Chap 1 Les résistances céramiques PTC

• 1A) Céramiques PTC: vue d'ensemble
• 1B) Résistance et électricité: quelques rappels
• 1C) Les ceramiques utilisées pour le cuiseur
  et leur approvisionnement

1A) Céramiques PTC: vue d'ensemble

L’utilisation de résistances en céramiques, et les conséquences qui en découlent, sont la principale spécificité du cuiseur électro-solaire proposé ici. Les éléments chauffants du cuiseur ne sont pas des résistances classiques comme celles d’un grille pain ou d’un fer à repasser, ni des dispositifs du type vitro-céramiques ou par induction, mais des résistances en céramiques.
Les résistances céramiques sont des composants dont la résistance électrique varie de façon importante en fonction de leur température. La société TDK / EPCOS, filiale de Siemens et Matsuhita, spécialisée dans la fabrication de composants électroniques passifs, publie une documentation très fournie sur les céramiques PTC, disponible ici

Un exemple parmi d’autres: les petits "radiateurs céramiques d’appoint" disponibles dans tous les rayons chauffage/électro ménager des grandes surfaces, à brancher directement sur une prise murale. Ces radiateurs sont tous équipés d’un ventilateur, qui permet d’extraire l’énergie thermique produite par la céramique; sans ce ventilateur, la température de la céramique augmente, sa résistance électrique aussi, l'électricité ne passe plus, la température haute stagne mais il n’y a quasiment plus de production de chaleur… C’est exactement ce phénomène qui est utilisé dans le cuiseur: il est indispensable d’extraire en permanence l’énergie thermique produite par les céramiques, par exemple en chauffant le contenu du récipient de cuisson, mais la température ne peut dépasser un certain seuil. Ce seuil étant inférieur au seuil d’ignition du coton, il est donc possible d’isoler le récipient de cuisson et de limiter les pertes, qui sont la plaie de toutes les installations thermiques (d’autant plus qu’il s’agit d’installations de petite taille, soumises à l’impitoyable effet d’échelle).

1B) Résistance et électricité: quelques rappels

Au sujet des résistances: "une résistance (par exemple une céramique) ne fonctionne pas sous une Tension nominale; elle ne peut donc pas avoir de puissance nominale. Par contre, lorsque la Puissance augmente (par exemple, si la Tension augmente, ou si la Résistance diminue), la quantité de chaleur s’accroît, ce qui peut échauffer dangereusement et détruire le composant. Le fabricant indique une puissance maximale à ne pas dépasser: c’est la Puissance Maximale Admissible." (académie Bordeaux).
Dans un circuit électrique, c’est le générateur qui applique (dans la limite de ses capacités) une Tension aux bornes du dipôle receveur, et c’est ce dipôle receveur qui impose l’Intensité (en fonction de sa propre résistance), sous réserve que la tension qui lui est appliquée n’excède pas ses capacités.

Il faut ici rappeler deux catégories de pensée bien ancrées dans les raisonnements usuels:
- en électricité classique, la Résistance est une constante, ou du moins considérée comme telle, et c’est (quasiment) vrai pour la plupart des résistances usuelles: fils résistifs , résistances bobinées, etc…
- dans la vie courante, la Tension est une constante: les 230 Volt disponibles à une prise de réseau électrique sont une constante, à 10 ou 12 Volt près, mais on n’imagine pas qu’elle puisse descendre à 140 ou 60 Volt.
Pour ce qui concerne le cuiseur dont il est question ici, ces deux catégories de pensée sont impérativement à laisser de côté. Il est bien sûr tout à fait possible techniquement de se placer dans une situation "classique" d’utilisation de l’énergie électrique avec un ensemble panneaux solaires / régulateur MPPT / Stockage en batteries / onduleur, mais financièrement, pour de la cuisson telle qu’on l’entend ici, c’est une solution complètement rédhibitoire.
Heureusement, avec un minimum de régulation manuelle ou automatique, l’énergie solaire (éminemment variable) et les résistances céramiques (éminemment souples) sont capables de faire bon ménage. La régulation, manuelle ou automatique, est chargée d’optimiser la collaboration entre l’une et les autres

1C) Les ceramiques utilisées pour le cuiseur
et leur approvisionnement

Une résistance céramique est composée de
- une plaque de céramique prise en sandwich entre
- deux tôles minces d’aluminium , auxquelles sont soudés les fils.
- une feuille enveloppante, en silicone, pour assurer l’isolation
- le tout inséré dans un tube rectangulaire en aluminium
Les seules sources d’approvisionnement ( fin 2019) sont les grandes plate-formes de vente en ligne en Asie, qui diffusent des "PTC heaters". Ils sont destinés à des usages tels que des chauffe biberons, chauffage de couveuses pour poussins, lisseurs électriques pour cheveux, pistolets à colle, vaporisateurs de parfums... etc, avec une tension de fonctionnement indiquée de 12 à 220 Volt

Caractéristiques des ptc retenues pour le cuiseur :36V / 220°C / 35 x 21 mm. Pour une construction à l'unité, l'approvisionnement est une opération... pénible. Pour des achats en quelques dizaines d'exemplaires, on peut s'adresser à hn-yongli.com, qui commercialise aussi chez hn-yongli.en.alibaba.com

Le talon d’Achille de ces résistances est la soudure non visible entre les fils et les plaques alu au dessus et en dessous de la céramique. Il ne faut donc pas les tenir inutilement suspendues par les deux fils. Une bonne précaution: mesurer la résistance des céramiques avec un ohmmètre avant assemblage, à comparer pour vérification avec des mesures identiques après d’assemblage de la plaque chauffante. Noter que la résistance varie selon la température, surtout à basse température: il suffit de tenir quelque temps la céramique dans la main pour que la résistance varie; néanmoins, il reste intéressant d’effectuer les mesures avant et après assemblage.

Les indications des fournisseurs sont des plus ténues et la traçabilité inexistante. La seule vraie solution consiste à tester les résistances après achat sur un banc de test très simple mais amplement suffisant : les résistances sont mises sous tension et on mesure la résistance et la température pour vérifier si elles conviennent pour notre usage. Les détails du banc de test sont fournis dans la version .pdf de ce document. Ci dessous: un tableau de relevés typique pour une céramique "36 Volt, 220° C, 35 x 21 mm" alimentée sous 24 Volt. Mais d'autres choix sont bien sûr possibles !

Chap 2 L'electricité

• 2A) Ohmmètre et Thermomètre
• 2B) Fils électriques
• 2C) Les pertes en ligne
• 2D) Les lois de l'électricité
• 2E) Les dangers de l'électricité

2A) Ohmmètre et thermomètre

Ohmmètre Le multimètre est un appareil polyvalent qui permet de mesurer entre autres la tension et l’intensité électriques, mais c’est surtout son utilisation en tant qu’ohmmètre qui nous interesse ici. L’ ohmmètre permet d’une part de mesurer la résistance d’un corps, et d’autre part d’effectuer des tests de continuité.
1) La résistance d’un corps est sa capacité à s’opposer au passage du courant électrique ; elle est mesurées en Ohm (Ω). L’ohmmètre contient une pile électrique, qui envoie un faible courant électrique ; l’utilisateur fait passer ce courant à travers le corps dont il veut mesurer la résistance, par exemple une céramique. L’appareil lit la chute de tension qui en résulte, et calcule et affiche la résistance en Ω. Un ohmmètre possède généralement plusieurs calibres en fonction de l’importance de la résistance ; dans notre cas, pour mesurer la résistance des céramiques, placer le sélecteur sur le calibre le plus faible, souvent "200 Ω" ; brancher correctement les cordons : le cordons noir sur la borne "com" (= "commun"), et le cordon rouge sur la borne marquée (entre autres) " Ω". A titrer indicatif : une résistance céramique "36 Volt", 35 * 21 mm, a une résistance de l'ordre de 40 Ohm à température ambiante, et de 13 Ohm à 200 °C.

2) test de continuité : si l’on branche les cordons aux extrémités d’un circuit électrique, ou tout simplement si l’on fait se toucher les deux extrémités des cordons, l’ohmmètre affiche presque 0 Ohm, et émet un "beep". Si le circuit électrique en cours de test n’est pas continu (cable coupé, borne débranchée, erreur de connexion…) l’appareil n’émet pas de beep, et il faut poursuivre les investigations . L’ohmmètre permet de détecter un branchement erroné si, en manipulant un interrupteur, le courant de l'ommètre est envoyé dans une direction autre que celle qui était prévue ; il permet aussi de détecter un court circuit : si l’ohmmètre émet un beep alors que le courant ne devrait pas passer, il y a problème...
L’ohmmètre est donc le premier outil pour effectuer l’indispensable contrôle-qualité d'un circuit électrique, notamment celui du cablage de la plaque chauffante. Il permet aussi de vérifier si la connexion (non visible) des fils à l’intérieur de la résistance céramique est en bon état. Si l’ohmmètre n’a pas de fonction "beep", ce qui est rare, il faut se reporter à chaque fois à l’affichage pour savoir s’il y a continuité ou non.
Lorsque un ohmmètre numérique n’est pas raccordé, il affiche "- - - -" ou "1_______" ou "OL" (pour "Over load"). L’ohmmètre produit son propre courant, très faible, avec la pile, il ne faut donc pas le brancher sur un circuit électrique déjà alimenté par ailleurs...
Un ohmmètre analogique à aiguille doit être taré avant usage : lorsque l’on rejoint les pointes de touche, l’aiguille doit indiquer 0 Ω. Il peut y avoir un décalage, en fonction de l’état de charge de la pile ; manipuler alors doucement une molette (un potentiomètre) jusqu’à amener l’aiguille à bon poste, à l’extrémité du cadran vert sur la droite. Les ohmmètres numériques ont usuellement une tare automatique.

Thermomètre
L’utilisation d’un thermomètre est nécessaire lors du test des céramiques, et ponctuellement pour mesurer la température de la plaque chauffante, ou pour contrôler les performances du cuiseur, mais l’utilisateur, dans le cadre de l’usage courant du cuiseur, n’en a aucunement besoin. Le modèle de thermomètre ci contre convient très bien pour nos besoins ; on le trouve acilement sur la toile, en tapant sa référence " TM-902C " dans un moteur de recherche généraliste. C’est un thermomètre à thermocouple ; sur ce sujet, il existe une documentation quasi-exhaustive sur http://aviatechno.net/thermo/thermo01.php .
C’est sur la soudure, la petite boule à l’extrémité du fil, que s’effectue la prise de température. "dans un circuit fermé constitué de deux conducteurs de nature différente, il circule un courant lorsqu’on maintient entre les deux jonctions une différence de température". Dans le cas du thermomètre ci contre, il s’agit d’un thermo couple de type K. Le boitier noir contient un voltmètre. Lors du branchement, respecter le pôle + et le pôle -, assez peu lisibles sur la petite fiche jaune. On peut se procurer des sondes supplémentaires, mais il est en principe possible de réparer une sonde cassée en effectuant une nouvelle soudure à l’extrémité du fil, voir la documentation ci dessus en référence.
Pour contrôler le thermomètre, plonger la sonde entre quelques glaçons fondants, puis dans de l’eau bouillante. Il existe des thermomètres quasi-identiques à deux sondes, à consulter alternativement ; on peut préférer disposer de deux thermomètres, l’un confirmant l’autre.
La sonde peut être immergée dans l'eau du récipient de cuisson.

2B) Fils électriques

Fils et cables de puissance.
Sur l’installation du cuiseur, la tension n’est pas élevée, en dessous du seuil de dangerosité, mais par contre le courant, dit aussi Intensité ou ampérage, est relativement élevé. Tout cable électrique est une résistance (très faible, certes, mais c’est une résistance) et à ce titre il produit de la chaleur par effet Joule et il produit donc une chute de tension U proportionnelle à sa résistance et à l’intensité du courant qui le traverse : U = RI, la loi d’Ohm s’applique de la même manière aux cables électriques et aux résistances. Entre la perte de puissance et le risque d’incendie, la question de la section des cables n’est pas à prendre à la légère.
En première approche, prévoir au maximum 6 A par mm² de section (c'est une valeur assez prudente).
- entre un panneau solaire et le cuiseur, sur deux ou trois mètres, prévoir du cable 2,5mm² ; s’il y a deux panneaux, préférer une section de 4 mm².
- pour cabler l’intérieur du cuiseur, utiliser exclusivement du cable souple. Une section de 1,5 mm² de fil convient ; lorsqu’il s’agit d’alimenter individuellement les céramiques, la section 0.5mm² convient.
Le fil électrique de cablage monobrin souple 1.5 mm², norme H07V-K, est parfait pour notre usage . le "K" précise qu’il s’agit d’un cable souple (un fil rigide norme H07V-U n’est ici d’aucune utilité). Mais son approvisionnement est parfois difficile, sauf par grandes quantité sur le Net. On peut alors approvisionner quelques mètres de cable souple "3x2,5mm² " ou 3x1,5mm²", aisément disponible en grande surface (cable blanc) pour en extraire le fil dont on a besoin ; ce n’est pas très élégant, mais c’est simple. Pour les quelques mètres qui sont nécessaires ici, la récupération de cables d’alimentation d’anciens articles électro-ménager convient très bien aussi  sous réserve que la section des fils soit indiquée sur les cables. Un cable d’alimentation de lave linge ou de lave vaisselle fournit les fils nécessaires pour câbler un pupitre ; les fils d’un câble d’alimentation de réfrigérateur ont une section trop faible.

Fils pour courants faibles
pour les circuits de commande, des fils de très petite section de l’ordre de 0,1 à 0,3 mm² sont largement suffisants, éviter des fils de section plus importantes dont la mise en œuvre serait fastidieuse. On peut s’approvisionner sur le net ou … dans un vieil ordinateur-tour ou autre appareil électronique au rebut.

Les sections de fils électriques sont exprimées en millimètres carrés ; dans les pays anglo- saxons, l’antique système de la jauge AWG American Wire Gauge est encore en usage : "combien de fils peut-on faire passer par un trou d’un diamètre donné ?" Plus le numéro AWG est élevé, plus le fil est fin. Voici un tableau de correspondance pour les sections de fil usuelles en Europe.

Pour les courants faibles et le cablage en électronique, les fils 22 et 26 AWG conviennent très bien. Les fils électriques munis de raccords Dupont, dits aussi raccords BJJ, produits par Adafruit, sont au calibre 28 AWG (semageek.com ref ADA 1957, ou bien gotronic.fr ref 12321 etc...)
Pour raccorder une céramique"36 V" 35*21 mm, le 22AWG (0.33 mm2) est suffisant; pour raccorder deux céramiques sur un même interrupteur: utiliser une section de 0.5 mm2.

2C) Les pertes en ligne

De nombreuses abaques de perte de charge dans les cables électriques sont disponibles sur la Toile.
La longueur à prendre en compte pour le calcul des pertes est le double de la longueur d’un câble : il y a une perte à l’aller… et la même au retour : la tension chute lors de l'utilisation de l'électricité dans la résistance, mais le courant qui retourne vers le capteur- générateur est égal à celui qui en est sorti, et la perte en ligne est fonction du courant, (dit aussi Ampérage) et non de la tension.

2D) Les lois de l'électricité

Un dipôle électrique est un composant électrique possédant deux bornes : lampe, interrupteur, pile, résistance, moteur...
- La différence de Tension aux bornes d’un dipôle électrique, dite aussi "voltage" ou simplement "Tension", est notée U et mesurée en Volt(V)
- La quantité de courant électrique traversant un dipôle, nommée "Intensité", dite aussi "courant" ou "ampérage", est notée I et mesurée en Ampère (A)
- La Résistance d’un corps ou d’un dipôle est sa capacité à s’opposer au passage du courant électrique ; elle est notée R, et mesurée en Ohm (Ω).
Pour une valeur de résistance donnée, un dipôle laissera passer d’autant plus d’Intensité que la différence de tension appliquée à ses deux bornes est importante : I = U/R c’est la loi d’Ohm, notée également U = RI.

Un dipôle -par exemple : une céramique- traversé par un courant électrique produit de la chaleur, c’est l’effet Joule. Le dégagement de chaleur est d’autant plus important que la Tension et l’Intensité sont élevées : P = UI
On dispose donc d’un système à deux équations : U = RI et P = UI
Dans la première équation, remplaçons I par U/R ; P = U(U/R) ; donc P = U²/R,
De même, dans la seconde équation, remplaçons U par RI : P = (RI)*I ; donc P = RI²

Association de résistances
- Lorsque l’on associe des résistances en série, les valeurs R de leurs résistances s’additionnent, ce sont des goulots d’étranglement qui se suivent.
- lorsque l’on associe des résistances en parallèle, les valeurs G de leurs résistances s’additionnent, le courant dispose de plusieurs points de passage en même temps; usuellement, on fait la somme des inverses des résistances.

2E) Les dangers de l'électricité

Au sujet des seuils de dangerosité de l’électricité, consulter par exemple technipass.com . Et voici un article sur la basse tension
Compte tenu de la résistance électrique du corps humain, et si la tension en courant continu est inférieure à 48 Volt, alors la quantité d’électricité capable de traverser le corps humain se situe en dessous du seuil de dangerosité : la lois d’Ohm s’applique au corps humain comme aux autres corps. Exemple d'application: sur un chantier de travaux publics, le courant de chantier est distribué en 380 Volt alternatif. Mais pour alimenter un vibreur à béton, manié à bout de bras dans le béton par un opérateur juché en haut d'un échafaudage, le courant est préalablement converti en 42 V continu.
Dans le cas de notre cuiseur qui fonctionne sagement sous 30 V environ en régime de croisière, avec un maximum en pointe à 38V, et qui n’a pas de batterie, le risque potentiel dû à l’électricité est à considérer comme nul au regard de celui d’un feu de bois. Le risque majeur est celui de l’énergie thermique stockée dans le récipient de cuisson en ébullition – mais c’est là, par définition, un risque inhérent à toute opération de cuisson.

Par contre en cas de stockage d'énergie, même s'il s'agit d'une batterie 12 Volt, il y a risque et danger : voir sur ce point la 8ème partie Chapitre 4.