Equilibrage de courant

[invite84af4572]

Bonjour à tous,

Je travaille actuellement sur un système utilisant le principe d'électrolyse.
Comme tout système d'électrolyse, j'envoie du courant au travers de mon anode et de ma cathode et l'électrolyse se produit.
SAUF QUE, je n'ai pas une cathode mais plusieurs.... et le courant fait un peu se qu'il lui plait... Je n'arrive pas à homogénéiser les courant sur les différentes cathodes. Il faut absolument que j'arrive à les égaliser à environ 0.5 mA près... car je dois faire des comparaisons sur les résultats produits par l'électrolyse (travaille de labo).
Mon problème est que je n'y connais pas grand chose en électronique/électricité...
Que faudrait-il que je mette sur mes fils de cathode pour réguler correctement le courant?

Par avance merci!!!!


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[invitee05a3fcc]

Que faudrait-il que je mette sur mes fils de cathode pour réguler correctement le courant?

Mettre, tout simplement, un générateur de courant par cathode

[f6bes]

Bjr à tooi,
Déjà il faudrait que tes cathodes soient toutes à égale distance de l'anode.
Si parcours ( du courant ) différent= résistivité...différente et donc courant individuel ...différent.
Bonne journée

[Antoane]

Bonjour absolutej et bienvenue sur Futura,

Ton générateur est en limitation courant ou tension ? Autrement dit : si tu éloignes l'anode, est ce que le courant total varie ?

Est-il nécessaire que le circuit d'équilibrage soit capable d'équilibrer les courant si ceux-ci sont très déséquilibrés en son absence ? C'est faisable, mais demande un peu de travail.
Autrement dit :
sans équilibrage, tu observes que le courant est déjà "à peu près" équilibré (22 mA ~ 20 mA ~18 mA). On peut assez aisément faire en sorte qu'il devienne "très bien" équilibré.
Réaliser un circuit d'équilibrage si les courant étaient a priori "très déséquilibrés" (e.g. 5 mA vs. 15 mA vs. 40 mA) est faisable, mais demande un peu plus de travail.

Tu fonctionnes, en l'état, sous ~2 V et 60 mA. Faut-il prévoir de pouvoir fonctionner sous des tension et/ou courants très différents ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Montd'est]

3 ''bassins'' séparés... ?

[invite84af4572]

Mettre, tout simplement, un générateur de courant par cathode

En effet mais augmenter le nombre de générateur veut dire augmentation des couts! Je travaille pour une startup au fond limité et chaque économie est appréciée!

[invite84af4572]

Bonjour F6bes,

Merci pour cette précision. C'est déjà le cas. La seule différence dans cette application est la taille/forme des cathodes mais elles ont la même surface de métal déployé. C'est voulu pour visualiser le comportement et le développement de notre produit.

[invite84af4572]

Bonjour Montd'est,

merci pour ce conseil pais ce n'est pas possible. Je dois faire comme indiqué dans mon descriptif

[invite84af4572]

Bonjour absolutej et bienvenue sur Futura,

Ton générateur est en limitation courant ou tension ? Autrement dit : si tu éloignes l'anode, est ce que le courant total varie ?

Est-il nécessaire que le circuit d'équilibrage soit capable d'équilibrer les courant si ceux-ci sont très déséquilibrés en son absence ? C'est faisable, mais demande un peu de travail.
Autrement dit :
sans équilibrage, tu observes que le courant est déjà "à peu près" équilibré (22 mA ~ 20 mA ~18 mA). On peut assez aisément faire en sorte qu'il devienne "très bien" équilibré.
Réaliser un circuit d'équilibrage si les courant étaient a priori "très déséquilibrés" (e.g. 5 mA vs. 15 mA vs. 40 mA) est faisable, mais demande un peu plus de travail.

Tu fonctionnes, en l'état, sous ~2 V et 60 mA. Faut-il prévoir de pouvoir fonctionner sous des tension et/ou courants très différents ?

Bonjour Antoane,

Merci pour toute ces questions!
-Je travaille sur des générateurs capables de piloter en limitation de courant/tension/potentiel. Pour cette application j'utilise la régulation de courant.
-concernant la répartition de courant, les différences sont plus importantes que sur mon schéma (pour la plupart des tests).... il arrive que j'ai environ 80mA d'écart sur 200mA par cathode... (150/220/230)
-Concernant la plage de fonctionnement, on peut considérer que l'on peut utiliser la pleine capacité du redresseur soit entre 60mA et 1000mA avec une tension comprise entre 0 et 10V...

J'ai déjà essayé avec des potentiomètres que j'avais sous la main. Mais la résistance était trop importante 100Kohm. Aucun courant ne passait et le générateur plafonnait à 9.99V.

[azad]

Salut,
A tout hasard : a-t-on le droit de brasser le bain d'électrolyte . Simple suggestion au cas où les différences mesurées entre les trois courants, seraient dues à un manque d'homogénéité de ce bain. Manque d' homogénéité qui pourrait d'ailleurs très bien s'amplifier à cause de l'échauffement inégal des zones parcourues par des courants différents. C'est une réponse de candide en la matière, veuillez m'excuser.

[Antoane]

Bonjour,

Méthode 1 - simple et rapide : En ajoutant une résistance en série avec chaque cathode, tu pourras à peu près équilibrer les courants.
Une modélisation (simpliste, mais équivalente à un pire que pire-cas) consiste à modéliser chaque chemin de courant entre une cathode et l'anode par une résistance R_i (ici, i \in {1,2,3}) de valeur égale à la tension fournie par l'alimentation (notée Uc, ici ~ 2 V) divisée par le courant circulant I_i dans la cathode. La grandeur intéressante, car caractérisant le déséquilibre de courant de courant est alors le ΔR=max_i,j(|R_i-R_j|) entre ces résistances : le déséquilibre maximal (entre la branche véhiculant le plus fort courant et celle véhiculant le plus faible courant) est alors proche de Uc/ΔR (tant que le déséquilibre n'est pas trop grand, i.e. que ΔR<<R_i).
En ajoutant une résistance R° en série avec chaque cathode (la même R° pour les trois cathodes) :
- chaque R_i est remplacée par R_i+R° ;
- ΔR n'est pas modifié (puisque la même résistance est employée pour chaque branche) ;
- Uc est remplacé par (environ) Uc+R°*I, où I est le courant moyen tiré par chaque cathode.
Le déséquilibre en courants est alors donné par la relations (Uc+R°*I)/ΔR. Si R° >> R_i, ce déséquilibre sera très inférieur à celui observé en l'absence des résistances R°.

Idéalement, on pourrait ainsi atteindre un équilibrage parfait en choisissant R° infinie. La précision sera cependant limité par la précision des résistances et par la tension max admissible (notons la Umax). Ici, cette dernière vaut 10 V, il faudra donc se limiter à :
Umax = (Uc+R°*I) <=> R° = (Umax-Uc)/I.
Soit 8/0.020~390 Ohm ici.

Cette technique est d'autant plus applicable que Umax est supérieure à Uc.

Méthode 2 - plus complexe mais toujours valide : réaliser un circuit actif faisant le travail.
On verra plus tard

[invite84af4572]

Bonjour,

Méthode 1 - simple et rapide

Wouah!!! Merci pour ces infos.
J'avais envisagé de mettre des résistances identiques sur chaque cathode en me disant que ca régulerai un peu mieux (c'était juste sur une intuition...) mais cette solution semble assez facile à mettre en oeuvre et efficace.
Je teste et je reviens vers vous!!!

Pour le moment la régulation de courant, car régulation il y a par un PC industriel, est uniquement du ON/OFF. Mais il se peut que, dans un avenir proche, ce soit une régulation autre avec un Imin (<>0) et un Imax et avec une forme différente (créneau, sinusoide ou sur mesure)...
Vu qu'il y aura variation du courant et donc de la tension également, et que la courbe de tension n'est pas linéaire, je suppose que le solution proposée dans la méthode 1 ne sera plus efficace..?

[Antoane]

Méthode 2a - plus complexe mais pas trop quand même :
schéma en PJ :
- I1 représente l'alimentation, régulée en courant ;
- chacun des n PNP est connecté à une cathode.

La diode zener D1 est polarisée par la résistance Rz ainsi que par les courants de base des PNP. Elle fixe le potentiel sur les bases des PNP. Comme chaque PNP a le même potentiel de base et la même résistance d'émetteur R_e, le courant d'émetteur des PNP est le même. Tant que tout va bien (i.e. qu'aucune cathode n'est débranchée, etc), le courant de collecteur de chaque PNP (i.e. le courant d'électrolyse) est similaire à son courant d'émetteur. Il y a alors équilibrage automatique des courants.

Dimensionnement :
- La tension de zener sera (idéalement) choisie telle que : Vz = max(Uc) + Vce, où : max(Uc) est la tension max que peut prendre Uc, par exemple 2.5V dans le cas du premier schéma et Vce est choisi assez arbitrairement, par exemple 2V.
- Re est choisie telle que : Re = (Umax-Vz-Vbe)/I_k, où Vbe~0.7V, Umax est la tension d'alim max (ici : 10V) et I_k l courant de cathode ;
- Rz ~ (Re*I_k+Vbe)/Iz, où Ie est le courant de biais de la zener (par exemple : Iz = 2 mA)

N'hésite pas à prendre un peu de marge et à diminuer toutes les résistances de 20 % à 50 % par rapport aux valeurs calculées.

Attention aux puissances dissipées :
- Re * I_k ² pour Re ;
- jusqu'à I_k * (Vz+Vbe) pour les PNP.
Par grand chose pour Rz et la zener.


Principaux inconvénients du montage :
- le courant d'électrolyse total est légèrement inférieur au courant fourni par la source, la différence passant dans la zener (cette "perte" vaut environ Iz+n_transistors*I_k/200)
- l'équilibrage sera assez imparfait, du fait de :

* la dispersion sur les valeurs des Re,
* la dispersion sur les caractéristiques des transsitors.

[azad]

Permettez moi d'insister, mais je trouve la démarche assez étrange. On a une anode commune et trois cathodes que l'on peut supposer identiques.
Alors au vu des résultats, je trouverais plus pertinent de se demander pourquoi les trois courants sont différents plutôt que de chercher comment équilibrer ce qui logiquement devrait l'être par construction.
- Que se passe-t-il quand on permute les trois cathodes ?
- Comment évoluent les courants des deux cathodes actives quand on débranche la troisième (tester les trois configurations)
Je reste persuadé que de simples tests seraient plus utiles que de tenter d'homogénéiser trois courants circulants dans un milieu conducteur dont la résistance est tout ce que l'on veut, sauf linéaire.

[invite84af4572]

Permettez moi d'insister, mais je trouve la démarche assez étrange. On a une anode commune et trois cathodes que l'on peut supposer identiques.
Alors au vu des résultats, je trouverais plus pertinent de se demander pourquoi les trois courants sont différents plutôt que de chercher comment équilibrer ce qui logiquement devrait l'être par construction.
- Que se passe-t-il quand on permute les trois cathodes ?
- Comment évoluent les courants des deux cathodes actives quand on débranche la troisième (tester les trois configurations)
Je reste persuadé que de simples tests seraient plus utiles que de tenter d'homogénéiser trois courants circulants dans un milieu conducteur dont la résistance est tout ce que l'on veut, sauf linéaire.

Bonjour Azad,

Votre remarque est assez pertinente d'autant plus que, sur d'autres installations avec des cathodes plus petites et 100% identiques, même longueur de câble, bien centrées par rapport à l'anode pour avoir une bonne répartition des équipotentiels, cela fonction à quelques milliampère près.
Pour ces autres tests, les cathodes sont plus grandes, la forme, géométrie, épaisseur sont différentes. Seule la surface d’échange reste la même. Quelle que soit la méticulosité dont nous faisons part, les écarts se réduisent mais persistent...
Pour ce qui est de débrancher une cathode sur les 3, la charge de courant est répartie sur les 2 autres mais un décalage persiste.
Je n'ai pas essayé de les permuter. En effet ça pourrait mettre en évidence un problème de positionnement/conception et non de cathodes. Merci

Pour ce qui est de brasser le bain d'électrolyte, cela est fait régulièrement.

[azad]

Merci, à vous. J'espère que quelqu'un vous trouvera une solution. Et je serais curieux de la connaître.

[jiherve]

Bonjour
En réalisant une source à courant constant classique (2 transistors) tirés d'un réseau de transistors et en utilisant un réseau de résistances on obtient un appariement à largement mieux que le %.

Réseau transistors: voir si l'on trouve encore des MPQ2907 ou equivalent.
Bien sur pour changer le courant il faut changer les resistances d'emetteur.
il sera en plus nécessaire de prévoir des résistances en serie avec chaque collecteur pour limiter la dissipation des transistors, ici tel que il fument, mais comme je ne connait pas la tension aux bornes des bacs d'electrolyse je n'ai rien mis.
JR

[IC-CD0000]

Réseau transistors: voir si l'on trouve encore des MPQ2907

Hello, apparemment oui : ICI, LA ou éventuellement en SOIC-16 LA. Cordialement

[yvan30]

Bonsoir
et commander successivement 3 transistors de facon à n'alimenter qu'une cathode à la fois mais avec un cycle de frequence de plusieur Hz ou kHz?
Chaque cathode aura le courrant imposé par le generateur.

[Antoane]

Bonsoir,

Ca permettrait en plus d'avoir un excellent équilibrage.
Ce traitement peut cependant avoir un impact négatif sur le résultat de l'électrolyse car la densité de courant instantanée (et pas seulement sa moyenne) influe sur la qualité de l'électrolyse.
A voir si c'est le cas ici ou non.

[Antoane]

Bonsoir,

Méthode 2.b : plus complexe, mais parfaitement équilibré.

Chaque AOP contrôle un mosfet (M_i) de telle sorte que le courant circulant dans la résistance schunt associée R_i soit égal à la moyenne des courants circulants dans els résistances R_i et dont on trouve une image au niveau du potentiel Vref.

Théoriquement, n-1 AOP et mosfets devraient suffire (la loi des noeuds assurant alors que le n^ème courant est égal aux n-1 autres), mais le fait que les MOSFET ne peuvent avoir une Rds_on négative oblige à ajouter un n^ème circuit de contrôle. Le résultat est que l'un des circuit est systématiquement en buté.
On pourrait s'attendre à ce que le circuit soit instable mais ce n'est pas apparu en simulation... A vérifier.

Suivant les caractéristiques du bac d'électrolyse, on pourra directement alimenter les AOP via le "Vcc", ou une alimentation externe sera nécessaire. Dans le premier cas, un faible courant est dévié de la charge pour alimenter les AOP. Ce courant reste cependant très faible -- il peut être limité à une dizaine de µA avec des AOP biens choisis.

Les résistances Rr_i permertent de compenser la dispersion entre les résistances de shunt R_i ; on pourrait utiliser des ajustables.

On pourras s'intéresser au dimensionnement précis si besoin.

[Patrick_91]

Bonjour,

le coup de la résistance en série n'assurera pas le maintien des courants demandés si les caractéristiques du bain électrolytique changent au fil du temps.
La seule bonne solution pour maintenir les courants voulus est donnée en début de fil (Daudet78) : un générateur de courant par cathode (réglés chacun à la valeur voulue) , ceci est illustré par le schéma de Antoane , version qui ne coute pas grand chose, en tout cas bien moins qu'un truc qui ne fonctionne pas.
On ne peut pas assurer les courants demandés en début de fils a partir d'une seule source de tension sans maitriser l'impédance de chaque bain électrolytique ce n'est pas possible.
A plus

[Antoane]

Bonjour,

le coup de la résistance en série n'assurera pas le maintien des courants demandés si les caractéristiques du bain électrolytique changent au fil du temps.

Reste cependant à déterminer de combien les caractéristiques du bain varient et de combien on accepte un déséquilibre des courants. Dans tous les cas, il existe une valeur minimale de résistance permettant d'équilibrer suffisamment les courants pour que les courants soient "suffisamment" équilibrés, pour une variation bornées du bain. La preuve étant qu'avec des résistances infinies, les courant seront strictement équilibrés quelques soient les caractéristiques du bain.
Connaissant les variations max des caractéristiques du bain et le déséquilibre max de courant acceptable, il est possible de calculer la valeur minimale des résistances à employer ; il s'agira ensuite de déterminer si la solution est physiquement acceptable ou non.
Les maths sont données dans le post #11.
Étant données l'équilibrage obtenu "naturellement" (cf. post 1 et 9), la marge de tension restante (~8 V) et la précision demandée, on peut s'attendre à ce que la méthode à résistance suffise.

Sinon, il faudra effectivement passer à qqch de plus poussé.

[invite84af4572]

Bonjour,

le coup de la résistance en série n'assurera pas le maintien des courants demandés si les caractéristiques du bain électrolytique changent au fil du temps.
La seule bonne solution pour maintenir les courants voulus est donnée en début de fil (Daudet78) : un générateur de courant par cathode (réglés chacun à la valeur voulue) , ceci est illustré par le schéma de Antoane , version qui ne coute pas grand chose, en tout cas bien moins qu'un truc qui ne fonctionne pas.
On ne peut pas assurer les courants demandés en début de fils a partir d'une seule source de tension sans maitriser l'impédance de chaque bain électrolytique ce n'est pas possible.
A plus

Bonjour Patrick_91,
En effet, la valeur de la résistance de la cathode varie dans le temps à des valeurs très variables selon la densité de courant injecté, la matière de la cathode,les facteurs environnementaux. Valeurs non connues pour le moment...
N'est-il pas possible de concevoir de manière assez simple un système PID et de le placer sur chaque ligne? De se fait, quelle que soit la valeur de la résistance, la valeur du courant de sortie sera toujours (dans la mesure du possible bien sûr) égale à la valeur de consigne.

Méthode 2.b : plus complexe, mais parfaitement équilibré.

Merci Antoane pour cette nouvelle solution. Cependant cela dépasse nettement mes connaissances et pour le coup ma compréhension également.
Qu'est-ce qu'un "AOP" et un "Mosfet"?
Je vais regarder quand même un peu sur le net voir si j'arrive à déchiffrer ton schéma!

[Antoane]

Bonjour,

Merci Antoane pour cette nouvelle solution. Cependant cela dépasse nettement mes connaissances et pour le coup ma compréhension également.
Qu'est-ce qu'un "AOP" et un "Mosfet"?
Je vais regarder quand même un peu sur le net voir si j'arrive à déchiffrer ton schéma!

Probablement la solution 2a suffira quasiment toujours, avec l'avantage de la simplicité.
La 2b, c'est si tu veux qqch d'encore plus performant. Probablement bien plus performant que nécessaire.
Le schéma est un peu alambiqué, pas trivial à comprendre.

la valeur de la résistance de la cathode varie dans le temps à des valeurs très variables

Tu pourrais éventuellement faire quelques essais pour déterminer les couples tension vs. courant pour diverses bains. La modélisation par une simple résistance est très simpliste, un modèle FEM-résistance serait plus approprié.
Tu pourras éventuellement te rendes compte que la solution 1. suffit

[Antoane]

Bonjour,

tu peux d'ailleurs calculer une estimation (un ordre de grandeur) de la "résistance" de la solution : la conductivité de la solution s'obtient par sommation des conductivités molaires de chaque ion multipliées par la concentration de chacun de ces ions (https://fr.wikipedia.org/wiki/Conductim%C3%A9trie). La résistance est ensuite déduite en simplifiant la géométrie des électrodes de manière à lui donner une forme canonique : plans en parallèles à faible ou grande distance, plan face à une tige, etc...
La FCEM de l’électrolyseur doit, je pense, s'obtenir à partir des potentiels standards des couples redox en présence -- mes cours de chimie sont loin

[invite84af4572]

Merci pour toutes ces réponses/aides.
Je pense que l'on va partir certainement sur la méthode 2a en ayant fait en sorte d'éliminer tous les parasites possibles dû aux erreurs de conception.
Je reviens vers vous dès que fait!

[polo974]

mettre les 3 bacs en série...