Gradateur Intelligent à Double Canal pour Ballon d'Eau Chaude
Réf: ECODIM-20
Solution haute performance pour l'optimisation énergétique des ballons d'eau chaude sanitaire.
Gradateur intelligent ECODIM-20 pour contrôle de ballon d'eau chaude en cours de montage
Gradateur achevé pour test sur une voie.de gauche à droite de de haut en bas
Imposant filtre EMI avec inductance en mode commun de 15A.
Tore de mesure de courant intégré, avec relais de forçage
MosFet CoolMOS refroidissement par le dessus (emplacement pour dissipateur)
Alimentation spécifique pour le Driver des MosFet
En bas, filtre EMI et bloc 5V, pour alimentation amplification, mesures et logique
Et enfin, l'ESP32, memoire Flash et indicateur visuel
Présentation du Produit
Ce gradateur de puissance haute précision représente l'aboutissement d'une étude approfondie en électronique de puissance appliquée à l'optimisation énergétique des ballons d'eau chaude sanitaire et équipements thermiques. Sa conception sophistiquée intègre des technologies avancées de mesure d'énergie, de contrôle de puissance et de sécurité, offrant une solution fiable et économique pour la gestion intelligente des systèmes de chauffage d'eau. Compatible avec les ballons d'eau chaude traditionnels, il permet également de gérer efficacement des équipements comme un jacuzzi électrique d'une puissance maximale de 2x2000W, en régulant la chauffe en fonction du surplus d'énergie solaire disponible.
Architecture Innovante
- Système à Double Canal Indépendant : deux canaux indépendants de 10A chacun avec redondance intégrée
- MOSFETs CoolMOS
IPDD60R050G7 en configuration tête-bêche pour gestion bidirectionnelle - Drivers dédiés
1EDI60N12AF spécifiquement optimisés pour MOSFETs CoolMOS - Détection de passage à zéro ultra-précise avec
ZMPT101B et amplificateursAD8542 . - Comparateur
LM393 pour mise en forme des fronts de synchronisation - Mode dégradé avec fonctionnement possible sur un seul canal en cas de défaillance
Intégration des MOSFETs de Puissance
Intégration des MOSFETs de puissance IPDD60R050G7 57A 650V
📄 Consulter la datasheet IPDD60R050G7 (PDF)
⚡ Spécifications Techniques MOSFETs
Le système utilise des MOSFETs haute performance IPDD60R050G7 d'Infineon Technologies, spécialement conçus pour les applications de commutation rapide en électronique de puissance.
- Résistance à l'état passant : RDS(on) = 50mΩ typ. pour une dissipation thermique minimale
- Configuration optimisée : Montage tête-bêche pour commutation bidirectionnelle
- Protection intégrée : Drivers 1EDI60N12AF spécifiquement optimisés pour CoolMOS
- Fiabilité industrielle : Composants qualifiés pour >100 000 heures d'exploitation
Cours d'Essais - Défis Techniques Rencontrés
Problématique de Synchronisation ESP32
Lors des phases d'essais intensifs du système, nous avons identifié plusieurs défis techniques majeurs liés à la gestion du timing critique pour la détection de passage à zéro et la commande des MOSFETs de puissance.
- Problème de mise en forme : Fronts de synchronisation initialement >50µs, remis en forme à inférieur à 1µs grâce au LM393
- Contrainte temporelle critique : L'ESP32 doit détecter chaque front de synchronisation et activer immédiatement la sortie vers les drivers, puis repasser à 0 dans un délai de 50 à 950µs
- Limitation microcontrôleur : L'ESP32 gère mal les durées inférieures à la milliseconde
- Interférences WiFi : Le module WiFi entraîne des latences supplémentaires dans le programme
Solutions d'Amélioration en Cours d'Étude
Face à cette problématique de timing critique, notre équipe R&D explore plusieurs axes d'optimisation :
Optimisation Logicielle Immédiate
Refonte du programme avec un code Arduino allégé, sans module WiFi, pour éliminer les latences induites par les communications réseau et se concentrer sur le timing critique
Architecture Hybride STM32/ESP32
Si les résultats de l'étape 1 ne sont pas satisfaisants, implémentation d'un timer programmable STM32 dédié au timing critique, l'ESP32 gérant alors les consignes de temps via bus I²C
Validation et Tests Approfondis
Campagne de tests intensifs sur différentes conditions d'exploitation pour valider la stabilité temporelle et la précision de commutation
Avancement du projet au 06 Septembre 2025
Solution d'Optimisation Logicielle
Étapes de la gestion analytique du problème :
Vérification du montage et simplification
Garder uniquement le signal de sortie du transformateur ZMPT101B, référence de tension au point milieu, amplification et comparateur LM393.
A l'oscilloscope, nous avons un signal propre, avec des front inférieurs
à 2us, le rapport cyclique et légerment déséquilibré, d'environ 500us.
Assignation des broches ESP32.
Programme Arduino.
Réalisation par étage d'un programme Arduino IDE simplisime, affectation des broche et recopie du signal de synchronisation.
Évolution du programme jusqu'à déclencher la sortie au passage à zéro de l'alternance et temporiser l'arrêt.
Variation de la puissance en fonction de la durée, système de filtre anti-parasites, calcul des temps de période, passage à zéro et nombre d'erreur.
Avancement du projet au 03 Octobre 2025
Intégration d'une Carte de Synchronisation Dédiée
Face aux contraintes temporelles critiques identifiées lors des essais, nous avons développé une carte de synchronisation dédiée externe qui prend en charge la détection précise du passage à zéro et la génération des signaux de commande pour les MOSFETs. Cette solution architecturale hybride permet de séparer les fonctions critiques temps-réel des fonctions de gestion et communication.
Carte de Synchronisation Autonome
La nouvelle carte intègre un système complet de détection et de mise en forme du signal secteur avec deux voies distinctes :
- Voie 1 (Zero Crossing) : Détection ultra-précise du passage par zéro avec fronts <100ns
- Voie 2 (Mesure RMS) : Acquisition de la tension secteur via le circuit M90E32AS
Transformateur de Tension ZMPT101B
Le capteur
Chaîne de Détection Passage à Zéro
Le signal du ZMPT101B traverse une chaîne de traitement sophistiquée :
- Amplification ×50 : Premier ampli-op du dual
AD8572A en configuration inverseur avec condensateur de contre-réaction 220pF NP0/C0G (limitation gain HF à fc=72kHz) - Filtrage passe-bas : RC série (470Ω + 100nF) avec fc=3.4kHz, conservant la composante DC critique
- Comparaison :
LM393 avec hystérésis 30mV et résistance pull-up 680Ω pour fronts rapides - Mise en forme finale : Buffer Schmitt trigger
74LVC1G17 générant des fronts <100ns
Circuit de Mesure de Tension
La seconde voie utilise le deuxième ampli-op du dual AD8572 :
- Buffer unitaire : Second ampli-op
AD8572A en configuration suiveur (gain=1, impédance entrée >1MΩ) - Filtre anti-aliasing : RC (1kΩ + 470nF) avec fc=339Hz
- Acquisition : Circuit de mesure d'énergie
M90E32AS (ADC 16 bits, résolution 0.01V RMS)
Triple Protection Anti-Parasites
Le système intègre un filtrage HF exceptionnel sur trois niveaux :
- Niveau 1 : Condensateur 220pF NP0/C0G en contre-réaction de l'ampli-op (limite gain HF)
- Niveau 2 : Filtre RC série conservant la DC (atténuation >20dB à 10kHz)
- Niveau 3 : Hystérésis du comparateur LM393 (immunité bruit 30mV)
Résultat : Atténuation HF combinée >50dB avec conservation parfaite du signal 50Hz
Schéma Électrique Carte de Synchronisation
Carte de synchronisation - Vue recto
De gauche à droite : A, B sorties du Transformateur ZMPT101B avec diviseur résistif, dual op-amp AD8572 (amplification voie ZC + buffer voie RMS), filtres RC, comparateur LM393, buffer Schmitt trigger 74LVC1G17,
et sortie pour circuit M90E32AS avec ses condensateurs de découplage
Carte de synchronisation - Vue verso
Condensateur de découplage et quelques résistances afin de réduire au maximum la taille de cette platine.Plan de masse continu et plan Vcc dans
les couches 2 et 3 (internes), pistes courtes pour signaux sensibles
Pour information, la carte est partie en gravure ce jour!
⚡ Performances de la Carte de Synchronisation
- Signal Zero Crossing : Rapport cyclique 50% ±0.5%, gigue (jitter) <1µs
- Mesure tension RMS : Précision ±0.5% après calibration, bande passante DC-339Hz
- Isolation galvanique : >4kV entre secteur et circuits BT
- Immunité bruit : Triple filtrage HF avec atténuation combinée >50dB
🔗 Interface ESP32 - Carte de Synchronisation
- Signal Zero Crossing : Entrée GPIO avec interruption sur front montant
- Bus SPI : Communication avec M90E32AS (MOSI, MISO, SCLK, CS) pour lecture mesures RMS
- Consignes PWM : Sorties GPIO vers les drivers de MOSFETs (durée d'impulsion 50-950µs)
- Alimentation : 3.3V régulé fourni par l'ESP32 vers la carte de synchronisation
Caractéristiques Techniques Exceptionnelles
Performances
- Capacité : 2 canaux indépendants de 10A chacun (20A total)
- Tension d'entrée : 230VAC ±10%
- Régulation : 5 niveaux de puissance par canal (0%, 25%, 50%, 75%, 100%)
- Efficacité : >99% à pleine puissance grâce aux MOSFETs à faible RDS(on)
- Précision de mesure : Énergie (±0.5%), Courant (±0.5%), Tension (±0.2%)
- Plage de température : -10°C à +70°C
Connectivité & Intelligence
- Processeur : ESP32 double cœur avec WiFi intégré
- Stockage : Mémoire FRAM FM24CL64B pour haute endurance (10^13 cycles)
- Horloge temps réel : DS3232M avec supercapacité 4F/5.5V (autonomie >10 jours)
- Interface utilisateur : LCD 2x20 caractères via I²C
- Compatibilité domotique : MQTT, HTTP, APIs personnalisées
Schéma Électrique Détaillé
🔍 Analyse du Schéma
Le schéma électrique détaillé présente l'architecture complète du système, incluant les circuits de puissance avec les MOSFETs IPDD60R050, les systèmes de protection multi-niveaux, la métrologie énergétique intégrée et les interfaces de communication. Document technique essentiel pour la compréhension approfondie du fonctionnement et la maintenance spécialisée du dispositif.
- Circuits de puissance : Configuration des MOSFETs en pont H avec drivers isolés
- Métrologie : Intégration du circuit ATM90E32 avec transformateurs de mesure
- Protection EMI : Filtres et circuits de suppression des parasites
- Communication : Interface ESP32 et circuits d'isolement galvanique
Installation type du gradateur ECODIM-20 dans un tableau électrique
Métrologie Énergétique Avancée
Circuit de Mesure Intégré
- Processeur
ATM90E32 avec configuration optimale en mode Normal (PM1=1, PM0=1) - Mesure de courant via transformateur
AC1025 avec adaptation optimisée - Mesure de tension par détection différentielle avec amplis
AD8542 - Précision classe 0.5 pour toutes les mesures énergétiques
- Coordination des sorties ZX du ATM90E32 pour timing ultra-précis
Sécurité et Protection Multi-niveaux
- Filtres EMI avec self mode commun et condensateurs X2/Y par canal
- Snubbers RC 100Ω/10nF pour suppression des transitoires de commutation
- Surveillance des fusibles avec détection électronique de fusion et isolation galvanique
- Isolation >4kV entre secteur et circuits de contrôle
- Capteurs de température
DS18B20 sur dissipateurs avec réduction automatique de puissance
Système de Secours Intelligent
- Relais de bypass avec activation automatique en cas de défaillance
- Détection de perte d'alimentation 5V avec basculement automatique
- Mémorisation des défauts dans mémoire non-volatile
- Dissipateurs
Aavid 241802B92200G spécifiquement dimensionnés - Alimentation driver 15V avec UVLO à 12V pour contrôle optimal des grilles
Informations de Sécurité Importantes
Ce produit manipule des tensions dangereuses (230VAC) et doit être installé par un électricien qualifié conformément aux normes locales en vigueur. Pour les applications de type jacuzzi, l'installation nécessite une intervention directe sur les résistances de chauffage et une intégration dans le module de pompe, ce qui doit impérativement être réalisé par un technicien spécialisé. Attention : Cette modification annule la garantie constructeur du jacuzzi.
- L'installation doit être protégée par un disjoncteur adapté
- Le boîtier doit être correctement mis à la terre
- Ne pas ouvrir ou modifier l'appareil sous tension
Ecophot décline toute responsabilité en cas d'installation non conforme aux règles de sécurité.
Spécifications Techniques Détaillées
| Caractéristiques Électriques | |
|---|---|
| Tension d'alimentation | 230VAC ±10% |
| Fréquence | 50 Hz |
| Puissance maximale | 2 x 10A (4600W total à 230V) |
| Niveaux de régulation | Réglage configurable avec un grand nombre de pas de puissance, de base proposé en 0%, 25%, 50%, 75%, 100% par canal (9 niveaux différents avec deux canaux) |
| Efficacité énergétique | >99% à pleine charge |
| Consommation en veille | <1W |
| Composants Principaux | |
| MOSFETs de puissance | Infineon |
| Drivers MOSFETs | |
| Détection passage à zéro | |
| Comparateur de mise en forme | |
| Mesure d'énergie | |
| Stockage de données | Mémoire FRAM |
| Horloge temps réel | |
| Processeur | ESP32 double cœur avec WiFi intégré |
| Protections et Sécurité | |
| Protection contre surintensités | Fusibles intégrés avec détection électronique de fusion |
| Protection contre surtensions | MOV et TVS bidirectionnels sur toutes les lignes de puissance |
| Surveillance thermique | Capteurs |
| Isolation galvanique | >4kV entre circuit de contrôle et circuit de puissance |
| Mode dégradé | Relais de bypass automatique en cas de défaillance |
| Filtrage EMI | Self mode commun et condensateurs X2/Y + snubbers RC 100Ω/10nF |
| Interface Utilisateur | |
| Affichage local | LCD 2x20 caractères avec interface I²C |
| Signalisation visuelle | LEDs multi-fonction pour niveaux de puissance, diagnostic et état |
| Protocoles supportés | MQTT, HTTP, WebSockets |
| Compatibilité domotique | Home Assistant, Jeedom, Domoticz, openHAB |
| API | RESTful API documentée pour intégration personnalisée |
| Métrologie | Mesure temps réel tension, courant, puissance et énergie |
| Caractéristiques Physiques | |
| Dimensions | Conception compacte optimisée pour montage sur rail DIN |
| Indice de protection | IP20 (installation en tableau électrique) |
| Température de fonctionnement | -10°C à +70°C |
| Humidité relative | 10% à 90% sans condensation |
| MTBF | >100 000 heures à 25°C |
| Fonctionnalités jacuzzi | Mise en marche à distance ou programmée, retour de température d'eau, reprise de contacts et d'informations basiques selon le modèle |
| Applications spécifiques | Ballon d'eau chaude, jacuzzi (jusqu'à 2x2000W), chauffage électrique, gestion de surplus solaire |
| Installation jacuzzi | Intervention directe sur les résistances de chauffage et intégration de la carte dans le module de pompe du jacuzzi, par un technicien spécialisé. Cette modification annule la garantie constructeur du jacuzzi. |
Applications Idéales
Optimisation de Ballons d'Eau Chaude
Contrôle précis de la puissance pour l'optimisation de la consommation des ballons d'eau chaude sanitaire.
Gestion d'Énergie Intelligente
Intégration dans les systèmes de gestion d'énergie intelligents pour une consommation optimisée.
Gestion de Jacuzzi
Contrôle intelligent de jacuzzi électrique jusqu'à 2x2000W, avec régulation de la chauffe en fonction du surplus d'énergie solaire disponible. Nécessite une intervention directe sur les résistances de chauffage et l'intégration de la carte dans le module de pompe du jacuzzi. Cette modification doit être réalisée par un professionnel et annule la garantie constructeur du jacuzzi. Intègre des options avancées comme la mise en marche à distance ou programmée, le retour de température d'eau et la reprise de contacts d'informations selon le modèle.
Autoconsommation Photovoltaïque
Exploitation optimale des surplus d'énergie photovoltaïque pour le chauffage de l'eau.
Monitoring et Contrôle Avancés
L'ECODIM-20 offre une interface intuitive permettant de surveiller en temps réel la consommation énergétique et d'ajuster les niveaux de puissance selon vos besoins.
- Métrologie énergétique précise avec historique de consommation
- Contrôle via application smartphone ou système domotique
- Rapports d'état détaillés et statistiques de fonctionnement
- Alertes configurables en cas d'anomalie
Prêt à optimiser votre consommation énergétique ?
L'ECODIM-20 peut réduire votre consommation énergétique jusqu'à 30% tout en prolongeant la durée de vie de votre ballon d'eau chaude. Cette solution représente l'état de l'art en matière de gradation de puissance, alliant fiabilité industrielle, sécurité maximale et fonctionnalités avancées.
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