Notions generales sur les piles

NOTIONS GENERALES SUR LES PILES

Historique du circuit

Le domaine de l’électronique s’est développé rapidement depuis 1883, quand Thomas Edison a inventé la diode. Le tube à vide, qui est devenu la fondation de l’industrie de l’électronique jusqu’aux années 50, a joué un rôle fondamental dans le développement de la radio, de la TV, du radar et du calculateur numérique ou ordinateur, [1]. Beaucoup d’ordinateurs ont été créés pendant cette période par des groupes de chercheurs et le plus connu a été Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) de l’Université de la Pennsylvanie en 1946. ENIAC a utilisé plus de 18000 diodes dont chacune avait les dimensions de 7mmx14mm et consomme une grande quantité de puissance. Cependant, son taux de fiabilité était très faible car le taux d’échec des tubes à vide fut élevé. L’invention du transistor bipolaire en 1948 marque le commencement d’une nouvelle ère dans l’industrie de l’électronique et les tubes à vide disparaissaient progressivement. Les transistors pouvaient exécuter les fonctions des tubes à vide avec une plus grande fiabilité. En plus de leur faible consommation, ils occupaient peu d’espace alors moins encombrants. Les premiers transistors furent fabriqués au germanium qui ne pouvait pas fonctionner correctement au-dessus de la température de 100°C. Ainsi, ils ont été remplacés par le silicium qui pouvait fonctionner à des températures beaucoup plus élevées. Ensuite, il y a eu l’invention des Circuits Intégrés (CI) ou Integrated Circuits (IC) en 1959, dans lesquels des diodes, des transistors, des résistances et des condensateurs peuvent être placés ensemble sur un même circuit encapsulé.

Le développement du microprocesseur par Intel Corporation au début des années 70 a contribué à l’essor de l’industrie de l’électronique. Cette rapide évolution a permis aux gens d’avoir des ordinateurs personnels pour leur travail ou pour leur usage domestique. Aujourd’hui, l’électronique est toujours présente dans tous les domaines de la technologie, à travers les nanotechnologies, les appareils électroménagers, dans les automobiles, etc. Et dans le futur, il est difficile d’imaginer un nouveau produit révolutionnaire qui n’implique aucun composant électronique. Le circuit a été décrit en 1999, par Z. Kaparnik, [3]. Ce circuit se composait d’un convertisseur de tension simple transistorisé et fut basé sur l’oscillateur à blocage. À l’origine, il utilisait un tube à vide datant d’avant la Seconde Guerre Mondiale. Le nom « Joule thief » a été donné par Clive Mitchell, [4], à cause de sa variante du circuit de Kaparnik qui consistait en une cellule unique, un seul transistor NPN BC549, en une bobine à deux enroulements, en une unique résistance de 1000 ohms et en une LED blanche. Le nom « Joule thief » était devenu populaire et, depuis lors, certains l’ont emprunté pour l’attribuer à d’autres circuits électroniques.

Historique des piles 

A l’époque, un italien nommé Volta Alessandro (1745-1827), devint en 1774 Professeur de physique à l’École Royale de Côme, sa ville natale, [5]. En 1779, il travailla dans le domaine de physique expérimentale à l’Université de Pavie, [6]. Peu de temps après, il inventa, le 17 mars 1800, la « pile à colonne » qui était le premier appareil produisant un courant électrique continu. Volta Alessandro fut, depuis ce jour-là, l’inventeur de la pile électrique. En 1801, Napoléon Ier le fit Comte en hommage de son travail dans le domaine de l’électricité. C’était en son honneur que le « Volt » fut donné à l’unité du potentiel électrique, [7].

Définition

Une pile électrique est un dispositif électrochimique qui génère de l’électricité. Une réaction d’oxydoréduction se passe dans son intérieur et convertit l’énergie chimique en énergie électrique. Elle est constituée par un pont salin et deux électrodes (cathode et anode) plongées dans une solution appelée «électrolyte». L’un des compartiments de la pile est polarisé positivement, tandis que l’autre compartiment est polarisé négativement. Le pont salin assure à la fois l’électro-neutralité des deux compartiments et la fermeture du circuit. Lors de son utilisation, l’intensité du courant sort toujours de la borne positive de la pile. Elle traverse ensuite un récepteur et revient à la fin de son trajet vers de sa borne négative.

Principe de fonctionnement

Réaction d’oxydo-réduction

Un réducteur est une espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs électron(s) lors d’une réaction d’oxydation. L’électrode où se produit une oxydation est une anode.

Code de distinction des piles

Des codes sont inscrits sur chaque pile afin de faciliter sa reconnaissance et sa distinction. Parmi ces codes, on distingue les codes American National Standard Institute (ANSI) et les codes international electrotechnical commission (IEC) .

Dans la majeure partie des cas, l’épaisseur des piles boutons est plus petite par rapport à leur diamètre. La dénomination des piles boutons lithium est basée sur un code de la forme « BRddee » ou « CRddee » où :

● La lettre « R » indique la forme ronde de ces piles ;
● Les lettres « B » et « C » désignent la nature du métal utilisé pour la cathode ;
● Les « CR » sont au dioxyde de manganèse ;
● Les « BR » sont au mono-fluorure de carbone ;
● Les lettres « dd » correspondent au diamètre en millimètre ;
● Les lettres « ee » correspondent à l’épaisseur en dixième de millimètre.

La dénomination des piles boutons alcalines porte la lettre « LR », tandis que celle des piles boutons Zinc-Argent se remarque par la lettre « SR ». Pour les deux cas, les deux autres lettres « xx » qui les suivent ensuite correspondent à des chiffres aléatoires.

Transistors bipolaires

Un transistor bipolaire est réalisé dans un monocristal comportant trois zones de dopages différents à savoir la base « B », l’émetteur « E » et le collecteur « C » :
● L’émetteur « E » est fortement dopé. Son rôle est d’injecter des électrons dans la base. Il est repéré par une flèche qui indique le sens du courant dans la jonction entre base et collecteur.
● La base « B » est faiblement dopée et très mince. Elle transmet au collecteur la plupart des électrons venant de l’émetteur.
● Le collecteur « C » recueille les électrons qui lui viennent de la base d’où son nom.

Selon le sens de montage, on peut avoir deux sortes de transistor bipolaire en se référant sur les jonctions PN (diodes), dont l’une est polarisée en direct et l’autre, en inverse:
● Un transistor NPN (deux bornes négatives et une borne positive) ;
● Un transistor PNP (une borne négative et deux bornes positives).

Transformateur de puissance

La conversion d’énergie électrique fait appel, de manière générale, à deux types de phénomènes physiques:
● Les phénomènes électriques associés au courant ;
● Les phénomènes magnétiques associés au flux magnétique.

Un transformateur de puissance est un dispositif statique qui transfère de l’énergie électrique grâce à l’induction électromagnétique. Pour un transformateur, deux enroulements sont aux moins nécessaires pour pouvoir modifier le niveau du signal d’entrée sans modifier sa fréquence.

Le transformateur est à vide quand l’enroulement secondaire n’a pas été raccordé à un récepteur mais ouvert. Ainsi, la variation de flux induit une tension dans l’enroulement secondaire mais ne débite aucun courant. L’enroulement primaire se comporte alors comme une simple inductance qui s’oppose au passage du courant. Le transformateur fonctionne en charge quand un récepteur est raccordé à la sortie de l’enroulement secondaire. Dans ce cas, la variation de flux induit dans l’enroulement secondaire un autre courant qui crée un champ magnétique opposé au champ produit par le primaire. En fin de compte, il y a égalité parfaite entre la puissance générée par le secondaire et la puissance consommée par l’enroulement primaire.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1: NOTIONS GENERALES SUR LES PILES
1.1. Historique du circuit
1.2. Historique des piles
1.3. Définition
1.4. Principe de fonctionnement
1.4.1. Réaction d’oxydo-réduction
1.4.2. Force électromotrice
1.5. Classification des piles
1.5.1. Piles primaires ou piles non rechargeables
1.5.2. Accumulateurs
1.5.3. Code de distinction des piles
Chapitre 2: MATERIELS ET METHODOLOGIE
2.1. Diode à jonction
2.1.1. Description
2.1.2. Polarisation en direct
2.1.3. Polarisation en inverse
2.2. Diode électroluminescente
2.2.1. Définition
2.2.2. Mécanisme d’émission
2.3. Transistor
2.3.1. Description
2.3.2. Transistors bipolaires
2.3.3. Régime de fonctionnement
2.4. Résistance
2.4.1. Définition
2.4.2. Loi d’Ohm
2.4.3. Effet Joule
2.5. Bobine
2.5.1. Description
2.5.2. Classification des matériaux magnétiques
2.5.3. Transformateur de puissance
Chapitre 3: SIMULATIONS ET REALISATION DU PROTOTYPE
3.1. Simulations
3.1.1. Nécessité des simulateurs
3.1.2. Présentation du Proteus
3.1.3. Montage et interprétation
3.2. Réalisations
3.2.1. Montage et interprétation
3.2.2. Test d’efficacité
3.2.3. Étude de longévité
3.3. Discussions
3.3.1. Avantages
3.3.2. Inconvénients
CONCLUSION
REFERENCES

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