Convertisseur piezo méca-électrique

Les transducteurs piezo-électriques vibrent et se font entendre quand on leur applique un signal alternatif - si bien sûr ce dernier se fait à une fréquence tombant dans le domaine audible. Et à l'inverse ils délivrent un signal électrique quand ils reçoivent un choc ou quand on les fait vibrer. Pas mal pour s'en servir comme microphone sur une caisse de résonnance.

  

Cette capacité à pouvoir délivrer un signal électrique quand on les frappe est exploitée dans mon générateur de percussion 3 et il est utilisé par plein d'autres personnes, notamment dans le domaine musical des percussions. N'y aurait-il donc pas moyen d'utiliser l'énergie électrique fournie par ce genre de transducteur, pour se constituer une petite réserve d'énergie à bon marché ? J'ai entendu parler il y a peu de temps de chaussures équipées de tels capteurs et qui pouvaient recharger un téléphone portable (il n'est pas précisé en combien d'années).

Premiers tests

La première chose est de connaitre l'ordre de grandeur de l'énergie que l'on peut récupérer. On se doute bien qu'elle n'est pas très importante car si on met ses doigts sur les deux fils d'un transducteur piezo et qu'on tape comme un malade sur ce dernier, on ne sent absolument rien. La visualisation à l'oscilloscope nous informe que le signal délivré par le piezo quand on tape dessus de façon modérée possède une amplitude de quelques volts et qu'il s'agit d'une onde sinusoïdale rapidement amortie (durée de quelques ms).



Une tension de plusieurs volts (j'ai observé des crêtes de 20 V) ? Génial, on va pouvoir se faire une alim intéressante ! Il suffit d'ajouter un condensateur pour emmagasiner l'énergie et la restituer quand on en a besoin...

Charge d'un condensateur

Oui mais... la tension mesurée l'est avec un oscilloscope dont l'impédance d'entrée est élevée (1 MO) et qui ne charge que très peu le capteur. Et l'amplitude qui semble si intéressante concerne plutôt les premières alternances, les suivantes décroissant rapidement. Que se passe-t-il si on met un condensateur directement en parallèle sur le transducteur piezo en vue de "piéger" les alternances les plus fortes ? Le mieux pour le savoir est de tenter l'expérience, en s'appuyant sur le schéma suivant. Avec ce schéma, on peut dans un premier temps stocker l'énergie fournie par le piezo, puis dans un second temps l'utiliser à toute fin utile, par exemple pour alimenter un four à micro-ondes. Ou plus modestement une LED.



Quand l'inverseur SW1 est en position gauche le piezo PZ1 peut envoyer son énergie - quand on le tape - dans le condensateur C1. Et quand l'inverseur SW1 est en position droite, on peut utiliser l'énergie emmagasinée dans le condensateur C1 en le branchant sur un "récepteur". Oui mais... ça ne fonctionne pas très bien dans la pratique. Si on branche l'oscilloscope aux borne du condensateur C1 qui lui-même est en parallèle sur le piezo PZ1, la tension délivrée par ce dernier semble devenir quasi-nulle, voire se limiter à quelques mV seulement. Que se passe-t-il donc ? Et bien si le condensateur C1 est déchargé (99,99% de chance que ce soit le cas), il se comporte comme un court-circuit et le pauvre transducteur piezo PZ1 se met simplement à genoux. Autre façon de voir les choses : le piezo PZ1 fournit son énergie au condensateur C1, mais rien n'empêche ensuite le condensateur de se décharger dans le piezo qui lui-même peut être vu comme un condensateur. Et oui, le signal fournit par le piezo est alternatif. Vous l'avez compris, il faudrait que l'énergie envoyée dans le condensateur C1 ne puisse revenir vers le piezo PZ1. Vous avez dit "diode" ? Mais voilà une excellente suggestion ! Plaçons donc une diode D1 assurant le rôle "d'anti-retour" entre le piezo PZ1 et le condensateur C1. L'énergie fournie par le piezo pourra aller dans le condensateur, mais le condensateur la gardera quand le piezo n'aura plus rien à offrir. Et oui, principe de la diode qui ne conduit que quand la tension présente sur son anode est supérieure à la tension présente sur sa cathode.



Cela fonctionne-t-il mieux ? Oui, un peu mieux mais ce n'est franchement pas la panacée. Il faut dire qu'à ce stade on laisse passer les alternances positives et qu'on bloque les alternances négatives. Au bout de quelques coups assenés au piezo, on commence à mesurer une tension de quelques centaines de mV aux bornes du condensateur C1. Et bien évidement, une fois le condensateur chargé à une tension équivalente à la somme de la tension fournie le piezo et la tension de seuil de la diode, la diode se bloque et le condensateur ne peut se charger plus. Mais au fait, la valeur du condensateur a-t-elle une grande importance ? J'ai suggéré de mettre un condensateur de 10 nF mais pourrions-nous mettre un condensateur de 10 uF à la place ? Devinez quoi... on le fait et on observe ! Maintenant, avec un condensateur de 10 uF, il faut taper un plus grand nombre de coups sur le piezo PZ1 pour que la charge sur C1 devienne intéressante. Normal puisque le réservoir est plus grand... Bon, on en déduit que plus le condensateur a une valeur élevée et plus il va pouvoir emmagasiner de l'énergie, mais plus il faudra de temps (de coups sur le piezo) pour le charger. Il y a là peut-être un compromis à trouver.

Pas moyen de faire mieux ?

Je ne sais pas trop, mais il me semble que cette unique diode précédée d'une source de tension alternative et suivie d'un condensateur me rappelle vaguement quelque chose. Un redressement / filtrage d'alimentation, peut-être ? Si on peut faire l'analogie avec une alimentation secteur, je me dis qu'il y aurait peut-être moyen de gagner quelque chose en effectuant un redressement double alternance avec quatre diodes et non plus un redressement mono alternance avec une seule diode. D'où le nouveau schéma qui suit



Voilà qui commence à devenir plus intéressant. Cette fois les alternances négatives produites par le piezo PZ1 et qui étaient jusqu'alors snobées, sont désormais prises en comptent et contribuent elles aussi à la charge du condensateur C1. Ce qui veut dire qu'avec le même nombre de coups portés sur le piezo PZ1, la tension monte plus vite sur le condensateur. 

  

Il faut dire aussi que les diodes utilisées diffèrent de la précédente expérience : la classique diode au silicium 1N4148 a été remplacée par des diodes Schottky, plus rapides et surtout présentant une tension de seuil moindre (le schéma montre des BAT46 mais j'ai utilisé des BAT85 parce que cette deuxième référence est plus proche de l'an 2000). De quoi gagner quelques dizaines de mV supplémentaires. Miracle ! Oui mais peut-être ne faut-il pas crier victoire trop vite... Quelle énergie avons-nous emmagasiné au juste ? Disposer d'une tension de 5 V aux bornes du condensateur C1 est une belle chose en soi, mais une fois le condensateur déconnecté du piezo (SW1 en position droite), quelle valeur de courant peut-il fournir et pendant combien de temps ? Oh, un détail pour finir : j'ignore si cela est lié à la qualité du condensateur chimique utilisé ou au type de support utilisé pour la pose des composants, mais avec un condensateur de 22 uF pour C1, la décharge était assez rapide. Les 5 V obtenus avec peine redescendaient à zéro en moins d'une minute après arrêt des coups sur le piezo...

Conclusion

Les quelques tests réalisés ici montrent que l'énergie qui peut être stockée dans le condensateur reste très faible. On peut s'en servir pour allumer très brièvement une LED haute luminosité (sous forme de flashes), mais on ne peut pas décement penser pouvoir alimenter un montage électronique de transmission de données, à moins que ce dernier soit capable de travailler sous une très faible intensité de courant et qu'il puisse le faire très vite !