleur en grattant la couche :

Circuits Nomades Captu227

Le super-condo a fui dans tous les sens, soit il n'a pas supporté les conditions extérieures, soit il a vieilli, soit le circuit régulateur de charge a flanché.
Je pense pour ce dernier point car un remplacement du composant n'a rien changé :

Circuits Nomades Captu234

Ces supercap ont toutes une tension maximale d'utilisation, en général de 5,4V (deux capas de 2,7V en série en fait), si on dépasse cette tension, on détruit le composant définitivement.

Du coup, la personne me a donné l'ensemble, faute de pouvoir le réparer sur place.
Comme je trouve le concept ingénieux, je l'ai récupéré pour ne conserver que l'essentiel : les Leds et la bobine.

On va tout simplement remplacer le circuit par le montage le plus simple, que nous avions vu dans la partie théorique :

- un pont de diodes pour redresser en double-alternance
- un condensateur pour stocker temporairement l'impulsion
- des Leds qui vont clignoter.

En gros ce schéma :
Circuits Nomades Captu233


A noter que dans un but de recyclage (et de paresse à refaire un circuit...), j'ai réutilisé le pont de diodes d'une lampe à dynamo dont l'accu Li-ion avait claqué (pas étonnant vu la régulation...) :

Circuits Nomades Captu231

Mais le condensateur était un peu sous-dimensionné, je l'ai remplace pour un 220µF 15V, afin de ne pas à avoir à me soucier de la tension de sortie de la bobine à vide.

Quelques détails :

- Si on ne relie pas de condensateur, les Leds vont clignoter tout juste le temps de passage de l'aimant devant la bobine, ce qui sera très court et sous forme de pics.

Le condensateur sert à "lisser" ces impulsions en réalisant un tampon. Nous aurons donc un pic de luminosité lors du passage de l'aimant, puis les Leds vont commencer à s'estomper.
C'est plutôt idéal lors de la pratique en hiver car il y a toujours un minimum de luminosité, et amha présente une petite amélioration du circuit de base, qui clignote, donc présente entre chaque flash une absence de signalisation.

- Si on relie un super-condensateur, il n'y aura plus de pic de luminosité, mais un éclairement moyen un peu plus fort. C'est possible, mais cela pose deux soucis :
- amha les automobilistes voient mieux les flash rouges clignotants,
- le supercondensateur impose une protection de surtension...ce qui sera le sujet d'un autre post de ce topic.

Entre les deux extrêmes se trouve le condo moyen de 220µF qui fait bien le travail.

- Les deux Leds sont en parallèle, avec une résistance de protection : plus cette résistance est élevée, plus durera l'impulsion lumineuse (le condo se décharge plus lentement : c'est une constante de temps RxC), mais plus on réduira la luminosité.

Il n'y a donc pour :
- valeur maximale que la luminosité max que l'on peut obtenir.
- valeur minimale que la protection des Leds. La bobine produit grosso modo des impulsions de 6V. Les Leds consomment 20mA, donc 40mA en série avec une tension de 2V à leurs bornes.
Ce sont les valeurs extrêmes pour plus de sécurité. Il faut donc chuter la tension de 4V sous 40mA.
Classique loi d'Ohm : U = RxI donc R= U/I = 4/0,040 = 100 Ω

Une résistance 100Ω sera minimale pour protéger les Leds, mais c'est un peu faible pour que les Leds persistent correctement.
J'ai branché une 200Ω à la place.


Circuits Nomades Img_3710Un point important : beaucoup de circuits oublient de calculer la puissance dissipée.

La plupart des résistances que l'on trouve dans l'électronique classique sont des 1/4W, c'est à dire 0,25W

Ici, notre résistance présente une chute de tension de 4V sous un courant de 40mA. Donc la puissance dans le cas d'une résistances 100Ω :
P = U x I = 4*0,04 = 0,16W. Cela passe avec les résistances 1/4W, mais pas 1/8W (0,12W), que l'on peut également trouver régulièrement en récup :

Dernière à droite : 1/8W
Avant dernière : 1/4W
Circuits Nomades Img_5610

Mais dans le cadre d'une résistance 200Ω, le courant n'est plus de 40mA, mais plus faible. En négligeant les variations des Leds, le courant est de I = U/R (loi d'ohm) = 4 / 200 = 0,02A donc 20mA.

Du coup, la puissance dissipée est P = U x I = 4 * 0,020 = 0,08W.
Ainsi, en augmentant la valeur d'une résistance dans ce circuit, on rend possible l'utilisation d'un composant d'une autre catégorie, de puissance plus faible.


Les experts noteront qu'il aurait été préférable de monter une résistance par LED. Mais au vu de l'utilisation, cela n'a dans la pratique pas de conséquence : les LEDs vont conduire dès que la tension aux bornes du condo est suffisante. Que l'un se déclenche quelques mV avant l'autre a peu d'importance.

Ce qui donne :

Circuits Nomades Captu230

J'ai réalisé cette manip en octobre 2018, l'ensemble fonctionne toujours sans aucun souci. clind'oeil

Circuits Nomades FlashLedVTT

Bons bidouillages à tous !

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Message par Kyraly le Sam 31 Aoû 2019 - 19:37

Merci... c'est digeste et très intéressant.

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Message par tarsonis le Mar 3 Sep 2019 - 17:25

Merci de ton retour; je ne savais pas si justement c'était "digeste".
Mes articles du moment sont beaucoup dans "comment je peux en retirer" plutôt que dans "que puis-je ajouter".
Difficile de parler d'un sujet en le survolant, surtout que j'ai besoin de développer des topics en suivant un ordre un peu imposé. Avant de parler du module solaire nomade, j'avais besoin des diodes de ce post, tout comme mon futur post sur un compteur geiger passif (recharge externe, à manivelle).

Et plus je bidouille, plus j'y vois des sujets, mais avec très peu de temps libre pour les développer.
Là une dictée magique trouvée quelques euros en brocante.

La panne était ridicule, tout refonctionne, mais cela a demandé quelques petites astuces assez amusantes de diagnostic en mode "DIY", car j'ai oublié mon multimètre chez des amis, donc j'ai tout testé avec la platine électronique pour enfants clind'oeil
Circuits Nomades Captu235

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