Préface
Beaucoup ignorent la fonction réelle d’un condensateur, il est donc indispensable d’y remettre bon ordre.
Ce qu’il faut savoir sur un condensateur :
C'est qu'un condo a une résistance interne (ESR), responsable:
- de son prix en fonction de sa valeur
- de la taille du condo
- de son efficacité
Un condo ne sert que sur des impacts, pas sur la durée.
En gros sur un tir d'infra grave de 5 secondes, ça ne fait que 4.5 secondes que le condo fait plus chier ta batterie qu'autre chose.
(Ben oui un condo çà se vide... et faut bien le re-remplir un jour).
La longueur de câble entre l’ampli et le condensateur n'est pas traitée ici.
Néanmoins, se reporter aux mêmes remarques que la résistance des câbles, c'est pareil (à savoir que 1m de câble de 16mm² est aussi efficace que 35cm de 6mm²).
FAQ
Q : un condensateur peut-il combler les chutes de tension, et par exemple empêcher les lumières de la voiture de se transformer en jukebox sur de gros coups de basses ?
R : çà peut aider sur les impacts violents (aider, pas tout résoudre), mais sur les longues attaques de grave, infra longs etc, çà ne changera absolument rien
Q : que puis-je faire pour que mes lumières ne clignotent plus ?
R : mettre une batterie avec des Ah beaucoup plus élevés, et un alternateur plus costaud
Q : un condensateur va-t-il rendre votre installation plus puissante qu’elle ne l’est ?
R : en aucun cas
Q : en quoi un condo peut-il être utile ?
R : il « nettoie » le courant qui entre dans les amplis, il est potentiellement plus stable quand un condo est présent
Q : que va concrètement changer un condensateur à l’écoute ?
R : sur des amplis à alimentation non stabilitée (la majorité des amplis du marché), on pourra peut-être ressentir des impacts de grave un peu plus percutants, du point de vue qualitatif sur le reste je n’en sais fichtre rien
Q : à quelle distance doit-on brancher le condo de l’ampli ?
R : par paranoïa on va dire au plus près, même si l’utilité de le faire reste à prouver
Q : comment doit-on brancher un condo ?
R : idéalement directement aux bornes + et – de l’ampli, si l’ampli n’a pas de double bornier on pourra utiliser un répartiteur pour le + et le -, toujours au plus près de l’ampli (restons parano)
Q : vaut-il mieux un condensateur de 2 Farad ou 2 condensateurs de 1 Farad ?
R : sur le principe 2 petits condensateurs valent mieux qu’un
Q : vaut-il mieux un condo pour tous les amplis ou un condensateur par ampli ?
R : un par ampli
Q : à quoi sert la résistance fournie avec un condensateur ?
R : à le charger doucement pour ne pas provoquer une grosse étincelle (placer la résistance en série entre le câble + et le + du condo, jusqu’à ce qu’il soit chargé. Il est indispensable de sortir le fusible principale de l’alim pour procéder au branchement du condo, on pourra utiliser la résistance (ou une ampoule de phares de voiture si perdue ou non fournie) en la plaçant entre l’un des coté du fusible et le porte fusible, jusqu’à ce que le condo affiche 12V environ.
Q : quelle capacité de condo dois-je prendre ?
R : pour la majorité des install il ne sera pas utile de prendre plus gros que 1 Farad
Mais pourquoi ?
Pour ceux qui souhaitent comprendre le pourquoi du comment, vous trouverez à lire ci-dessous des tests poussés qui prouvent ces affirmations, réalisés par Richard Clark sur un forum audio américain :
http://www.audiogroupforum.com/csf [...] hp?t=32985
Ces tests font appel aux lois de la physique, qui sont universelles et incontournables, pour démontrer l’utilité ou l’inutilité d’un condensateur.
Je précise également que tout ce qui suit est une traduction de l’original, nous avons essayé au maximum de conserver le sens littéral de l’original.
Merci à titi pour son coup de main.
Note pour relativiser :
Ces tests sont basés sur des tirs de 100A à 300A, ce qui est très élevé :
Une installation qui joue a niveau normal traîne a 10A, même avec 3 amplis.
Monte éventuellement à 50A sur des coups de débilité passagère... (On ne parle pas des installs poussées à très forte consommation de type SPL, ce n’est pas le but)
Leçon 1
A la fin de cette discussion vous devriez être en mesure d’expliquer à tous que selon la loi d'ohms il est impossible que les condo soient réellement efficaces, en admettant bien sur qu'ils obéissent à la loi d'ohms. Nous démontrerons ceci pas à pas, ainsi chacun pourra suivre le fil de la démonstration. Faisons un petit calcul. Supposons que nous avons une résistance interne dans le condensateur (qu’on appelera ESR) qui est de 0.017 ohms (dix-sept milli ohms). Ceux que j'ai mesurés en avaient une plus élevée mais laissons leur le bénéfice du doute.
Selon la loi d'ohms combien de volts sont perdus à travers 0.017 ohms de résistance sur un courant de 100 Ampères ? Qu’en diriez-vous si nous élevions le courant à 300 Ampères ? Je vous laisse répondre à ces questions avant d’aller plus loin. Si nous ne tombons pas d’accord sur ces réponses il n’y a aucune chance pour que nous arrivions un jour à la vérité.
U (tension) = I (Courant) x R (Résistance, ici ESR du condo)
U = 100A X 0.017 = 1.7V
U = 300A X 0.017 = 5.1V
Leçon 2
Si chacun veut suivre et comprendre complètement la finalité il est important de ne manquer aucune étape.
L'ESR du condensateur équivaut à une résistance placée en série sur le circuit. Ca signifie exactement ce que çà semble vouloir signifier : le condensateur est une source de tension, et il se comportera exactement comme si il avait une résistance de la même valeur que l’ESR branchée en série à sa sortie.
Un amplificateur a une ESR. Une alimentation a une ESR. Une batterie a une ESR, et oui un condensateur a une ESR. Les composants ont une ESR parce qu’il n’existe pas de conducteurs parfaits pour les en équiper.
Maintenant les devoirs. Nous avons appris que si 100A traversent une résistance de 0.017 ohms il y aura une chute de tension de 1.7V. Et si le débit en ampères grimpe jusqu'à 300A, la chute de tension grimpera jusqu'à 5.1V.
Pour la théorie, partons du principe que nous avons fabriqué « le plus gros condensateur de l’univers ». Des milliards de farads. Ses armatures sont faites d'un matériau (fictif) récemment découvert que nous appellerons l'unobtanium. Ce nouveau matériau n'a aucune résistance, donc notre superbe condensateur à un ESR de 0 ohms (autrement dit il n’en a pas). Nous chargeons le condensateur à 14.2V. Nous plaçons alors une résistance avec une valeur de 0.017 ohm en série avec une des bornes de ce condensateur.
Question : Si nous branchons une charge qui tire 100A sur ce condensateur (en l’occurrence un ampli, par exemple), quelle sera la tension résultante après la résistance ? Quelle sera la tension côté condensateur ? Que se passe-t-il si nous augmentons la charge à 300A ? Quelles seront les tensions de chaque côté de la résistance ?
La tension du côté du condensateur serait de 14.2V, parce qu'indépendamment de la charge, le condensateur maintiendra une tension de 14.2V.
Du côté de l’ampli, pour une consommation de 100A la tension sera de 12.5V (14.2V – 1.7V), et à une consommation de 300A la tension sera de 8.9V (14.2V – 5.1V).
Ceci suppose que naturellement il n'y a aucune autre source de puissance du côté de l’ampli, comme une batterie de voiture ou un alternateur !
Leçon 3
Maintenant que nous avons étudié l’ESR, et que nous savons ce que c’est, et quels sont ses effets sur le fonctionnement d'un circuit, passons à un autre sujet. Mais n’oublions pas l’ESR car c’est l’un des facteurs importants dans notre recherche de la vérité au sujet des condensateurs et nous y reviendrons plus tard.
Aujourd'hui nous connaissons l’importance du concept de stockage d'énergie total dans un dispositif comme un condensateur.
En électronique, nous mesurons la puissance en watts. La puissance en watts nous indique quelle quantité de travail un dispositif peut effectuer. Mais une estimation de puissance en watts ne nous indique pas pendant combien de temps nous pouvons accomplir ce travail.
Quand nous ajoutons l'élément du temps à notre puissance en watts, nous utilisons une valeur que nous appelons des Joules.
Un Joule est un watt par seconde. Ceci signifie qu'une énergie de un Joule peut fournir un watt pendant une seconde.
Dix Joules peuvent fournir un watt pendant dix secondes ou dix watts pendant une seconde ou cinq watts pendant deux secondes, cent watts pour un dixième de seconde, et ainsi de suite
.
La formule pour déterminer la quantité de Joules stockés dans un condensateur est très simple. Nous prenons la moitié de la valeur du condensateur en farads, et la multiplions par la tension de charge portée au carré.
Par exemple la quantité de Joules contenue par un condo d'1 Farad chargé à 14 volts serait
0.5 x (14x14) = 98 ou 0.5 x 196 = 98 Joules.
Un condo de 20 farads chargé à 14 volts fournirait 10 x (14x14) = 1960 Joules.
Il y a un concept très important à comprendre au sujet du stockage de l’énergie. Un condensateur stocke réellement l'électricité. Une batterie non. Les batteries ont le capacité de produire l'électricité au moyen d'une réaction chimique, mais les condensateurs stockent réellement des électrons sur leurs plateaux sous forme de charge électrostatique. Dans nos deux prochaines leçons nous apprendrons pourquoi il est important d’avoir bien compris çà.
Mais d'abord, les devoirs. Nous avons appris qu'un Joule est un watt par seconde. Une batterie Optima Jaune est donnée pour 65 ampères heure. Ceci signifie qu'elle peut fournir 65 ampères pendant une heure. Combien de Joules est-ce que cela représente ?
Un Joule peut fournir un watt par seconde. Et notre batterie peut soutenir 65 ampères pendant 1 heure. Ainsi combien de secondes dans une heure ?
3600 sec dans une heure. (60min X 60sec)
Ainsi si je divise 65 ampères par 3600 (sec) qui me donneront 0.018 ampères par seconde.
P (Puissance) = I (Ampères) x U (Volts)
La tension de circuit ouvert d'une batterie est 12.8 x 65A soit 832 W pour une heure de fonctionnement
Soit en watts par seconde, donc en Joules : 832W x 3600 = 2 995 200 Joules ou 2.9 Mega Joules
Mais nous ne pourrons jamais utiliser tous ces Joules. Pourquoi pas ? Puisque quand nous les utilisons nous devons passer par l'ESR de la batterie. Ceci cause une chute de tension et une perte d'énergie.
Plus l'ESR est élevé, moins nous pouvons sortir d’énergie de la batterie. C'est la perte à travers l'ESR qui fait chauffer une batterie lorsqu’on tire dessus.
Leçon 4
Dans la réalité la tension de la batterie chute si elle est en circuit ouvert de 12.8V avec une charge de 65 Ampères. Dans le cas de l’optima jaune, sa tension réelle à 65 ampères est d’environ 12.2V lorsqu’elle est entièrement chargée. Après une heure avec une consommation de 65A la tension aura chuté à environ 10V.
Si nous prenons une moyenne de 11V notre réponse sera (en refaisant le calcul précédant avec 11V au lieu de 12. : 2 574 000 Joules.
Il reste un grand nombre de Joules ! Ceci nous amène à un fait très important : l'énergie dans une batterie sera épuisée presque totalement avant qu'elle ne soit tombé à 10V.
Une fois que nous aurons consommé ces 2.5 millions de Joules de la batterie il ne lui restera probablement plus qu’environ 100 000 Joules. Nous pouvons presque totalement vider l'énergie de la batterie et ne jamais tomber en dessous de 10V.
C'est parce que la batterie ne stocke pas l'électricité : elle stocke des produits chimiques. Une réaction chimique produit l'électricité. Le stockage de la charge électrique réelle est très inefficace.
Regardez notre pauvre condensateur : même si nous le rendions aussi grand qu'une batterie il ne serait suffisant que pour peut-être 50 000 à 100 000 Joules, ce qui ne représente même pas l’énergie restante dans une batterie presque morte.
Mais comme si çà ne suffisait pas, il y a encore de plus mauvaises nouvelles.
Un condensateur est comme un réservoir d’essence de voiture. La pompe peut uniquement aspirer de l’essence jusqu’au niveau du trou de la pompe, pas plus bas. L’essence située plus bas que cet orifice ne pourra jamais être utilisée. Si nous chargeons un condensateur de 20 farads à 14V nous savons des leçons précédentes qu'il contiendra 1 960 Joules. Si nous utilisons ce condensateur en le branchant sur un ampli et l’utilisons jusqu’à ce que nous chutions à 10 volts avec notre batterie combien de Joules aurons nous consommé du condensateur ? Combien de Joules demeureront dans le condensateur, dont nous ne pourrons jamais tirer bénéfice puisque notre système ne chute jamais en dessous de 10V de tension ?
Pour un condensateur de 20 Farad
10 x 14² =1960 J
10 x 10² =1000 J
1960 J @ 14V – 1000 J @ 10V= 960 J qui seront le maximum utilisable dans la réalité
Leçon 5
Dans notre dernière leçon nous avons appris que le réservoir du condensateur stocke la charge électrique sur ses plateaux.
Et des 1960 Joules stockés dans un condo de 20 farads, 1000 d'entre eux sont stockés à un potentiel inférieur à 10 volts. Ceci signifie qu'en aucun cas ces 1000 Joules ne seront utilisés par un système audio en fonctionnement.
Aujourd'hui nous étudierons un autre facteur de perte. Nous avons déjà étudié les chutes de tension dues à l'ESR mais voyons maintenant ce qu’il se passe du coté de l’énergie/des watts.
Clarifions les choses. La puissance fournie à la sono par la batterie et l'alternateur traverse le condensateur : elle circule simplement à travers ses bornes. Si la charge du condensateur est inférieure au potentiel de la batterie/l’alternateur, le courant se déversera DANS le condensateur jusqu'à ce qu'il atteigne l'équilibre de potentiel avec la batterie/l’alternateur. Si le potentiel de Batterie/Alternateur est inférieur au potentiel de charge en courant du condensateur, le contenu du condensateur se déversera dans la batterie et/ou l'ampli.
Toujours se rappeler que la tension circule du potentiel le plus élevé vers le plus bas, tout comme l'eau. Le courant cependant ne se déverse pas dans l'alternateur, même s’il est inférieur en potentiel à la batterie et au condensateur, parce qu'il est équipé de diodes pour uniquement en laisser sortir le courant, mais ne pas le laisser y entrer.
Maintenant, à chaque fois que du courant entre dans le condensateur ou en sort, il doit passer par son ESR. La résistance est vraiment présente dans tout le condensateur mais elle se comporte comme si elle était raccordée sur une de ses bornes de sortie, puisque la position d’un composant en série dans un circuit en boucle n’a pas d’importance.
Supposer maintenant que notre condensateur de 20 farads est chargé à 14.2V et que nous plaçons une charge à sa sortie (exemple, on fait tourner un ampli raccordé directement au condensateur). Cette charge est la même que celle que nous avions dans la leçon 2 pour consommer 100 ampères de courant de notre condensateur à capacité « illimitée ».
Seulement maintenant, nous avons notre plus petit condensateur de 20 farads. Nous savons qu’en sortant 100A de courant de notre condensateur, que 1.7V seront perdus à travers l'ESR de 0.017 ohms. Ceci provoquera une chute de la tension à 12.5V, tout comme c’était aussi le cas pour le condensateur à capacité illimitée.
Ceci signifie que l’ampli (consommateur de 100A) consommera 1250 watts de notre condensateur : 12.5V X 100A = 1250 W.
La puissance en watts maximale produite par le condensateur est de 1420 W. 14.2V X 100A = 1420 W.
Malheureusement une puissance de 170 watts sera perdue en chaleur dans l'ESR du condensateur. Ceci représente une perte de 13% (170 / 1250 x 100) des 960 Joules représentant l’énergie totale utilisable.
La question est de savoir, si nous augmentons la consommation de courant à 300 ampères (300A x 14.2V = 4260 W), combien de watts seront-ils dissipés dans l'ESR du condensateur et quel pourcentage du total des 4260 W cela représentera-t-il ? De nos 960 Joules totaux utilisables, quel pourcentage sera disponible pour la sono ?
Avec le courant de 100A, et l’ESR 0.017 ohms, il y a une baisse 1.7V : 100A x 0.017Ohm = 1.7V
Ceci est absorbé par le condo comme 170W d'énergie gaspillée (la chaleur) : 100A x 1.7V = 170W
Avec le courant de 300A, et l’ESR 0.017 ohm, il y a une chute de 5.1V : 300A x 0.017Ohm = 5.1V
Pour le courant de 300A, 1 530 W seront convertis en chaleur perdue : 300A x 5.1V = 1 530W
L’ampli consommera : 300A x 9.1V = 2 730W
C'est 56% de la puissance disponible qui seront perdus en chaleur : (1 530W / 2 730W) X 100 = 56%
L'ESR du condo de 20 Farad (seul, sans batterie, sans alternateur) gaspillera 56% de l’énergie disponible en Joules : 960J x 56 / 100 = 538J
Des 960 Joules disponibles, seulement 422J, ou 44% de l'énergie du condo seront utilisables par l'amplificateur.
Leçon 6
Récapitulons la leçon 5. L’essentiel est que chacun semble comprendre le mécanisme des pertes. Dans la leçon 5 nous avons vu que l'énergie que nous pouvons effectivement extraire d'un condo est inversement proportionnelle à la quantité que nous essayons d’en extraire. C'est parce que l'ESR étant en série avec les sorties du condo reste constant indépendamment de la charge. A des niveaux de puissance très élevés, cet ESR peut se révéler très conséquent.
Précédemment nous avons compris que l'ESR cause une chute de tension proportionnelle à la quantité de courant consommée. Quand il y a une perte dans la résistance, il y a dissipation de chaleur.
La leçon 5 nous a enseigné qu’avec 100 ampères (venant d'un condo avec 0.017 ohms d’ESR) nous perdons 13% de notre énergie en Joules en dissipation sous forme de chaleur, systématiquement dès que nous essayons d’utiliser ce courant. Si un condo a un ESR de 0.017 ohms, et qu’on lui demande de fournir 300 ampères, nous perdons 56% de l'énergie stockée quand nous essayerons de l’extraire.
Dans notre exemple de condo avec 300 ampères de courant consommés, nous perdons 1530 watts en chaleur.
C'est ce qui fait qu’une batterie, un ampli ou une source d’alimentation chauffent quand ils doivent fournir des niveaux de puissance élevés. Pratiquement toutes les sources de tension ont un ESR. Nous devrions maintenant avoir bien compris de quelle manière l’ESR affecte les composants. Le point suivant à traiter est l’ESL.
L’ESL représente une inductance équivalente en série. Tout comme l'ESR il peut être assimilé à un inducteur (une self) en série avec une sortie de notre condensateur.
Maintenant tout le monde sait ce qu’est un inducteur en acoustique automobile. Il oppose une résistance à une modification dans le flux de courant. L’endroit où on les retrouve le plus couramment est dans les filtres passifs des haut parleurs / kits éclatés.
Utilisés en série avec un woofer ils laissent passer les basses fréquences et stoppent les hautes fréquences. La raison de ce comportement réside dans le fait qu'un inducteur (ou une self pour une appellation plus commune) se comporte comme une résistance qui change de valeur en fonction de la fréquence.
A l’inverse d'un condensateur qui baisse de valeur lorsqu’on augmente la fréquence, les self baissent de valeur en diminuant cette fréquence.
Maintenant supposons que la valeur ESL du condo est 0.2 mH (milli Henri). Ceci devrait amener la réactance du condo à près de 0.063 ohm à 50 hertz. Ceci signifie que si nous voulions régénérer notre courant à une fréquence de 50 hertz (ce qui semble raisonnable si nous faisons pas mal de grave) notre ESL serait de 0.07 ohm, à mettre en série avec notre ESR de 0.017 ohm, ce qui donnerait une valeur totale de 0.087 ohms de résistance (2 résistances en série s’additionnent).
Nous savons par la loi d'ohms que si nous essayons d'obtenir 100 ampères à 0.087 ohms de résistance nous aurons une chute de tension de 8V environ, et à 300 ampères la chute serait ....................
Pas la peine de faire un dessin, astronomique au regard du voltage disponible au départ (14.2V).
Tout le monde suit toujours ??? Je sais que ce ne sont pas de bonnes nouvelles mais c’est comme çà que çà marche.
Maintenant préparons le test de ce soir pour la leçon 7. Allez vous acheter une ampoule et une pile alcaline 9V, Duracell par exemple.
Câbler l’ampoule et la brancher sur la pile alcaline de 9V et chronométrer le temps où l’ampoule restera allumée. Préparez-vous à attendre quelques heures.
Charger un gros condo (20 Farad) à 14.2V et faire de même en l’utilisant à la place de la pile 9V. Se préparer à environ 1 heure d’attente.
Charger un condo de 1 ou 1.5 farad à 14.2V et faire de même. Noter les temps.
Leçon 7
Dans la dernière leçon je vous ai proposé un essai dont je vais donner les conclusions tout à l’heure. Le but de cet essai était de mesurer la capacité d’un gros condo. Comme précisé dans les leçons précédentes, le stockage des électrons sous forme de charge sur un plateau n'est pas vraiment très efficace. Certains pensent qu’on devrait pouvoir se baser sur une valeur de 2000 Joules. Notre essai ira dans ce sens.
Le test dans les conditions énoncées dans la leçon 6 va donner les résultats suivants :
Le condo de 1.5 Farad allume l'ampoule pour environ ............ …5 minutes et 28 secondes
Le condo de 20 Farad allume l'ampoule pour environ ................ 54 minutes
La pile alcaline 9V l’allume pour environ .......................………….2 heures et 14 minutes
Chacune de ces unités a un ESR plus élevé que l’autre. L'ESR le plus élevé des 3 était la pile de 9V.
La pile de 9V a réellement assez d'énergie pour allumer l'ampoule bien plus longtemps, mais puisque son ESR est assez élevé elle perd beaucoup de son énergie en dissipation en chaleur. Mais il est évident que la pile contient davantage d'énergie que le condo de 20F et énormément davantage que le condo de 1.5F.
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Avant de continuer passons en revue quelques faits[ :
Dans la leçon 3 nous avons appris qu'un condo de 20F peut contenir 1960 Joules à 14 volts.
Dans la leçon 4 nous avons appris que seulement 960 d'entre eux se trouvent à un potentiel au-dessus de 10 volts.
Dans la leçon 5 nous avons appris que si nous voulons les utiliser avec une charge 100 ampères nous perdrons 13% des 960 Joules qui seront dissipés en chaleur. Si nous les utilisons à une charge de 300 ampères nous perdrons 56% des 960 Joules ce qui nous laissera avec seulement environ 500 Joules utilisables.
Et pourtant ces pertes sont seulement imputables à l'ESR, elles n'incluent pas le phénomène de l’ESL qui pourrait réellement être plus conséquent si les appels de courant sont assez rapprochés.
Certains disent que le but d’un condensateur est de fournir l’énergie rapidement. Certains disent également qu'ils peuvent servir à fournir de l’énergie sur une longue période.
Je vais argumenter sur les deux affirmations ci-dessus. Pour la tenue dans le temps, le précédent test a démontré qu’une pile alcaline de 9V est nettement plus efficace, et si on veut comparer à une batterie de voiture, le condensateur devient passablement ridicule.
A quoi bon 500 Joules utilisables dans un condo quand nous en avons plus de 2 millions de disponibles dans la batterie de la voiture ?
Il est évident qu’un condensateur ne peut être d’aucune utilité pour compléter la réserve de courant d’une batterie, par contre ce qu'il devrait pouvoir faire, est de fournir l'énergie plus rapidement qu'une batterie de voiture.
Mais avant d’en parler, étudions le comportement d’une batterie et d’un alternateur sous des charges dynamiques.
Leçon 8
Pour cette leçon j'ai fait quelques mesures réelles. Voici les conditions des essais : pour mesurer la tension nous utilisons un module DCX de Precision Power. Pour le taux d'échantillonnage nous avons choisi un pas de 40 mesures par seconde. Pour l'essai du système sono éteinte, j'ai utilisé un appareil de contrôle de charge KAL. Il peut faire des tests de puissance sur les circuits de 12 volts jusqu'à 1200 ampères en continu.
La sono se compose de 2 amplis Rockford Fosgate 1100W RMS bridgés sur des haut-parleurs de 4 ohms. L'alternateur est un Delco classique de 80A type CS.
La température de l’alternateur a été surveillée par une sonde IRE de Raytek ST2L.
La vitesse de moteur a été réglée avec un appareil de contrôle Thexton #398 IACV.
La musique de test est la piste SPL n°30 du CD IASCA US.
La batterie est une Stinger SPB-1000. Toutes les mesures de tension ont été faites directement aux bornes d'un des amplis.
ESSAI N°1
Essai d’un ensemble alternateur/condo/batterie avec la charge factice de 200 ampères. Pour cet essai nous avons surveillé la tension de la voiture avec la sono à l’arrêt.
Avec le moteur en marche la tension est mesurée aux environs de 13.7V stables.
Après 22 secondes nous avons appliqué une charge de 200 ampères. La tension chute à 11.6 sur les deux graphiques. Cette charge excède évidemment la capacité de l'alternateur à réguler la tension à une valeur de 13.7V ce qui explique la chute de tension. La chute de tension est presque instantanée jusqu'à environ 12.5 volts, tension à laquelle la batterie commence à travailler et fournit une grande partie de la puissance nécessaire. Finalement la tension chute à 11.6V et au bout de 26 secondes nous débranchons la charge de 200A.
La tension commence alors à remonter au point de stabilité (13.7V) une fois que la batterie est rechargée (courbe jaune) et une fois que la batterie et le condo (courbe verte) sont rechargés.
Au bout de 50 secondes je coupe le moteur et arrête ainsi l'alternateur. La tension chute alors à la tension nominale de la batterie soit environ 12.7V. Plusieurs mesures ont été faites et elles ont donné un résultat quasi identique. Il y a des différences microscopiques mais je crois qu'elles sont dues à la température de l’alternateur. Les régulateurs de l’alternateur sont en général sensibles à la température. Ils ont tendance à fonctionner moins bien à chaud. Pour cette raison nous avons laissé refroidir l’alternateur entre chaque essai et avons étroitement surveillé la température à chaque essai.
ESSAI N°2
Test avec la sono en marche sur de la musique (tiens donc…). Note : entre chaque essai nous avons laissé refroidir l’alternateur, et la batterie a été rechargée jusqu'à ce qu'un chargeur automatique ait indiqué qu’elle est totalement chargée.
Courbe violette
Notre premier essai a été effectué moteur coupé et condo débranché. La courbe violette en est le résultat. Le volume a été poussé au niveau seuil de distorsion et nous sommes positionné juste en dessous. La musique était la piste 30 du CD IASCA US.
Elle commence avec des sons à un volume assez faible pendant les 34 premières secondes. Afin de s’assurer que le circuit électrique est stable nous n'avons pas commencé la mesure avant d’avoir dépassé 20 secondes à compter du début de la piste.
Ceci signifie que notre point de départ de mesure est : 20s sur l’afficheur de l’autoradio. La batterie pouvait maintenir sa tension de 12.5V jusqu'à ce que la première basse forte frappe, à 34 secondes (14 secondes après le début de la mesure), la tension chute alors à 11.5V et subit quelques grandes variations dues à la musique.
Selon les calculs de l’ordinateur (troisième diagramme) la tension moyenne pour cet essai était de 11.7V. Cet essai a été réalisé pour servir de courbe de référence pour les essais suivants.
Courbe jaune – Aucun condo
Moteur éteint. Pour cet essai le volume de l’autoradio est resté le même que pour le test précédent. Nous démarrons maintenant le moteur. On note que sur les premières secondes à faible volume, l’alternateur pouvait maintenir une tension d’environ 14V. Quand la forte basse a frappé à 34s, la tension est tombé à environ à 12.5V et est resté stable, à part quelques instants où elle est remonté à plus de 13.5V sur des passages plus calmes. La moyenne de la tension effectuée par ordinateur pour les 100 secondes de cet essai est de 12.973 V.
Courbe rouge – condo ajouté
Cet essai est identique à l'essai précédent sauf que le condo (de 15 farads) a été branché à 15cm de l’ampli avec un câble de section 21mm². Aucun relais ou fusible n’a été branchés dessus. La courbe rouge coïncide parfaitement avec la jaune, sauf que les crêtes de tension mesurées au précédent test (13.5V) pendant les moments calmes ne sont pas présentes. Je pense que c’est dû au fait que l'alternateur devait recharger le condo. La tension sur les passages chargés oscillait autour de 12.5V. La moyenne par ordinateur pour cet essai montre que la tension moyenne était de 12.878 volts.
Je ne vois aucune différence significative entre les mesures faites avec et sans le condo.
Il est clair qu’en aucun cas je ne vois la tension rester stable à 14V avec le condo branché.
J’ajouterai que ce test a été réalisé avec une consommation de 2000W, poussé aux limites du seuil de distorsion, et que la tension moyenne n’est jamais descendue sous les 12.8V. Dans ces conditions la batterie ne se déchargerait jamais !
Les courbes vertes et bleues ont été faites juste pour le fun avec et sans condo, quand nous avions terminé de monter le système. Dans ces deux essais nous avons poussé le volume jusqu'à un haut niveau de distorsion. Ceci a tiré une charge violente sur l'alternateur et a fait chuter la tension sous les 12V. Les courbes sont tellement proches qu'à moins d’avoir un excellent écran je doute que vous ne puissiez remarquer qu’il y a bien 2 courbes. La tension moyenne pour ces deux courbes était de 12.277 V et 12.295 V. Si ce volume était maintenu pendant de très longues périodes la batterie se déchargerait.
Note : dommage que nous n’ayons pas l’image avec les courbes sous la main, si j’arrive à la trouver je la rajouterai.
Conclusions
Maintenant que nous avons vu la théorie dans les 8 leçons et fait des tests réels nous pouvons en arriver aux conclusions.
Passons les en revue les différents dispositifs :
La batterie : ce dispositif a la capacité de fournir une très grande quantité de courant. Mais de par sa conception, le courant est fourni à une tension qui n’est pas optimale, du moins pour des installations audio de forte puissance. Puisque la tension à ses bornes est de 12.8 volts si entièrement chargée, elle ne peut fournir du courant qu’à des tensions qui sont proportionnellement inférieures à cette valeur de 12.8 V.
L'alternateur : ce dispositif est réglé électroniquement de telle sorte qu’il puisse recharger la batterie. Il est en général conçu pour fournir une tension qui se situe entre 13.8 V et 14.5 V. Il a pour mission de tenter de maintenir cette tension, avec des conditions de charge variables selon l’état du circuit électrique, jusqu'au point où la demande en courant devient trop forte, auquel cas la tension à ses bornes de sortie chute très rapidement. Bien que sa régulation de tension très rigoureuse soit son plus grand avantage, l'alternateur n'est pas capable de fournir de grandes quantités de courant comme pourrait le faire une batterie.
Le condensateur : les avantages d'un condo sont qu'il peut se charger jusqu'à la même tension que la source de tension la plus élevée du système (dans une voiture ce serait l'alternateur) et qu’il peut fournir du courant à cette tension élevée. Son inconvénient est qu’il ne peut pas stocker de grandes quantités de courant, et qu’une grande partie de son énergie est inutilisables à des tensions intéressantes.
Un régulateur de tension électronique : ces dispositifs n'ont pas été étudiés ici donc nous n’en traiterons pas.
Les amplificateurs caraudio actuels sont capables de consommer d'énormes quantités de puissance. Même avec un rendement d’efficacité autour de 60% à 90% un système audio est capable de tirer des centaines ou même des milliers d'ampères du système électrique d’une voiture. Typiquement, l’installation audio est plus importante que n'importe quel autre dispositif électrique présent dans la voiture, démarreur de moteur compris. Heureusement pour la voiture, les demandes d'une installation audio sont rarement continues. La nature même de la musique fait qu’on utilise rarement plus de 10 à 20% de la puissance disponible.
Ceci signifie que l’installation audio a des demandes de courant brèves, mais sous formes de pics répétitifs.
La source primaire de cette puissance est l'alternateur. Il doit être considéré comme primaire pour deux raisons. L'alternateur est la seule source de puissance de première génération. Il fournit la puissance au système directement, ou indirectement en régénérant la puissance de la batterie ou du condo. Il est également primaire parce que c'est la source d'énergie avec le potentiel de tension le plus élevé.
Dans le système électrique un courant s’écoule toujours de la source de tension la plus élevée vers les dispositifs ayant un potentiel inférieur.
Mais les conditions dynamiques présentes dans la musique déterminent le rôle de chaque dispositif et son champ d’action.
Pour mieux le comprendre, considérons que nous ne tirons que peu de courant. Dans ce scénario l'alternateur restera, ou sera toujours proche de son point de stabilité.
Sa tension est conçue pour pouvoir recharger la batterie, c’est pour cela qu’elle est supérieure de 1 à 2 volts aux 12.8V de tension d’une batterie.
Dans cette situation la batterie est une charge continue du point de vue de l'alternateur et ne fournit aucune puissance au système. Sa demande en courant à l’alternateur est déterminée par l'état de sa charge (quasi vide ou quasi pleine). Plus son état de charge est élevé, plus sa demande en courant sera faible.
Si un condo est branché dans ce cas de figure il demeurera une charge pendant une durée déterminée, jusqu'à ce que sa tension de charge soit équilibrée avec celle de l'alternateur. À la différence de la batterie, le condo cessera d'être une charge une fois qu'il est pleinement rechargé, si on oublie le facteur de dissipation, qui peut être ignoré ici si celle-ci n’est pas excessive. Dans ces circonstances, tant que l'alternateur peut maintenir son point de stabilité, il fournira toute la puissance pour le système audio et le reste des accessoires de voitures. La batterie et le condo pourraient même être débranchés que çà ne dérangerait personne.
Maintenant si nous augmentons la demande en courant de l’installation audio de manière suffisante, la tension fournie par l’alternateur commencera à chuter. Néanmoins l'alternateur continuera à être une source de courant pour le système (la voiture, l’installation audio et la batterie). C’est à ce moment là que le condensateur va commencer à se décharger et à fournir une aide à l'alternateur comme source de courant.
Le degré auquel le condo pourra fournir du courant au système dépendra de la tension réelle aux bornes de l’alternateur à ce moment-là. Le courant du condo sera utilisé uniquement lorsque le potentiel de l’alternateur sera inférieur à celui du condo. Ce processus est perpétuel et le condensateur essaye de maintenir la tension à son potentiel de charge.
Sa possibilité de le faire dépend de deux choses. Le courant fourni par le condo est limité par sa capacité, ainsi que par n'importe quelle réactance série (composants résistifs ou inductifs) qui fait partie intégrante du condo. A l'instant où le condo commence à fournir du courant, son potentiel de charge commence à chuter.
Maintenant que pouvons nous espérer de notre condo ? Supposons que nous avons un condo chargé à 14 volts, d'une réactance totale (composée des composants résistifs ou inductifs) d'environ 0.017 ohms. Au premier stade de la décharge il pourrait fournir 10A à 13.83V. Evidemment si nous utilisons la sono à un niveau suffisant pour dépasser la capacité de notre alternateur à y répondre, 10A ne seraient pas d’une grande utilité. Mais peut-être 30A le seraient... Naturellement cette tension chuterait à un taux exponentiel, proportionnellement à la courbe de décharge qui est propre aux condensateurs.
Dans ce cas, il ne fait aucun doute que le condo pourrait être utile à un alternateur de 100A en lui fournissant 30A additionnels, mais il ne pourra le faire que durant un bref instant.
Mais il est intéressant de remarquer que même à cette consommation « modeste » de 130A le condo n’est pas capable de maintenir une tension générale de 14V. Nous restions aux alentours de 13.5 V l’espace d’un bref instant, et notre pauvre batterie n’a pas pu aider du tout, car son potentiel est à 12.8 modestes volts. En fait la batterie est toujours une charge sur le système !
Soyons plus violent et poussons le bouchon plus loin. Prenons le cas d’un van de démo d’un constructeur, équipés d’ampli pouvant consommer près de 500A, et équipé d’un alternateur de 200A. Sur une demande instantanée de 500A des amplis, que va-t-il se passer ? La tension aux bornes de l’alternateur va rapidement chuter, et le condensateur va commencer à remplir son rôle.
Il va devoir fournir 300A (l’alternateur s’occupant des 200 restants)(pas forcément vrai du fait de son temps de latence non évoqué ici, mais faisons comme si). Que se passe-t-il aux bornes de sortie du condensateur ? Il va instantanément perdre 5.1V, exactement au moment où la demande de courant lui sera faite. Cependant la tension globale ne va pas chuter à 9V, car il nous reste la batterie, qui va entrer en fonction dès qu’on passe sous la barre des 12.8V.
Nous pourrions rajouter un 2e condensateur pour diviser l’ESR globale par 2, mais la tension chuterait quand même à 11.5V. Pour rire, faites le compte du nombre de condensateurs qu’il faudrait pour pouvoir garder une tension stable de 13.5V ne serait-ce que quelques milli secondes…
Il en faudrait une bonne trentaine en parallèle pour maintenir 13.5V un bref instant !! Et heureusement que nous n’avons pas à le faire, puisque la puissance totale contenue dans 30 condensateur n’excède pas celle contenue par une douzaine de piles alcalines 9V !!!
Il est essentiel de comprendre que si la tension ne chute pas, les condensateurs ne sont STRICTEMENT d’aucune utilité ! Il faut impérativement une chute de tension pour qu’ils commencent à se décharger.
Une tension stable à 14V parce qu’on a rajouté un ou des condensateurs ? Même pas en rêve…
