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LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi La démarche conception… un exemple réel Merci d ’éteindre vos portables... 2002 Copyright Ph.D 1 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Problème : Optimiser les performances d’un amplificateur bipolaire intégré faible bruit 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 2 1 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Problème : Or, le bruit électronique dépend essentiellement de ? La température... 2002 Copyright Ph.D 3 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Objectif : asservir la température de fonctionnement à une valeur aussi basse que possible (voisine de... +5°C par exemple mais supérieure à 0°C) 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 4 2 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Schéma de principe : Conversion Ve Consigne T(°C)=> V + de température - Vc Vt 2002 « système de refroidissement» T « Capteur de température » Copyright Ph.D 5 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Première étape : Choisir un système de refroidissement adapté… 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 6 3 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Première étape (suite) : Mais lequel ? Réfrigérateur ? Azote liquide ? Module Peltier ? Machine à cycle de Stirling ? Autres? 2002 Copyright Ph.D 7 LA CONTRE REACTION Module à effet Peltier Amplificateur (puce nue) brasure alumine 1/3 cm Ic quelques cm 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D Vc 8 4 LA CONTRE REACTION Module à effet Peltier Le module agit comme une pompe à chaleur : la face supérieure se refroidi et la face inférieure se réchauffe… 2002 Copyright Ph.D 9 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Deuxième étape : Caractériser le fonctionnement statique système de refroidissement … 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 10 5 LA CONTRE REACTION Caractéristique statique d ’un module à effet Peltier Température face supérieure (°C) 30 Ic=400mA Ic=750mA 10 -10 2002 0 1 Copyright Ph.D 2 Zone dangereuse... Tension de commande Vc (V) 11 LA CONTRE REACTION Caractéristique statique d ’un module à effet Peltier T=f(Vc)= 28-26.Vc+5Vc2 Température face supérieure (°C) Tension de commande (V) 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 12 6 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Troisième étape : Caractériser le comportement statique de la puce intégrée… 2002 Copyright Ph.D 13 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Troisième étape : Tension Vt (V) VPTAT Hypothèse : le concepteur de la puce a prévu un capteur de température Vt ∝ T(°C) 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 14 7 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Caractéristique statique de la puce intégrée Voltmètre Voltmètre Etuve On relève Vt (V) en fonction de T (°C) 2002 Copyright Ph.D 15 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Caractéristique statique de la puce intégrée Vt=f(T)=(T+320)/600 Tension de sortie (V) Température (°C) Sensibilité : 1,6mV/°C 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 16 8 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Quatrième étape : Caractériser le comportement global dynamique du système de refroidissement et de l ’amplificateur… 2002 Copyright Ph.D 17 LA CONTRE REACTION Comportement dynamique de l ’assemblage Vt t Ic Vc 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D t 18 9 LA CONTRE REACTION Comportement dynamique de l ’assemblage Vt t τ Système du premier ordre avec τ= 5s 1/(1+τp) 2002 Copyright Ph.D 19 LA CONTRE REACTION Comportement de l’assemblage : impédance d ’entrée vue sur l’entrée de commande Vc? R=2,5Ω 2002 Philippe DONDON L=85nH Copyright Ph.D 20 10 LA CONTRE REACTION Comportement de l’assemblage : impédance de sortie vue sur la sortie Vt ? Résistive : 16kΩ (donnée constructeur) 2002 Copyright Ph.D 21 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Cinquième étape : Modélisation du système complet... 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 22 11 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Cinquième Vc L étape : modélisation 28-26.Vc+5Vc2 (T+320)/600 1/(1+τp) R Vt R Module peltier & amplificateur 2002 Copyright Ph.D 23 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Sixième étape : Conception du circuit d’asservissement... 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 24 12 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Liste des contraintes : •Gain de boucle le plus grand possible (minimisation erreur statique) •Tension de commande Vc écrêtée à 0 et 2V ! (au delà danger de destruction ) •Courant de commande Ic 0 à 1A •Consommation minimale 2002 Copyright Ph.D T.SV.P 25 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Structure électronique minimale : •un amplificateur de tension en sortie de Vt (pour augmenter la sensibilité trop faible de 1,6mV/°C) •un réglage de la consigne (potentiomètre) •un comparateur (consigne-valeur de retour) •un étage limiteur écrêteur (0V, 2V) •un étage amplificateur de courant (0 à 1A) 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 26 13 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Structure électronique minimale : Ne pas oublier un étage de correction de stabilité (après étude de la boucle ouverte…) 2002 Copyright Ph.D 27 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Septième étape : Y a plus qu’à … inventer le schéma électrique 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 28 14 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Comparateur gain & correcteur R ampli de limiteur courant + R Consigne de température Ve Ic + - Ver VL - Module Peltier et amplificateur Ampli sensibilité Vr Vc Vt 2002 Copyright Ph.D 29 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Ampli de sensibilité : objet : faciliter le réglage de la consigne Sortie 16kΩ Ze => R2=10.R1 8 R1 ampli intégré Vr => 16mV/°C Vt (1,6mV/°C) 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 30 15 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Comparateur : objet : maintenir le retour égal à la consigne +Vcc Grand gain A Vr Ver = A.(Ve-Vr) Ve consigne -Vcc 2002 Copyright Ph.D 31 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Limiteur : objet :maintenir la tension Vc dans la plage de fonctionnement sécurisée 0V-2V R R Ver 2002 Philippe DONDON +Vcc R Copyright Ph.D A 0<VL<1,8V 32 16 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Amplificateur de courant : objet : fournir au module Peltier le courant nécessaire +Vcc Gain en courant VL Ic L Suiveur de tension 2002 Vc R Copyright Ph.D Entrée module peltier 33 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi D ’où le schéma complet : +Vcc +Vcc A -Vcc Vt R R +Vcc R Ampli x11 A Ic 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D Vc 34 17 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Huitième étape : Quid de la stabilité du montage réalisé ? 2002 Copyright Ph.D 35 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Stabilité (à la main) : ouverture boucle en Vt +Vcc +Vcc Vt -Vcc A R +Vcc R Ampli x11 R A VL Vt Ic 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D Vc 36 18 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Stabilité (à la main) : Ouverture boucle en Vt : => effet stabilisateur car la boucle s’oppose aux variations, donc : T.SV.P Bouclage statique correct, mais... 2002 Copyright Ph.D 37 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Stabilité : On localise dans la boucle : • 3 étages à AOP (donc 3 pôles) • 1 comparateur (donc 1 pôle) •le module Peltier (donc 1 pôle) Risque d ’instabilité... 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 38 19 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Comparateur (Fc ≈100Hz) |T| Ampli de sensibilité (x11) Limiteur G=1 Ampli de courant 0dB Ft f Module Peltier (Fc ≈0,2Hz) Copyright Ph.D identiques Hypothèses : AOP 2002 39 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi |T| Résultante 1er ordre Boucle ouverte 2ème ordre 0dB Ft 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D identiques Hypothèses : AOP f 40 20 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Quelle type de correction ? Température : phénomène continu à évolution très lente... Correcteur à pôle dominant ou intégral pur... 2002 Copyright Ph.D 41 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Quelle type de correction ? Température : phénomène continu à évolution très lente... R C Ve 2002 Philippe DONDON Vs Copyright Ph.D 42 21 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi |T| Zoom Résultante 1er ordre Boucle ouverte 2ème ordre 1/R.C f 0dB Correcteur intégral pur Copyright Ph.D identiques Hypothèses : AOP 2002 43 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Stabilité assurée mais système très lent... En pratique; on peut mettre le correcteur sur l ’étage comparateur +Vcc C R A Vr Ver = A.(Ve-Vr) Ve consigne -Vcc 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 44 22 LA CONTRE REACTION Conception d ’un système asservi Neuvième étape : Réalisation 3D du montage Alimentation Module peltier Module peltier Ampli intégré Substrat alumine 2002 Philippe DONDON Copyright Ph.D 45 23
