Conception et réalisation d`un circuit électronique pour l`alimentation

Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Conception et réalisation d’un circuit
électronique pour l’alimentation
d’actionneurs innovants
Rapport de stage
Laboratoire LAPLACE, site ENSEEIHT
2, rue Charles Camichel, BP 7122
31071 Toulouse Cedex 07
12/04/2010 – 18/06/2010
Stagiaire :
Damien ARDITO
Etudiant en 2ème année de DUT GEII
Tuteur de stage :
François PIGACHE
Maître de conférences
Année universitaire 2009 – 2010
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
1
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
2
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Sommaire
Avant-propos .................................................................................. 4
Introduction .................................................................................... 5
1. Le LAPLACE
1.1 Présentation .............................................................................. 6
1.2 Les groupes de recherche ............................................................ 7
1.3 Organisation du laboratoire ......................................................... 8
1.4 Effectifs..................................................................................... 9
1.5 Le GREM3 ................................................................................10
2. Le projet PMS II
2.1 Définition .................................................................................12
2.2 Etudes menées .........................................................................13
2.3 Prototypes réalisés ....................................................................14
3. Cahier des charges
3.1 Expression du besoin .................................................................16
3.2 Analyse fonctionnelle .................................................................18
4. Etude et conception
4.1 Le transformateur piézoélectrique ...............................................20
4.2 Les MEMS .................................................................................24
4.3 Le circuit final ...........................................................................27
5. Réalisation
5.1 Design du circuit .......................................................................36
5.2 Tests et validations....................................................................42
5.3 Réglage du circuit ......................................................................47
Conclusion .....................................................................................52
Bibliographie ..................................................................................54
Webographie ..................................................................................55
Annexes ........................................................................................56
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
3
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Avant-propos
Partant de plusieurs travaux concernant les transformateurs
piézoélectriques, ce stage ne fut pas pour autant une simple reprise. Et
pour cause, c’est la deuxième fois que le LAPLACE intègre un stagiaire de
l’IUT de Nancy-Brabois dans le cadre de leurs recherches, portant sur un
projet global visant à la réalisation d’un nouveau type d’alimentation
compact, tant les performances affichées demeurent pour le moins
intéressantes. Les travaux de Dominique CHAPTAL, stagiaire en 2009,
furent une avancée dans la recherche sur l’alimentation piézoélectrique
engagée par le GREM3. Bien que dans un cadre différent du précédent, ce
stage s’inscrit dans la continuité des activités du GREM3 et les résultats qui
en découleront seront très attendus par les partenaires du projet.
Je tenais donc à remercier mon tuteur, François PIGACHE, tout d’abord
pour m’avoir permis d’effectuer ce stage de fin d’études au sein du
laboratoire LAPLACE, mais aussi de m’avoir aidé à surmonter les difficultés
auxquelles j’ai été plusieurs fois confronté au cours de ces dix semaines.
Mes remerciements d’adressent également à l’ensemble du personnel du
GREM3, qui m’a intégré naturellement dans leur groupe, aux personnes qui
n’ont pas hésité à m’aider et ainsi qu’à l’ensemble du personnel de
l’ENSEEIHT.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
4
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Introduction
Dans le cadre de la formation du DUT GEII à l’IUT de Nancy-Brabois, les
étudiants de deuxième année doivent effectuer un stage de dix (ou douze)
semaines en entreprise. Le diplôme étant professionnalisant, ce stage a
pour objectif de préparer le futur technicien supérieur au monde du travail.
Pour ma part, j’ai choisi d’intégrer le laboratoire de recherche LAPLACE
(pour Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie), situé sur le site de
l’ENSEEIHT, dans la ville de Toulouse. Ce stage, qui s’est déroulé du 12
avril 2010 au 18 juin 2010, a eu lieu dans les nouveaux locaux du GREM3.
Le choix du LAPLACE s’est justifié par ma volonté de réaliser mon stage
dans un cadre particulier, bien éloigné du cadre classique d’une entreprise,
bien que d’une manière générale, le fonctionnement d’un tel laboratoire
s’apparente à celui d’une société.
Durant ces dix semaines, j’ai ainsi incarné le rôle de technicien de
laboratoire dont les fonctions principales sont la conception, la réalisation
et le test de circuits électroniques. De par ses responsabilités, il doit rendre
des comptes à ses supérieurs, c’est-à-dire entre autres, respecter le
calendrier prévisionnel et le budget établi préalablement. Dans ma situation
et à l’issue de ma mission, j’ai dû remettre à mon tuteur, François
PIGACHE, un circuit fonctionnel, respectant le cahier des charges.
En effet, comme le précise le sujet, j’ai la charge de la conception et
de la réalisation d’un circuit électronique pour l’alimentation
d’actionneurs innovants. Sans entrer dans les détails, le système doit
assurer l’alimentation électrique d’un moteur particulier du fait de sa taille
et de son comportement spécifique : il s’agit d’un MEMS (dont le
fonctionnement sera détaillé dans la quatrième partie) qui, pour
s’actionner, nécessite une forte tension, de l’ordre de 200 Volts. La
particularité du système à concevoir réside dans le fait que l’on dispose en
entrée du système d’une source continue de 3 Volts, type pile bouton. Tout
l’enjeu du stage se tient donc dans la capacité à réaliser un circuit compact
capable de « transformer » une faible tension en une tension élevée. Le
dispositif employé capable d’assurer cette fonction est le transformateur
piézoélectrique.
Le présent rapport synthétise donc l’activité de mes dix semaines de
stage passées au sein du LAPLACE. Divisé en cinq parties distinctes, on y
retrouvera, en outre, une présentation du LAPLACE, ainsi que du groupe de
recherche (GREM3) auquel j’ai été affecté. La deuxième partie abordera la
présentation du projet PMS II, à l’origine de mon stage. Par la suite, la
troisième partie abordera plus en détails le cahier des charges, l’analyse
fonctionnelle associée au projet, et d’une autre manière, les attentes de
mon stage. Enfin, les quatrième et cinquième parties traiteront elles, de
façon plus technique, tout le coté conception, réalisation et tests.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
5
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
1. Le LAPLACE
1.1 Présentation
Le LAPLACE (pour Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie), est une
unité mixte de recherche, UMR 5213, commune au Centre National de
Recherche Scientifique (CNRS), à l’Institut National Polytechnique de
Toulouse (INPT), et à l’Université Paul Sabatier (UPS).
Le laboratoire est né le 1er janvier 2007 de la fusion de trois unités
mixtes de recherche : le CPAT (Centre de Physique des Plasmas et de leurs
Applications de Toulouse), le LEII (Laboratoire d’Electrotechnique et
d’Electronique Industrielle), le LGET (Laboratoire de Génie Electrique de
Toulouse) et d’une équipe d’accueil, le LE (Laboratoire d’Energétique). Le
LAPLACE a aussi intégré le LAME (Laboratoire Microondes et
Electromagnétisme). Aboutissement d’un long processus de réflexion qui a
permis de structurer un projet scientifique ambitieux et d’adopter un mode
d’organisation dont l’objectif est de gommer les frontières des laboratoires
d’origine tout en favorisant les synergies entre groupes de recherche, le
LAPLACE va bientôt entamer sa quatrième année d’existence.
Les thèmes de recherche
Les recherches menées au LAPLACE s’inscrivent dans le domaine de
l’énergie électrique et des plasmas et couvrent une multitude d’activités qui
englobent la production, le transport, la gestion, la conversion et l’usage de
l’électricité. Plus précisément, on retiendra :



L’étude comportementale des matériaux et la recherche de nouveaux
matériaux pour le génie électrique, l’électronique de puissance ou
l’électrotechnique
Les études sur les plasmas et leurs applications créés par tous types
de décharges
La conception et la commande des composants, des dispositifs et
systèmes de production, de conversion, de traitement et de stockage
de l’énergie électrique, ainsi que leur sûreté de fonctionnement
De part son potentiel humain, le LAPLACE est la première concentration
de recherche dans le domaine du Génie Electrique et des Plasmas au
niveau national.
Les domaines d’application
Les domaines d’applications des recherches concernent les transports,
l’aéronautique, le spatial, l’environnement, l’énergie, la biologie et la santé.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
6
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Localisation
Le laboratoire est implanté en deux endroits de Toulouse : au sein de
l’ENSEEIHT (Ecole Nationale Supérieur d’Electrotechnique, d’Electronique,
d’Informatique, d’Hydraulique et des Télécommunications) en plein cœur
de la ville, où ont été aménagés de nouveaux locaux, et au sein du
Complexe Scientifique de Rangueil, sur le site de l’UPS (Université Paul
Sabatier).
Fig. 1 - Les deux sites (en rose)
du LAPLACE à Toulouse
La présence du LAPLACE au cœur du centre ville de Toulouse, ainsi que
sur le pôle scientifique de Rangueil souligne l’importance de la recherche
dans la ville, d’autant plus qu’un grand nombre d’industries de pointe
(aéronautique, télécommunication) y sont implantées.
1.2 Les groupes de recherche
Le laboratoire est divisé en 12 groupes de recherches qui participent
chacun au triptyque plasma/matériau/système.












AEPPT : Arcs Electriques et Procédés Plasmas Thermiques
CODIASE : Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques
CS : Convertisseurs Statiques
DSF : Diélectriques Solides et Fiabilité
GENESYS : Groupe Energie Electrique et Systémique
GRE : Groupe de Recherche en Electromagnétisme
GREM3 : Groupe de Recherches en Electrodynamique, Matériaux,
Machines et Mécanismes Electroactifs
GREPHE : Groupe de Recherche Energétique, Plasmas, et Hors
Equilibre
LM : Lumière et Matière
MDCE : Matériaux Diélectriques dans la Conversion d’Energie
MPP : Matériaux et Procédés Plasmas
PRHE : Plasmas Réactifs Hors Equilibre
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
7
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Bien que ces groupes aient chacun leurs propres thèmes de recherche,
des thèmes transversaux fédératifs ont vu le jour. Ils associent plusieurs
groupes dans un cadre collaboratif à objectifs partagés.
1.3 Organisation du laboratoire
Le LAPLACE dispose de plusieurs entités qui prennent part,
conjointement avec l’équipe de direction, aux décisions du laboratoire :
Fig. 2 - Organigramme du LAPLACE
L’équipe de direction
La direction du LAPLACE est confiée à trois personnalités :
(de gauche à droite)



Christian LAURENT, Directeur de recherche au CNRS, Directeur
Georges ZISSIS, Professeur des Universités, Directeur Adjoint
Maurice FADEL, Professeur des Universités, Directeur Adjoint
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
8
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Le conseil de laboratoire
Le Conseil de laboratoire est statutaire. Il a un rôle consultatif et émet
un avis sur toutes les questions relatives à la politique scientifique, la
gestion des ressources, l’organisation et le fonctionnement de l’unité.
Le conseil scientifique
Il est en charge de l’ensemble de la politique scientifique du laboratoire,
de son élaboration à sa conduite et à son évaluation.
Le comité des services communs
Cette structure a pour mission, entre autres, de coordonner l’action des
services communs du laboratoire dans le cadre d’une politique harmonisée
tout en veillant au respect des politiques de sites et d’effectuer un travail
d’analyse visant à proposer un budget annuel par service, éventuellement
décliné sur les deux sites du laboratoire, et qui tient compte de la politique
des services communs définie en Conseil de laboratoire.
1.4 Effectifs
A compter du 1er janvier 2009, le personnel du LAPLACE se compose
de 157 permanents, 149 doctorants et post-doctorants (hors stagiaires)
dont :



107 chercheurs et enseignants-chercheurs
44 ingénieurs, techniciens et administratifs
149 doctorants et post-doctorants
Les enseignants-chercheurs, au nombre de 80, sont rattachés aux deux
composantes du LAPLACE :


INPT : 34
UPS : 46
Les chercheurs CNRS, regroupent pour leur part, 33 personnes.
Les personnels ingénieurs, techniciens et administratifs, au nombre de
44, sont répartis de cette façon :





IATOS rattachés à l’INPT : 3
IATOS rattachés à l’UPS : 14
ITA CNRS : 21
Contractuels administratifs : 3
Contractuels techniques : 3
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
9
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Enfin, le LAPLACE accueille un grand nombre de doctorants et de postdoctorants, ainsi qu’une plus petite proportion de stagiaires Master et IUT :


Doctorants : 121
Post-Doctorants : 28
1.5 Le GREM3
Objectifs généraux
Le thème général du Groupe de Recherches en Electrodynamique,
Matériaux, Machines et Mécanismes Electroactifs, GREM3, concerne la
modélisation et la maîtrise des phénomènes physiques d’interaction
électromécanique ainsi que l’exploration et la mise en œuvre de procédés
innovants pour la conversion électromécanique de l’énergie et les systèmes
d’actionnement.
Composition de l’équipe
Le GREM3 est une équipe mixte composée, de professeurs des
universités (PR), de maîtres de conférences (MC), d’un chercheur (CR),
d’un ingénieur d’études (IE) ainsi que de doctorants. La direction du groupe
est assurée par Bertrand NOGAREDE, Professeur INPT.

1 chercheur et 6 enseignants-chercheurs :
DUHAYON E. (MC)
HENAUX C. (MC)
PIGACHE F. (MC)
MESSINE F. (MC 50%)
ROUCHON J.F. (PR)

LARROCHE R. (T 50%)
NOGAREDE B. (PR)
HARRIBEY D. (IE)
LEFEVRE Y. (CR)
8 doctorants
Activités de recherche
Originellement focalisée sur l’étude et la mise en œuvre des machines
tournantes à commutation électronique, l’histoire de ce groupe depuis les
années 1990, a consistée à un élargissement progressif de son champ
d’activités, depuis la conception de machines et d’actionneurs à effets
électromagnétiques à base de nouveaux matériaux (aimants permanents,
matériaux magnétiques composites), jusqu’à l’étude de procédés de
conversion innovants fondés sur l’exploitation des couplages électromagnétoélastiques (actionneurs, structures et systèmes intelligents à base
de matériaux électroactifs).
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
10
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Thèmes de recherche
Fig. 3 - Les thèmes de recherche du GREM3
1. Actions sur les solides : actionneurs électromécaniques innovants
 Machines électromagnétiques à hautes vitesses
 Actionneurs à fort couple massique
 Nouvelles fonctionnalités électromécaniques
2. Actions sur les fluides : manipulation électroactive des écoulements
 Contrôle de forme électroactif de voilures aéronautiques
 Contrôle électroactifs des écoulements en vue de la réduction de
traînée aérodynamique
 Fonction cardiovasculaire électrique – assistance circulatoire
3. Modélisation électromagnétique : phénomènes couplés multiphysiques
 Modélisation des effets dynamiques du champ électromagnétique
 Modélisation du couplage électroélastique dans les matériaux
électroactifs, prise en compte des aspects tribologiques
4. Méthodologie de conception : approche de type « inverse design »
 Résolution par traitement numérique du problème discrétisé
 Résolution par reformulation analytique
Collaborations
Supports institutionnels : DGA, ANR, Communauté Européenne
Partenariat universitaire : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse,
ONERA-SUPAERO, AP-HP Pitié Salpêtrière, Université de Montréal (GERAD),
Université de Liberec, Ecole Centrale de Lyon, Université de Mons
Partenariat industriel : GOODRICH, TECHNOFAN, AIRBUS, LIEBHERR,
SAGEM, RATIER-FIGEAC, ARELEC, HÖGANÄS, PME régionales
Mots-Clés
Couplage électromécanique ; Modèles physiques ; Matériaux électroactifs ;
Actionneurs ; transformateurs et transducteurs piézoélectriques ;
Application aux systèmes embarqués (aéronautique & espace, médecine...)
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
11
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
2. Le projet PMS II
L’objectif de cette deuxième partie est de présenter dans la globalité le
projet PMS II mené par le GREM3. Il sera fait mention de plusieurs points
techniques que nous détaillerons plus loin, dans une partie entièrement
dédiées aux technologies mise en œuvre dans le circuit. Aussi, les termes
micro-actionneurs, MEMS et micromoteur sont équivalents, de même que
PT et transformateur piézoélectrique.
2.1 Définition
Le projet PMS II (pour Power Micro System) est une étude menée par le
GREM3 et qui a pour objectif le développement d’une alimentation
électronique pour micro-actionneurs MEMS. Ces actionneurs innovants
nécessitent une source haute tension stable pour pouvoir fonctionner. En
première approche, le schéma de principe du système est classiquement
décomposé en deux fonctions :


Un étage élévateur de tension
Un étage redresseur
Le transformateur piézoélectrique offre de très bonnes performances,
notamment en termes de densité de puissance, de rendement et de coût
que les sources dites « classiques », telles que les transformateurs
électromagnétique, ne peuvent égaler. Une contrainte majeure du projet
vient
définitivement
supplanter
l’utilisation
de
convertisseurs
conventionnels : il y a une volonté forte du GREM3 de concevoir un
dispositif miniaturisé qui puisse être implémentés dans des appareils
nomades.
Ainsi, la technologie PMS II mettra en œuvre un transformateur
piézoélectrique (PT) élévateur de tension, qui offre des résultats en accord
avec le cahier des charges fixé par le GREM3. Par ailleurs, les principaux
secteurs industriels qui seront susceptibles d’implémenter ce dispositif
sont :





Le
Le
Le
Le
Le
domaine
domaine
domaine
domaine
domaine
de la téléphonie mobile
des appareils photo numériques
médical
des transports terrestres et aériens
de la défense
On remarque aisément que l’alimentation piézoélectrique risque d’être
sollicitée dans des secteurs où une grande densité de puissance et une
forte compacité sont recherchées et appréciées.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
12
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Les contraintes qui découlent de l’utilisation de l’alimentation pour ces
applications sont multiples et justifient le choix du transformateur
piézoélectrique :




Encombrement réduit
Rendement élevé (~90%)
Forte densité de puissance
Réduction des interférences électromagnétiques (EMI)
La première phase d’étude pour le GREM3 est de concevoir une
alimentation employant un transformateur piézoélectrique du commerce.
Après avoir validé la première version du circuit, une étude d’optimisation
de la structure est menée afin d’adapter au mieux le dimensionnement du
transformateur à sa charge. En effet, les micro-actionneurs ont une
caractéristique particulière qui fait que leur impédance varie au cours de
leur utilisation. Ainsi, l’optimisation du PT conduira à une adaptation
d’impédance entre la source et la charge.
L’alimentation
suivantes :






électronique
devra
respecter
les
caractéristiques
Tension du bus d’entrée : 1,5 V à 24 V
Tension par phase du moteur : 0 à 150 V
Fréquence de fonctionnement : 1 à 1000 Hz
Couple du moteur : 10 à 250 µN.m
Vitesse du moteur : 1 à 1000 tr/min
Forme d’onde d’alimentation : créneaux ou rampe de tension
2.2 Etudes menées
Les études qui ont été menées par le GREM3 reprennent celles qui ont
été menées auparavant par d’autres chercheurs sur les transformateurs
piézoélectriques. Ainsi, le schéma de principe a été conservé lors de la
conception du système.
Fig. 4 - Circuit de base incluant l’élévateur de tension (PT),
Le redresseur de tension (D1-D2-Cf) et la charge RL
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
13
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Le circuit présenté sera par la suite modifié, notamment au niveau du
redresseur. En effet, nous verrons plus tard que le niveau de tension en
sortie du PT est insuffisant pour permettre de faire fonctionner
correctement le micromoteur.
Une modélisation du transformateur piézoélectrique a été effectuée afin
de dimensionner les composants qui vont « entourer » l’élévateur de
tension et aussi de déterminer les paramètres qui vont entrer en jeu pour
l’optimisation du circuit d’alimentation. Ces points seront traités dans le
détail dans la quatrième partie du rapport.
Enfin, une étude approfondie a été portée concernant le transformateur
lui-même. Le but de cette étude fut d’optimiser le dimensionnement PT
pour obtenir les meilleures performances, car rappelons que selon la
charge qui est connectée en sortie de l’étage élévateur (c'est-à-dire le
redresseur et le MEMS), le comportement du transformateur varie. Par
conséquent, les performances de l’alimentation en seront affectées.
2.3 Prototypes réalisés
Après avoir effectué la conception et le dimensionnement des
composants qui forment le circuit d’alimentation, une première version
expérimentale a été réalisée par le GREM3, employant un transformateur 4
Watts Panasonic du commerce. Bien qu’il ne réponde pas aux contraintes
d’encombrement définies par le GREM3, il permit de valider la structure du
circuit.
Fig. 5 - Premier prototype de l’alimentation employant un
transformateur Panasonic 4 Watts
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
14
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Un second prototype a vu le jour à l’occasion du stage de Dominique
CHAPTAL. Cette fois-ci, le transformateur fut complètement optimisé par le
GREM3. Cette seconde version a été conçue afin de satisfaire les besoins du
micro-actionneur dont les caractéristiques électriques sont les suivantes :


Vmax : 200 V (forme d’onde en dents de scie)
Fréquence : 512 Hz
Cependant, les performances affichées lors du test n’ont pas été à la
hauteur des espérances. Ainsi, une autre validation expérimentale à été
cette fois entreprise sur un actionneur de génération précédente qui
présente ces caractéristiques :


Vmax : 80 V (forme d’onde en dents de scie)
Fréquence : 100 Hz
Enfin, l’emploi de composants électroniques de type CMS a été
généralisé sur la seconde platine, afin de respecter les contraintes
d’encombrement définies préalablement par le GREM3.
Fig. 6 - Deuxième version de l’alimentation
employant cette fois-ci un PT entièrement
optimisé par le GREM3
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
15
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
3. Cahier des charges
La présente partie a pour but d’établir clairement les contraintes du
circuit d’alimentation piézoélectrique et celles liées à sa réalisation, et d’une
autre façon, d’établir les objectifs à atteindre à l’issue des dix semaines de
stage.
3.1 Expression du besoin
Dans un premier temps, il convient d’analyser l’intitulé du sujet de stage
afin d’y faire apparaître les attentes de mon travail. Ainsi, l’objet de ces dix
semaines de stage concerne :
Conception et réalisation d’un circuit électronique pour
l’alimentation d’actionneurs innovants
On remarque plusieurs mots-clés qui définissent les contours du besoin
établi par le GREM3, pour le projet PMS II :



Circuit électronique  la carte à concevoir et à réaliser sera
compacte, employant exclusivement des composants de type CMS.
Alimentation  le circuit devra assurer l’alimentation électrique
d’un micromoteur de type capacitif à l’aide d’un PT.
Actionneurs innovants  il s’agit de la charge qui sera alimentée
par le circuit. Cette charge est un MEMS dont le fonctionnement sera
détaillé plus loin.
Nature du signal à générer
Pour pouvoir être fonctionnel, une forme de tension spécifique devra
être appliquée au bornes du micromoteur afin qu’il fonctionne
normalement. Le GREM3 a donc choisi d’alimenter la charge avec une
tension en dents de scie :
Fig. 7 - Tension en dents de scie aux bornes du MEMS
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
16
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Le précédent signal devra respecter les caractéristiques suivantes pour
permettre un fonctionnement optimal du micromoteur :




Forme en dents de scie
Une fréquence de 512 Hz
Un rapport cyclique de 50%
Une tension maximale atteinte au bout de la demi-période de 200
Volts
La forme du signal
La rampe de tension a été choisie car elle permet une action mécanique
plus douce de par l’accumulation progressive des charges électriques.
La fréquence
Le choix de la fréquence de 512 Hz n’est pas anodin : en effet, le
mécanisme interne du MEMS comporte une roue dentée de 512 dents,
couplée à l’axe de rotation du moteur. De cette façon, en appliquant une
rampe à cette fréquence, on parvient à faire tourner le MEMS à une vitesse
d’un tour par seconde (une rampe de tension entraîne la rotation de la roue
de 1/512ième de tour).
Le rapport cyclique
Compte tenu du comportement capacitif de la charge, un laps de temps
est nécessaire afin que le moteur puisse se décharger. C’est pourquoi la
rampe n’opère que sur une demi-période, soit un rapport cyclique de 50%.
La tension maximale
De par la structure interne du MEMS (dont le fonctionnement sera
détaillé plus loin), une forte tension est nécessaire afin de faire osciller les
peignes de silicium.
Design de la carte
En ce qui concerne la géométrie du circuit électronique, on essaiera de
réaliser une carte encore plus petite que celles déjà existantes. Ainsi, la
troisième version de l’alimentation piézoélectrique aura des dimensions
inférieures à celle réalisée par Dominique CHAPTAL, dont voici les cotes :


Longueur : 30 mm
Largueur : 20 mm
De plus, il faudra rendre plus accessible les deux composants (une
inductance et un condensateur) qui formeront le circuit d’accord de l’autooscillateur (cf. partie 4), afin de permettre un réglage plus aisé de la
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
17
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
fréquence d’usage du système. Un soin devra être apporté au niveau de la
CEM et globalement au niveau du routage du circuit afin de réduire les
perturbations.
Fig. 8 – Circuit réalisé par D. CHAPTAL
Par ailleurs, une erreur s’est glissée lors du stage de Dominique
CHAPTAL au niveau des empreintes des composants. Elle devra être
repérée et corrigée. Elle concerne vraisemblablement le mauvais brochage
de diodes ou d’amplificateurs opérationnels (il se pourrait que ces
composants soient montés à l’envers).
3.2 Analyse fonctionnelle
Pour mieux comprendre les attentes de la mission et les objectifs à
atteindre au bout des dix semaines de stage mais aussi dans un esprit de
synthèse, une analyse fonctionnelle est nécessaire en complément du
cahier des charges.
Bête à cornes
Fig. 9 - Bête à cornes du projet
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
18
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Diagramme FAST
Fig. 10 - Diagramme FAST
Le diagramme FAST permet déjà d’entrevoir les solutions techniques qui
risquent d’être employées pour mener à bien le projet. Chaque fonction
fera l’objet d’une étude dans la prochaine partie.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
19
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
4. Etude et conception
Cette quatrième partie se consacre d’une façon plus technique et plus
approfondie à l’étude du circuit électronique d’alimentation. Dans un
premier temps, nous aborderons la pièce maitresse du système : il s’agit
du transformateur piézoélectrique. Dans un second temps, nous traiterons
de la charge qui sera connectée à l’alimentation, c’est à dire le MEMS.
Enfin, le circuit final fera l’objet d’une analyse afin de bien cerner le
fonctionnement du système.
4.1 Le Transformateur Piézoélectrique
Bien que réservés historiquement aux dispositifs électroacoustiques, aux
capteurs mécaniques ou aux actionneurs de précision, depuis quelques
années, le champ d’utilisation des matériaux piézoélectriques s’est élargi,
avec de nouvelles utilisations, notamment en « électronique de
puissance ». C’est dans ce domaine, où les circuits d’alimentation
requièrent soit une grande compacité, soit une forte isolation galvanique,
ou des niveaux de tension élevés que les transformateurs piézoélectriques
trouvent leur place.
Rappel
Avant d’entrer dans l’explication du fonctionnement d’un PT, il est
nécessaire de faire un rappel sur le principe physique mis en jeu dans ce
type de transformateur : la piézoélectricité.
La
à se
(effet
(effet
piézoélectricité caractérise la propriété que présentent certains corps
polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique
direct) et à se déformer lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique
inverse).
Fig. 11 - Illustration de l’effet direct
Cette propriété qu’ont certains matériaux non conducteurs tels que le
quartz, est employée dans plusieurs dispositifs courants : microphone des
portables, capteurs, allume-gaz…
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
20
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Cependant, les matériaux utilisés généralement pour la réalisation des
transformateurs piézoélectriques sont des céramiques ferroélectriques
faisant partie de la famille cristalline des pérovskites, comme par exemple,
le titano zirconate de plomb, ou PZT.
Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement d’un transformateur piézoélectrique
repose sur l’exploitation de la double conversion électromécanique (effet
piézoélectrique inverse) puis mécanoélectrique (effet piézoélectrique direct)
de l’énergie.
Fig. 12 - Schéma de principe de l’utilisation d’un PT
Si l’on impose une tension alternative Ventrée au niveau des électrodes
primaires, on génère une vibration alternative du barreau qui induit à son
tour une tension alternative Vsortie entre les électrodes secondaires. Par la
suite, c’est la structure employée qui fixera le gain en tension (ou rapport
de transformation). Pour être efficace, ces vibrations doivent
s’accompagner d’une mise en résonance mécanique de la structure (nous
détaillerons ce point un peu plus loin).
Structure « Rosen »
Il existe plusieurs structures de transformateurs piézoélectriques qui
exploitent différents modes de couplage électromécanique. Nous
retiendrons uniquement la structure Rosen, qui sera celle employée dans
notre circuit d’alimentation.
Fig. 13 - Transformateur de type Rosen
Cette structure emploie un mode de couplage longitudinal. Cela signifie
que lorsque le primaire (la moitié gauche du PT) est polarisé en épaisseur
(Vin), une vibration longitudinale est générée à la fréquence de la tension
appliquée. Le primaire et le secondaire étant mécaniquement couplés, une
différence de potentiel Vout apparait au secondaire.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
21
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Modélisation
Pour profiter au maximum des possibilités du transformateur
piézoélectrique, la fréquence de la tension qui vient exciter le primaire doit
être proche de la fréquence de résonance acoustique du PT. En effet,
comme le montre la figure 14, lorsque le dispositif opère à la pulsation de
résonance ωr, c’est à ce moment là que la puissance P2 et le gain G en
tension seront à leur maximum.
Fig. 14 – Evolution fréquentielle du gain,
de la puissance et du rendement
Par ailleurs, on peut donner un modèle équivalent du transformateur à
sa fréquence de résonance :
Fig. 15 - Circuit équivalent du PT opérant à sa résonance
Les différents éléments du circuit équivalent permettent de modéliser les
caractéristiques internes du PT :




R1 représente les pertes mécaniques
L1 et C1 représentent les caractéristiques de résonance
Cin et Cout représentent les capacités d’entrée et de sortie
RL représente une charge résistive connectée en sortie du PT
La pulsation de résonance série du transformateur sera donc fixée par
les éléments L1 et C1 du modèle, et aura pour simple expression :
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
22
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
On réalise alors à quel point il sera complexe d’être au voisinage de
cette fréquence, étant donné l’imprécision sur les valeurs de L1 et C1. De
plus, les performances du PT sont finalement limitées par les matériaux
céramiques employés. Enfin, nous voyons d’ores et déjà que la fréquence
d’alimentation devra être asservie à la fréquence de résonance afin
d’obtenir les meilleurs performances du transformateur.
Influence de la charge
Une remarque importante sur ces transformateurs est à souligner. En
effet, on a remarqué que leurs performances sont fortement dépendantes
du niveau de charge connectée au secondaire. Comme le montre la figure
15, la pulsation de résonance est fonction de l’impédance de la charge.
Fig. 16 – Variation de la pulsation de résonance
en fonction de la charge
Modes vibratoires
Les modes vibratoires correspondent aux différentes formes de
contraintes appliquées aux transformateurs piézoélectriques sur leur
longueur. Les deux modes sollicités pour le type Rosen sont les modes λ et
λ/2, où λ correspond à la longueur d’onde de la contrainte. Comme le rend
compte le tableau suivant, selon le mode vibratoire sollicité, la fréquence
de résonance, ainsi que le gain du PT varient.
frésonance
Gain en tension
Panasonic (λ/2)
56,5 kHz
46
Miniature (λ/2)
127 kHz
44,55
Miniature (λ)
255,2 kHz
-38,68
Tableau 1 – Valeurs de fréquence de résonance série et de gain en tension fonction du
mode vibratoire sollicité
Note : la dénomination « Miniature » correspond
optimisé par le GREM3 (cf. Optimisation).
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
au
transformateur
23
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Optimisation
En vue de réaliser une alimentation utilisant un transformateur
piézoélectrique employant les deux modes vibratoires λ et λ/2, une
optimisation a été entreprise par le GREM3. En effet, le PT doit satisfaire un
encombrement réduit tout en respectant les critères suivants :




Le gain en tension
Un rendement très élevé
Les limites dimensionnelles du fabricant
Les limites dimensionnelles favorables
attendus
aux
modes
vibratoires
La fabrication des barreaux a été par la suite sous-traitée par la société
Noliac.
Fig. 17 – PT final avec fils de connexion
Bilan
Bien que l’implémentation des transformateurs piézoélectriques ne soit
pas aisée en raison des paramètres externes (niveau de charge,
température, etc.) qui modifient leur comportement, ils affichent
néanmoins des qualités appréciables en terme de rendement, de
dimensions, de coût et de CEM, que ne présentent pas les transformateurs
conventionnels.
4.2 Les MEMS
Les MEMS (acronyme anglais pour Microelectromechanical systems) sont
des dispositifs comprenant un ou plusieurs éléments mécaniques, utilisant
l’électricité comme source d’énergie, en vue de réaliser une fonction de
capteur et/ou d’actionneur avec au moins une structure présentant des
dimensions micrométriques. Le terme systèmes microélectromécaniques
est la traduction française des MEMS.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
24
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Fig. 18a – Vue d’ensemble du MEMS
Fig. 18b – Entouré en rouge, l’axe du
moteur
Principe de fonctionnement
Le fonctionnement des MEMS capacitifs repose sur l’exploitation des
forces de Coulomb grâce à des peignes électrostatiques qui le composent
(figure 19a). Le principe utilisé est la mise en parallèle de plusieurs
plaques, dont la force croit proportionnellement avec le nombre total de
peignes. Lorsque une forte tension est appliquée entre les deux électrodes
Et et Eb du MEMS (figure 19b), les peignes se rapprochent l’un de l’autre.
On obtient alors un mouvement linéaire de va-et-vient par l’alternance de
phases d’alimentation et de coupure. Cette oscillation se retrouve par la
suite transformée en un mouvement de rotation grâce à un système
mécanique de crémaillère.
Fig. 19a – Géométrie d’un peigne
Fig. 19b – Actionneur en peigne
Fig. 20a – Peignes d’un MEMS
Fig. 20b – Mécanisme interne
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
25
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Modélisation
L’utilisation de l’analyseur d’impédance du laboratoire nous a permis de
donner un circuit équivalent du micromoteur utilisé, même si en réalité, le
comportement particulier du MEMS entraîne une variation de l’impédance
selon la proximité dynamique des peignes. Ainsi, on a pu approcher le
comportement de l’actionneur comme étant la combinaison de deux
composants passifs, c’est-à-dire ici d’une résistance RMEMS et d’une
capacité CMEMS :
Fig. 21 – Circuit équivalent du MEMS
L’appareil nous a donc donné comme valeurs :


RMEMS = 99,4 MΩ
CMEMS = 71,3 pF
C’est d’ailleurs avec ce modèle statique que seront faites les prochaines
simulations du circuit d’alimentation afin d’appréhender les résultats
pratiques.
Applications
Depuis leur apparition, les MEMS font l’objet d’un très grand nombre
d’applications industrielles, mais aussi d’appareils d’utilisation courante. Les
plus importantes sont :





Les
Les
Les
Les
Les
injecteurs pour imprimantes à jet d’encre
capteurs de pression
micro-miroirs (vidéoprojecteurs)
micro-relais
accéléromètres (airbags et iPhone), etc.
Bilan
Bien qu’il existe des MEMS reposant sur d’autres principes, ceux
présentés auparavant se présentent comme des dispositifs dont le
comportement particulier (assimilable à une capacité variable) nous oblige
à concevoir un circuit d’alimentation adapté.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
26
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
4.3 Le circuit final
Compte tenu des caractéristiques données précédemment sur le PT et
sur le micromoteur, le futur circuit d’alimentation devra être conçu de façon
à respecter les contraintes suivantes :



Tension maximale aux bornes du MEMS : 200 Volts
Forme de la tension UMEMS : dents de scie
Durée de charge/décharge du MEMS : 1/512 secondes (soit 512 Hz)
Pour satisfaire ces trois contraintes, un circuit muni d’un transformateur
piézoélectrique a été conçu par François PIGACHE. Le système est composé
de plusieurs fonctions qui ont chacune un rôle particulier. Ce point traitera
donc de l’étude des différents blocs qui composent l’alimentation
piézoélectrique.
Par ailleurs, pour permettre la compréhension du fonctionnement de
chaque fonction, une simulation a été préalablement réalisée sous OrCAD
Layout. On retrouvera donc pour chaque étage, un oscillogramme mettant
en évidence les signaux associés.
Le multivibrateur astable
C’est cet étage qui va permettre de réaliser le signal en créneaux d’une
fréquence de 512 Hz, utilisé par la suite dans un autre bloc pour « activer »
successivement la charge et la décharge du MEMS. Le circuit le plus simple
à mettre en œuvre reste celui composé d’un amplificateur opérationnel et
de quelques autres éléments passifs (résistances et condensateurs) :
Fig. 22 – Circuit de l’astable
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
27
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Grace à la formule liant la fréquence de fonctionnement de l’astable et
les composants passifs qui le composent, nous pouvons trouver les valeurs
de C6 et R12 afin d’obtenir la fréquence de 512 Hz désirée :
Etant donné que nous disposons uniquement d’une alimentation 3 Volts
continue, et non d’une alimentation symétrique du type ± 15 Volts, un pont
diviseur de tension (R10 et R11) permet d’obtenir une tension
intermédiaire (appelée point milieu) de façon à ce que la sortie Vcontrol de
l’AOP varie bien entre 0 et 3 Volts. De plus, nous avons besoin de générer
le signal complémentaire VcontrolB. Pour cela, on utilise simplement le
transistor Q5 qui fonctionne en régime non linéaire (bloqué/saturé), jouant
le rôle d’un inverseur.
Fig. 23 – Simulation du multivibrateur astable. En vert, Vcontrol ; en rouge, son
complément
L’auto-oscillateur
Il s’agit de l’étage le plus délicat du circuit. En effet, c’est ici qu’est mis
en œuvre le transformateur piézoélectrique. Dans cette configuration, il est
employé sur le principe comparable à celui d’un oscillateur à quartz. Le
système peut donc se présenter sous la forme d’une structure bouclée
classique :
Fig. 24 – Schéma-bloc d’un système oscillant
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
28
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Pour que l’auto-oscillation ait lieu, le système doit respecter la condition
de Barkhausen qui est :
En pratique, deux conditions doivent être réunies :

Sur le module :

Sur la phase :
Le circuit comprend alors un PT et un amplificateur opérationnel pour
ramener le gain égal à 1. Les composants L1 et C3 forment le circuit
d’accord. En effet, ils servent à fixer la fréquence d’oscillation au plus près
de la valeur optimale de gain du PT. Le circuit devient donc :
Fig. 25 – Schéma de l’auto-oscillateur
Comme toute structure d’oscillateur, on remarque un rebouclage de la
sortie sur l’entrée, afin de réinjecter (au travers du pont diviseur R5 et R6)
une partie du signal de sortie dans la chaine d’amplification. Par ailleurs,
comme pour le circuit du multivibrateur astable, une tension intermédiaire
est obtenue grâce au pont diviseur de tension R1 et R2.
Selon le monde vibratoire choisi (λ ou λ/2), le gain du PT est soit positif
ou négatif. Cela implique donc d’ajouter un déphasage supplémentaire de
180° si le gain est positif, ou nul dans le cas contraire, afin de satisfaire la
condition de Barkhausen. Etant donné que le futur circuit d’alimentation
emploiera un PT en mode λ, l’amplificateur sera monté en non inverseur.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
29
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Enfin, quant aux choix de L1 et C3, leur valeur doit être choisie afin de
toujours respecter les critères de Barkhausen. Il existe pour cela une
infinité de couples L1-C3 satisfaisant cette condition, comme le montre la
figure 26. On remarque que la relation liant les deux n’est pas affine.
Fig. 26 – Courbe représentant les couples L1-C3
respectant les conditions de Barkhausen et
permettant d’avoir un gain optimal du PT
Ainsi, avec le bon couple L1-C3, on obtient en simulation les signaux
d’entrées et de sortie de la figure 27 sur une charge de 1 MΩ:
Fig. 27 – Tension au primaire (en rouge) ; tension au secondaire (en vert)
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
30
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Le doubleur de tension
On a pu voir auparavant que la tension en sortie du transformateur
atteignait la centaine de volts, ce qui n’est pas suffisant pour alimenter le
MEMS. Ainsi, pour augmenter cette tension, on intègre un étage
multiplicateur de tension (en fait un simple doubleur) qui en même temps,
fait office de redresseur. En effet, l’ondulation en sortie du doubleur doit
être minime. La structure proposée est celle du doubleur de Schenkel,
composée de deux condensateurs et de deux diodes :
Fig. 28 – Structure du doubleur de tension
Comme on peut le voir sur le résultat de la simulation en figure 29,
lorsque le montage est attaqué par une tension sinusoïdale de 120 Volts
d’amplitude (simulant la tension de secondaire du PT), on obtient en sortie
une tension quasiment continue de 240 Volts (en négligeant les tensions de
seuils des diodes), tant que la charge ne tire pas trop de courant (auquel
cas on apercevrait une ondulation de la tension).
Fig. 29 – En vert, la tension en sortie du PT ;
en rouge, la tension en sortie du doubleur
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
31
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Le principe de fonctionnement du doubleur de Schenkel est le suivant :


Lorsque Uentrée = -Umax, D2 est passante, C1 se charge et UC1 = Umax
Lorsque Uentrée = Umax, D1 est passante, C1 se décharge vers C2 donc
UC2 = Umax + UC1
La source de courant
Le dernier étage du circuit d’alimentation piézoélectrique est celui de la
source de courant. En effet, comme il a été précisé dans la partie
concernant les MEMS, ces derniers sont assimilables à peu de choses près à
des capacités variables. La loi de fonctionnement des condensateurs est
vérifié par la relation :
Autrement dit :
Cela signifie donc que si l’on charge un condensateur à courant
constant, on obtient à ses bornes une tension qui croît linéairement,
autrement dit, on obtient une rampe de tension. Le montage qui demeure
le plus simple pour fournir un courant constant à la charge reste donc la
source de courant à transistors bipolaires, dont voici le schéma :
Fig. 30 – Source de courant commandée par l’astable
La valeur du courant tiré par le MEMS est donnée par la simple relation :
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
32
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
On en déduit alors que le courant est constant quelque soit la charge (ce
qui se révèle intéressant en sachant que l’impédance du MEMS varie au
cours de son fonctionnement).
Sur la figure 30, on peut remarquer la présence des transistors NPN Q2
et Q5. En fait, ils agissent en tant qu’interrupteurs commandés par le
multivibrateur astable. Leur fonctionnement est le suivant :


Lorsque Vcontrol = 1 ( VcontrolB = 0) : la source fonctionne
normalement (Q2 saturé), et elle fournie le courant nécessaire au
MEMS qui se charge.
Lorsque Vcontrol = 0 ( VcontrolB = 1) : le MEMS est court-circuité
(Q5 saturé) le temps de se décharger, et la source de courant est
« éteinte » (Q2 bloqué) de façon à ne pas consommer inutilement du
courant.
En ce qui concerne la valeur du courant délivré au micro-actionneur,
c’est ce dernier qui va fixer la pente de la tension de la rampe. La relation,
qui correspond à l’équation d’une droite, est :
Après simulation (figure 31), on trouve finalement la bonne valeur de R1
fixant le courant du MEMS de façon à avoir une tension de 200 Volts aux
bornes du micromoteur au bout de la demi-période de l’astable.
Fig. 31 – En vert, la tension aux bornes du MEMS ; en bleu, VcontrolB
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
33
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Pour éviter une décharge successive et donc la diminution de la tension,
une condition est posée sur la valeur du condensateur C2 du doubleur de
tension.
Fig. 32 – En jaune, IMEMS ; en bleu, le courant d’émetteur de Q3 ; en vert, le courant total
En effet, la quantité de charges injectées par le PT doit être supérieure à
celle tirée par la charge, c'est-à-dire :
Pour Vmax = 200 Volts, T = 1/512 seconde, R1 = 30 kΩ et α = 0.5,
l’application numérique donne C2 ≥ 220 pF, d’où C2 = 1nF.
Bilan
En complément, la figure 33 présente sous forme de synoptique, la
forme des signaux électriques entrants et sortants de chaque étage.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
34
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Fig. 33 – Synoptique des signaux mis en jeu dans le circuit d’alimentation
Cette analyse du circuit est indispensable pour la poursuite du stage. En
effet, de cette façon, nous savons dorénavant à quelles formes de signaux
nous devrons nous attendre lors des tests. De plus, il sera plus aisé de
dépanner les différents étages en cas de dysfonctionnement.
Le circuit global présentant les différents étages connectés entre eux est
disponible en annexe I.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
35
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
5. Réalisation
Après l’étude théorique du circuit, cette cinquième et dernière partie est
consacrée au design de la carte d’alimentation, au montage des différents
étages et à leurs tests, ainsi qu’à la fin, du réglage de l’auto-oscillateur.
5.1 Design du circuit
Une fois que le fonctionnement du système est bien compris, le design
du circuit a été lancé. Cette fois-ci, il s’agissait de réaliser un circuit qui
apportait des innovations par rapport au circuit dessiné par précédent. En
effet, il a été constaté plusieurs défauts de design, notamment au niveau
du blindage de la carte (plan de masse, boucles, perturbations). De plus,
étant donné que des réglages au niveau des composants d’accord sont
nécessaires, la deuxième version de l’alimentation piézoélectrique n’offrait
pas une bonne accessibilité au niveau de L1 et C3. Enfin, un effort au
niveau de la compacité de la carte était attendu en vue de respecter le
cahier des charges du projet PMS II.
Altium Designer 2004
Toute la conception du circuit imprimé a été
entreprise sous la suite logicielle Altium Designer 2004
(ex-PROTEL). En plus de la conception du PCB, Altium
permet aussi de réaliser des simulations de circuits électroniques. Enfin,
des outils intégrés au logiciel offrent par exemple, la possibilité de générer
des fichiers de fabrication standards, du nom de GERBER, nécessaires aux
sociétés pour réaliser les circuits imprimés.
CAO
La première phase de la conception du PCB a été de redessiner
entièrement le schéma électrique issu de la simulation sous OrCAD Layout.
Fig. 34 – Illustration du design sous Altium
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
36
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Une fois le schéma repris (cf. annexe II), des contraintes (PCB Rule) ont
été affectées aux endroits critiques du circuit, notamment au niveau de la
largeur des pistes. En effet, certaines pistes sont susceptibles de faire
circuler un courant important (au niveau du doubleur de tension
notamment). Par conséquent, pour faciliter le passage de ce dernier et
réduire les échauffements dans les pistes, une largeur de piste de 20 mil
(≈ 0,508 mm) a été choisie, alors que pour les pistes normales, leur
largeur est restée à 10 mil.
Fig. 35 – PCB Rule au niveau du doubleur de tension
Par la suite, il a fallu associer à chaque composant du circuit une
empreinte (Footprint). Pour cela, des bibliothèques sont mises à disposition
sur Internet. Après les avoir chargées sous Altium, il ne restait plus qu’à
vérifier qu’une empreinte été bien attribuée à chaque composant du circuit.
Fig. 36 – Ajout des bibliothèques (Libraries) d’empreintes
Les bibliothèques chargées, le design de la carte pouvait enfin
commencer. Tout d’abord, le bord de la carte a du être définie. Pour cela,
ce sont les dimensions de la carte réalisée précédemment qui ont servies
de base pour démarrer. La troisième version de l’alimentation (figure 37)
est donc partie d’une carte aux dimensions de 20 mm en largeur et de 30
mm en longueur. Il est évident que par soucis de compacité, ces
dimensions allaient être réduites à leur maximum. Par ailleurs, la future
carte a été réalisée en double face.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
37
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Fig. 37 – Dimensions de la future carte
Suite à la définition de la forme de la carte, le placement des
composants est entrepris. Cette étape est très importante. En effet, il s’agit
de trouver la bonne place pour chaque composant, et cela en évitant les
pistes trop longues, les boucles, et de façon aussi, à gagner de l’espace.
C’est pourquoi cette étape a été assez longue. Cependant, pour faciliter la
tache, les composants de chaque étage ont été réunis pour réduire au
maximum les espaces.
Fig. 38 – Le placement des composants est une étape longue qui nécessite
beaucoup de réflexion
Il faut préciser une chose : les composants de la carte étant entièrement
de type CMS (hormis les connecteurs J1 et J2), ils ne possèdent donc pas
de trous puisqu’ils sont montés en surface. En plus de cela, il est possible
d’implanter des trous métallisé afin de maintenir le contact électrique entre
les deux faces de la carte, ce qui facilite relativement bien la tâche.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
38
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Seulement après que tous les composants aient été placés de façon
correcte et réfléchie, le routage a pu enfin commencer. Pour respecter une
contrainte de départ relative à la CEM, et notamment au blindage, le circuit
imprimé a été muni d’un plan de masse sur les deux faces. Ces deux plans
ont d’ailleurs été connectés entre eux à l’aide de trous métallisés. Le
blindage est indispensable ici car en présence de forte tension (120 Volts,
200 Volts), elles doivent être « isolées » des pistes véhiculant des signaux
de faible niveau (signal de l’astable).
Fig. 39a – Sans le plan de masse
Fig. 39b – Avec le plan de masse
Un défaut a été constaté et réparé lors du routage de la carte. En fait, il
se trouvait que le PT ne disposait pas d’assez de place sur ses cotés. Cet
espace est nécessaire car dans l’empreinte du PT, le sarcophage où repose
le transformateur pour qu’il puisse vibrer normalement, n’est pas pris en
compte. De plus, cet espace supplémentaire facilite le soudage des trois fils
de connexions du PT.
Concernant la CEM du circuit, plusieurs choses ont été ajoutées. Tout
d’abord au niveau du schéma électrique, des condensateurs de
découplages (C1 et C7) ont été implémentés au plus près des alimentations
(aux AOP notamment). De plus, un soin particulier a été apporté sur la
géométrie des pistes. Celles-ci ont été dessinées de façon à ne pas faire
d’angle droit, et ont été raccourcies au maximum pour réduire leurs effets
résistifs et selfiques. Le plan de masse participe aussi à réduire l’effet
capacitif existant lorsque deux pistes sont jointes sur leur longueur. Enfin,
et en dépit du peu d’espace disponible, une attention particulière a été
observée au niveau de la cohabitation des pistes véhiculant une forte
tension, et celles où circulent des tensions de faibles niveaux, dans le but
de réduire les perturbations.
Au final, et après plusieurs heures de travail, la troisième version de
l’alimentation piézoélectrique présentait les dimensions suivantes :


Longueur : 27,686 mm
Largeur : 18,034 mm
Soit un gain de place de 16% par rapport à la deuxième version et un gain
de 57% par rapport à la première.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
39
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Comme on peut le constater sur la figure 40a, cette fois-ci les
composants du circuit d’accord, L1 (en vert) et C3 (en jaune) ont été
rendus plus accessibles.
Fig. 40a – Vue de la face avant (Top Layer)
Fig. 40b – Vue de la face arrière (Bottom Layer)
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
40
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Relation client-fournisseur
Une fois la CAO du circuit imprimé achevée,
suivie de plusieurs vérifications au niveau de la
continuité électrique des pistes, un devis (cf.
annexe III) a été demandé à la société MICRO C.I. implantée en périphérie
de Toulouse, pour réaliser la carte d’alimentation en deux exemplaires.
Plusieurs caractéristiques ont été définies notamment au niveau de la
matière de la carte, de la finition et de l’épaisseur du cuivre des pistes. Il a
donc fallu générer les fichiers de fabrication nécessaires pour lancer la
réalisation. Après plusieurs entretiens téléphoniques concernant des soucis
de fichiers GERBER non exploitable, la réalisation a été lancée. Le coût de
la fabrication s’élevait quant à lui aux alentours de 300 € pour deux
exemplaires.
Fig. 41 – Réception des circuits imprimés
Fig. 42 – Vue de la face avant des circuits
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
41
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
5.2 Tests et validation
Avant de commencer le montage des différents étages, un listing des
composants déjà disponibles au laboratoire a été effectué (cf. annexe IV).
Par la suite, les quelques composants manquants (cf. annexe V) ont été
commandés auprès du fournisseur spécialisé Radiospares.
Il est évident que la vérification du bon fonctionnement du circuit
d’alimentation sera faite point par point. En effet, de cette façon, chaque
étage est testé indépendamment des autres afin, de mieux trouver la cause
d’un éventuel dysfonctionnement du système. Cette sous-partie sera donc
consacrée au montage, aux tests et à la validation de chacun des quatre
blocs, pour bien vérifier aussi que les résultats obtenus en pratique sont en
accord avec ceux obtenus au cours des simulations, lors de l’étude
théorique.
En ce qui concerne le montage lui-même, il a été effectué avec un fer à
souder chauffé aux alentours de 300 °C. Pour faciliter l’accrochage de
l’étain avec les pastilles et les pattes des composants, du flux a été à
chaque fois préalablement déposé sur les surfaces à travailler. Constatant
quelques « décollement s» de pastilles et de pistes, par la suite la
température du fer a été baissée aux alentours de 250 °C. Pour effectuer le
test des blocs, du fil à wrapper à été utilisé pour une plus grande facilité
d’opération. Enfin, pour visualiser les signaux, un oscilloscope numérique
était à disposition.
Fig. 43 – Fils à wrapper utilisés ici pour
l’alimentation en 3 Volts de la carte
Le multivibrateur astable
Le premier étage à avoir été monté en premier sur la carte a été le
multivibrateur astable pour deux raisons. Tout d’abord, il s’agit bien du bloc
le plus simple du circuit. Puis, n’étant pas très habitué avec le soudage de
composants CMS, son montage était aussi l’occasion pour se familiariser
avec ce type de soudure qui demande d’ailleurs une bonne dextérité.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
42
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Après avoir monté l’ensemble des composants du multivibrateur astable,
un premier problème est apparu. En effet, aucun créneau n’apparaissait en
sortie de l’AOP. Il s’agirait vraisemblablement d’un problème récurrent de
l’amplificateur opérationnel, celui-ci ne pouvant fournir suffisamment de
courant pour alimenter le circuit de relaxation. Originellement, les valeurs
du circuit RC était :


R12 = 100 kΩ
C6 = 8,2 nF
En remplaçant ces valeurs, tout en maintenant le produit RC constant par :


R12 = 10 kΩ
C6 = 82 nF
On obtenait bien à l’écran de l’oscilloscope numérique un créneau d’une
fréquence proche de 512 Hz, comme désirée :
.
Fig. 45 – Signaux Vcontrol et son complément VcontrolB
La seule difficulté rencontrée, hormis le non fonctionnement au début de
l’astable, était le montage de deux condensateurs en parallèle afin
d’obtenir la valeur de capacité souhaitée (deux condensateurs en parallèle
est équivalent à un condensateur dont leur capacité s’ajoutent).
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
43
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Le doubleur de tension
Une fois le multivibrateur astable validé, c’est au tour du doubleur d’être
monté et testé. Cependant, le test n’a pas pu être réalisé dans les
conditions normales d’utilisation de ce bloc. En principe, la tension qui vient
attaquer le doubleur est une sinusoïde d’amplitude aux alentours de 120
Volts. C’est pourquoi lors de ce test, la tension d’attaque était une
sinusoïde de 10 Volts d’amplitude et de fréquence 250 kHz.
Un premier test a été effectué à vide, c'est-à-dire sans charge connectée
à la sortie, afin de bien vérifier que la tension d’entrée était bien doublée :
Fig. 46 – Tension de sortie à vide du doubleur
Cependant, ce test ne peut faire office de validation car il est évident
que la charge, composée de la source de courant et du MEMS, tireront un
courant non négligeable. Plusieurs tests, avec cette fois-ci des charges
résistives de plusieurs valeurs ont alors été effectués (cf. annexe VI à VIII).
Fig. 47 - Tension de sortie du doubleur avec une charge résistive
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
44
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Ainsi, comme le montre la figure 47, lorsque une charge de 240 kΩ est
branchée à la sortie du doubleur, elle tire un courant de 75 µA, soit plus
que ce que va tirer la source de courant et le MEMS (~ 67 µA). On constate
alors que la sortie présente une faible ondulation.
La source de courant
Pour le test de la source de courant, il n’y avait aucune contrainte de
sécurité concernant l’utilisation d’un générateur de tension de laboratoire
pour simuler 240 Volts à l’entrée de l’étage. En effet, le générateur étant
muni une limitation en courant, aucun risque d’accident électrique existait.
Par ailleurs, deux tests ont été effectués pour valider la source de courant :
le premier sans le multivibrateur astable, le second avec.
Le test de la source de courant sans multivibrateur a permis de vérifier
que le courant destiné pour le MEMS circulait bien. Pour cela, les transistors
permettant d’éteindre la source et de court-circuiter le MEMS ont été
respectivement remplacés par un fil et retiré. De plus, une résistance de
100 kΩ a été branchée entre le collecteur de Q2 et la masse :
Fig. 48 – Montage de test
Comme il a été vu dans la quatrième partie traitant du fonctionnement
de la source de courant, le courant circulant dans R8 est égal à :
IMEMS vaudra donc ici 27 µA. En passant dans la résistance de 100 kΩ, on
aura une tension image du courant, soit normalement, une tension de 2,74
Volts. La figure 49 montre le signal obtenu à l’oscilloscope :
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
45
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Fig. 50 –Tension d’environ 2,2 Volts
En réalité, on obtient un peu moins de 2,7 V. Une mesure de la tension
entre base et émetteur de Q1 donne 0,52 V au lieu des 0,7V attendu.
Le second test a cette fois eu lieu avec la commande des transistors
retirés précédemment, par le multivibrateur astable. Dans un premier
temps, la source de courant ne s’éteignait pas. En effet, le transistor
permettant d’éteindre la source de courant, semblait être tout le temps
saturé. La visualisation du signal de sortie du transistor permettant de
générer VcontrolB permit de mettre en évidence un dysfonctionnement qui
semblait être dû à une résistance de base trop élevée pour le saturer.
Après l’avoir changé, on obtient la tension de la figure 51 :
Fig. 51 – Tension image du pseudo-courant IMEMS
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
46
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
L’auto-oscillateur
La mise en place et le test de l’oscillateur étant plus complexe que les
précédents blocs, il fera l’objet de la sous-partie suivante, traitant du
réglage du circuit.
5.3 Réglages du circuit
L’auto-oscillateur demeure le point sensible de l’alimentation. En effet,
le transformateur piézoélectrique est à la fois sensible au niveau de charge
connectée au secondaire, ainsi qu’à la fréquence (fixée par le couple L1-C3)
à laquelle le PT est excitée. Par ailleurs, comme il s’agit d’un dispositif dont
le couplage est acoustique (vibrations internes), le barreau du PT doit
nécessairement être dans un espace lui permettant de vibrer librement.
Ainsi, lors du montage de l’auto-oscillateur, le transformateur a été installé
dans un sarcophage en plastique, comme sur la figure 52 :
Fig. 52 – Le PT dans son sarcophage
Pour régler la fréquence d’oscillation, c’est une inductance de 270 µH qui
sera fixée : il est en effet plus simple de faire varier la valeur de la
capacité, en mettant plusieurs condensateurs en parallèles. Le choix du
condensateur ajustable n’a pas été retenu car leur plage de réglage est
relativement faible : pour un condensateur ajustable classique, la capacité
peut varier au maximum de 7 à 100 pF, ce qui se révèle insuffisant étant
donné que nous savons que la valeur de C3 tournera autour de 1,5 nF.
Leur usage seul n’est donc pas adapté. En revanche, ils peuvent être
utilisés dans le cas où l’on « sent » que l’on s’approche de la fréquence de
résonance, afin de régler très finement la valeur de C3.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
47
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Après avoir monté l’étage, les premiers tests ont été effectués sans
charge, uniquement pour constater que l’oscillateur fonctionnait.
Cependant, une charge doit être branchée pour que l’alimentation soit
validée : par la suite, les tests suivant ont été effectués avec le MEMS en
tant que charge. Au début, il a été décidé de mettre une charge capacitive
représentative du micromoteur (cf. circuit équivalent du MEMS), mais au vu
de son comportement spécifique (variation d’impédance au cours de son
utilisation), il se pouvait que ce composant passif ne soit pas équivalent au
MEMS.
Recherche de la valeur de C3
La partie la plus difficile du réglage du circuit a été la recherche de la
valeur de C3 fixant la fréquence de résonance du circuit d’accord de façon à
avoir le gain en tension maximal en sortie du secondaire. Un premier test a
été effectué avec une capacité de 1,68 nF (1 nF en parallèle avec 680 pF) :
les résultats n’étaient déjà pas trop médiocres, puisque la tension en sortie
du doubleur atteignait déjà les 80 Volts, fixant la fréquence du PT aux
alentours de 255 kHz. Par la suite, plusieurs valeurs de capacité ont été
testées, toujours en combinant des condensateurs en parallèle. Comme le
montre les graphiques suivants, la tension maximale en sortie du doubleur
est atteinte pour une valeur de C3 proche de 1,5 nF, fixant la fréquence de
résonance du PT aux alentours de 255 kHz :
120
100
Vdoubleur (V)
80
60
40
20
0
0,68
1
1,2 1,22 1,3 1,33 1,36 1,47 1,48 1,49 1,5 1,57 1,6 1,68 1,7
2,2
C3 (nF)
Fig. 53 – Evolution de la tension en sortie du doubleur en fonction
de la valeur de C3
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
48
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
300
Frésonance (Hz)
250
200
150
Série1
100
50
7
2
1,
2,
6
68
1,
1,
5
57
1,
1,
48
49
1,
47
1,
1,
36
3
33
1,
1,
1,
2
1
22
1,
1,
0,
68
0
C3 (nF)
Fig. 54 – Evolution de la fréquence de résonance du PT en fonction
de la valeur de C3
Comme le gain en tension admet un maximum à la pulsation de
résonance, la méthode employée pour tenter de trouver la bonne valeur de
C3 consistait à s’approcher petit à petit de la fréquence de résonance.
Comme le montre la figure 55, un maximum de 100 Volts en sortie du
doubleur a été atteint pour une valeur de C3 égale à 1,49 nF. Par la suite,
un condensateur variable 7 pF – 60 pF a été ajouté afin d’atteindre plus
précisément la fréquence de résonance. Malgré cela, aucune augmentation
significative de tension n’a été constatée.
Fig. 55 – Tension au primaire du PT
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
49
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Fig. 56 – Tension en sortie du doubleur
D’autres modifications ont été apportées afin d’augmenter le gain en
tension du PT. Tout d’abord, le condensateur C2 (cf. annexe II) a été retiré.
Le rôle de ce condensateur est d’améliorer l’accrochage de l’auto-oscillateur
à la fréquence de résonance. Il agit en quelque sorte comme un filtre. La
position du PT dans son sarcophage a aussi été revue de façon à rendre
son oscillation plus libre. Mais en dépit de ces modifications, aucune
amélioration notable n’a été constatée.
Influence des mesures
Au cours des relevés de tensions, nous avons remarqué à quel point le
PT était sensible aux variations d’impédance au secondaire. En effet,
lorsque l’on désirait visualiser la tension en sortie du secondaire, en même
temps que la tension en sortie du doubleur de tension, on pouvait y
observer une chute de tension non négligeable. Par exemple, lorsque l’on
trouvait une tension de 80 Volts en sortie du doubleur, le fait de venir
visualiser la tension au secondaire faisait chuter la tension du doubleur à
40 Volts. En revanche, le fait de venir poser la pointe de touche au primaire
du PT n’influait pas sur le fonctionnement de l’auto-oscillateur. Ce
phénomène s’explique par le fait qu’en venant faire les mesures, on ajoute
une impédance parasite provenant de la structure interne de la sonde3
Fig. 57 – Les sondes vertes et violettes n’influent pas sur le PT.
En revanche, la sonde rouge dégrade fortement ses performances.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
50
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Résultats
Après plusieurs essais avec différentes valeurs de C3 et des
améliorations au niveau de la tenue mécanique du PT, la tension maximale
atteinte en sortie du doubleur est de l’ordre de la centaine de Volts. La
figure 58 montre la forme de la tension aux bornes du MEMS. Etant donné
que les 200 Volts désirés ne sont pas atteints, on peut remarquer un
écrêtage de la tension. Enfin, même si l’alimentation réussit à fournir
qu’une tension de 100 Volts, on peut tout de même entendre le MEMS
osciller.
Fig. 58 – Tension aux bornes du MEMS
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
51
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Conclusion
La phase de réglage du circuit auto-oscillateur fut plus compliquée que
prévue. En effet, au vu des précédents résultats, la tension maximale
atteinte par le MEMS est de 100 Volts, et cela, en dépit de tous les efforts
engagés pour trouver la bonne valeur de C3. Malgré ce dysfonctionnement,
le MEMS est tout de même correctement alimenté, au niveau de la forme
de tension, et lors des essais, un léger bruit caractéristique émanait du
micromoteur. Même si les autres blocs fonctionnent correctement, il est
toutefois possible qu’ils limitent ou réduisent les performances du PT, étant
donné que ce dernier est très sensible aux composants qui l’entourent. Il se
pourrait aussi que la charge composée du doubleur de tension, de la source
de courant et du MEMS ne soit pas adaptée au transformateur. Oui bien
finalement, on a atteint les capacités du transformateur. Ces réponses, je
n’ai pas pu les donner, faute de connaissances approfondies sur le sujet et
d’expérience sur les transformateurs piézoélectrique.
Néanmoins, la réalisation de cette alimentation piézoélectrique a été une
réussite et il s’agit d’une innovation puisqu’elle a permis de valider la
structure avec un transformateur en mode λ, optimisé entièrement par le
GREM3. En effet, les circuits d’alimentation précédents utilisaient un PT en
mode λ/2.
Fig. 59a – Photo de la carte finale
Fig. 59b – Vue sur les connecteurs
Par ailleurs, l’erreur évoquée en début du rapport et concernant le
mauvais brochage de certains composants a été détectée, au mauvais
moment malheureusement. En effet, c’est seulement après avoir reçu les
circuits imprimés que je me suis rendu compte que tous les transistors NPN
avaient été montés à l’envers (la source de courant fonctionnait mal). Il
s’agit en fait d’une mauvaise attribution des numéros des pattes entre
l’empreinte et le modèle utilisé sous Altium (inversion de l’émetteur et du
collecteur). Malgré cela, une solution efficace a été trouvée pour souder
correctement les transistors. Naturellement, les fichiers contenant cette
erreur ont été par la suite corrigés.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
52
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Sur un plan un peu moins technique, ces dix semaines de stage ont été
pour moi l’occasion de travailler dans l’électronique, domaine que j’apprécie
et dont maintenant je connais un peu les contours, pour l’avoir pratiqué en
tant que technicien-stagiaire. J’ai pu, tout en étant autonome, mettre à
contribution les connaissances acquises tout au long de mon parcours au
lycée et à l’IUT, surtout lors des phases de tests et de validations. Le fait
d’avoir pu comprendre, sur la base de mes propres connaissances et de
mes recherches, le fonctionnement d’un tel circuit électronique, m’a
apporté une très grande satisfaction personnelle. J’ai ainsi pris plus
confiance en moi, et surtout, je ne vois plus l’électronique comme une
science hasardeuse. J’ai pu voir tout au long de ces dix semaines que la
conception d’un circuit est le fruit d’un long travail de recherche. A
l’occasion de ce stage j’ai pu découvrir le travail en laboratoire de
recherche, qui, avec du recul, n’est finalement pas très différent de celui
d’une entreprise.
Fig. 60 – Photo des trois versions des alimentations
Enfin, concernant la gestion du temps, les dix semaines passées au sein
du LAPLACE ont été largement suffisants, comme en témoigne le calendrier
prévisionnel, disponible en annexe IX.
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
53
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Bibliographie
Cette section regroupe les différents ouvrages qui m’ont, en partie, aidé
à la rédaction de ce rapport mais aussi au cours des dix semaines de stage.

Le Transformateur Piézoélectrique
Transformateurs statiques piézoélectriques E. SARRAUTE, D. VASIC, F. COSTA
State-of-the-art Piezoelectric Transformer Technology E.L. HORSLEY, M.P.
FOSTER, D.A. STONE

Les MEMS
Les M&NEMS… P. ANDREUCCI

Divers
Cours de CEM J. CUVILLIER
Les oscillateurs sinusoïdaux J.P. MULLER
Les oscillateurs A. OUMNAD
Tutoriel d’utilisation de PROTEL/Altium DXP 2004 H. ANGELIS
Guide de démarrage du logiciel Altium Designer A. BOYER
Guide du technicien en électronique C. CIMELLI, R. BOURGERON
Traité de l’électronique analogique et numérique P. HOROWITZ, W. HILL
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
54
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Webographie
La présente section regroupe les différents sites Internet.

LAPLACE/GREM3
http://www.laplace.univ-tlse.fr/

Le Transformateur Piézoélectrique
http://www.noliac.com/
http://www.laplace.univ-tlse.fr/IMG/pdf/Transducteurs_transfos_piezos.pdf

Les MEMS
http://www.esiee.fr/~francaio/recherche/recher.html
http://www2.cnrs.fr/journal/841.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/MEMS
http://www.memx.com/

Divers
http://wiki.altium.com/
http://fr.wikipedia.org/wiki/Piézoélectricité
http://fr.wikipedia.org/wiki/Compatibilité_électromagnétique
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
55
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Annexes
Annexe
Annexe
Annexe
Annexe
Annexe
Annexe
Annexe
Annexe
Annexe
I : circuit complet ................................................................. 57
II : schéma du circuit repris sous Altium Designer .................... 58
III : offre de prix effectué par la société MICRO C.I. ................. 59
IV : liste des composants disponibles au LAPLACE .................... 60
V : liste des composants manquants ....................................... 61
VI : charge de 100 kΩ branchée du doubleur ........................... 62
VII : charge de 10 kΩ branchée du doubleur............................ 63
VIII : charge de 1 kΩ branchée du doubleur ............................ 64
IX : calendrier prévisionnel du stage ....................................... 65
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
56
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Annexe I
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
57
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
Annexe II
58
58
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Annexe III
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
59
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Annexe IV
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
60
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Annexe V
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
61
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
–
Annexe VI
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
62
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Annexe VII
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
63
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Annexe VIII
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
64
Laboratoire LAPLACE de Toulouse, site ENSEEIHT
Damien ARDITO
IUT de Nancy-Brabois
Annexe IX
65
65