Inductance et capacitance
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Analyse des circuits électriques -GPA220- Cours #7: Inductance et capacitance Enseignant: Jean-Philippe Roberge S Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Cours #7 S Distribution de l’examen intra et correction S Matière du cours #7: S Introduction aux composantes dynamiques: S Inductance (bobine) S Capacitance (Condensateur) S Présentation de certaines activités de recherche du CoRo (ÉTS) S Combinaison série / parallèle des inductances et des capacitances S Exercices 2 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Distribution de l’examen et correction 3 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Cours #7 4 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Inductance (1) S Qu’est-ce qu’une inductance? S Une inductance se présente souvent sous la forme d’une bobine: S Il s’agit d’une composante électrique dite dynamique , son rôle est de s’opposer (avec une certaine vigueur) aux variations de courant. 5 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Inductance (2) S Qu’est-ce qu’une inductance (suite)? S Le principe de l’inductance fut découvert par Olivier Heaviside. S Dans une formule, on utilisera la variable L, et celle-ci est utilisée en l’honneur de Heinrich Lenz. S L’unité de l’inductance est le Henri (H), en l’honneur de Joseph Henri, qui découvrit le principe de l’auto-induction. S Tout courant parcourant un fil conducteur génère un champ magnétique à travers la section qui l’entoure. L’inductance est le quotient du flux magnétique sur l’intensité du courant qui circule. 6 Joseph Henri Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Inductance (3) S La composante qui permet d’ajouter de l’inductance dans un circuit est la bobine (anglais: inductor). S Comment peut-on déterminer l’inductance d’une bobine? 7 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Inductance (4) S Le symbole de l’inductance dans un circuit électrique: S Important: Remarquez que nous continuons (toujours) à utiliser la convention passive des signes, selon le sens du courant. 8 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Inductance (5) S Analogie de l’inductance (hydraulique): 9 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Inductance (6) S Lorsqu’un courant circule dans une inductance, ce dernier créer un champ magnétique. S Lorsque le courant varie, le champ magnétique varie également. S Un conducteur placé dans un champ magnétique variant subira de l’induction magnétique. Par conséquent, le potentiel électrique (tension) est proportionnel à la variation de courant dans la bobine. S Relation entre le voltage et le courant: 10 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Inductance (7) S Par exemple, que se passera-t-il avec ce circuit d’après vous? 11 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Inductance (8) S Relation voltage-courant et courant-voltage: S Étant donné que la tension électrique dépend de la variation instantannée (dérivée) du courant dans la bobine, le courant dépend à son tour de l’aire sous la courbe (intégrale) de la tension: S Vérifions rapidement au tableau… 12 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Inductance (9) S Puissance et énergie dans une inductance: 13 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Révision des composantes Analogies S Les composantes vues jusqu’à maintenant dans le cadre du cours (+ le condensateur): Image tirée de: http://scphysiques.free.fr/TS/physiqueTS/DOCP7Rappels.pdf 14 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Capacitance (1) S Qu’est-ce qu’une capacitance? S Une capacitance se présente souvent sous la forme d’un condensateur: S Il s’agit d’une composante électrique dite dynamique , son rôle est d’accumuler des charges (avec une certaine capacité). 15 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Capacitance (2) S Qu’est-ce qu’une capacitance (suite)? S Le principe de capacitance fut découvert par Michael Faraday. S Dans une formule, on utilisera la variable C, et celle-ci est utilisée en l’honneur de Heinrich Lenz. S L’unité de la capacitance est le Farad (F), utilisé justement en l’honneur de Michael Faraday. S Un Farad est la valeur de la capacitance qui produit une différence de potentiel d’un volt aux bornes d’un condensateur chargé par un Michael Faraday Coulomb. 16 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Capacitance (3) S Analogie de la capacitance (hydraulique): S On considère cependant que le réservoir peut se vider instantanément, étant donné un court-circuit entre ses bornes. 17 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Capacitance (4) S Principe de fonctionnement: S Le condensateur est généralement constitué de deux plaques conductrices appelées armature, qui sont séparées par un matériel isolant, que l’on nomme diélectrique. S Lorsqu’une tension est appliquée aux bornes du condensateur, il survient une séparation des charges au niveau des armatures: 18 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Capacitance (5) S Comment calculer la capacitance d’un condensateur? S Où C est la capacitance, A est l’aire commune des armatures, d est la distance séparant les armatures, Er est la permittivité du diélectrique et E0 est la permittivité du vide (environ 8.85*10^(-12)). 19 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Capacitance (6) S Le symbole de la capacitance dans un circuit électrique: S Important: Remarquez que nous continuons (toujours) à utiliser la convention passive des signes, selon le sens du courant. 20 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Capacitance (7) S Lorsqu’une certaine tension est appliquée aux bornes d’un condensateur, celui-ci se met à accumuler des charges selon une capacité donnée. S Supposons qu’après s’être stabilisée, la tension électrique augmente soudainement: il surviendra alors une accumulation supplémentaire des charges par le condensateur. S Le courant entrant dans le condensateur est donc proportionnel à la variation de la tension électrique appliquée à ses bornes. S Relation entre le courant et le voltage: 21 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Capacitance (8) S Que se passera-t-il avec ce circuit d’après vous? 22 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Capacitance (9) S La capacitance est utilisée dans le cadre de plusieurs recherches / produits courants: 23 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Capacitance (10) Présentation de certaines des activités de recherche menées au CoRo 24 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications Presenters: Jean-Philippe Roberge Axay Rana Reza Motamedi S Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14th 2013 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Presentation Overview • Introduction • Tactile sensors: what is that all about? • Research / Industry / End user’s interests for artificial tactile sensing • Development of the sensor • Overview of the physical concepts • Electrical / mechanical / software design • Current communication protocols between sensors • Integration on Kinova’s products • User Interface Design • Future work, demonstration and discussions • Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications S November 14th 2013 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Q- Tactile sensors: what is that all about? A- It’s a device that attempts to replicate the sense of touch, by partially emulating the skin • Located in the dermis • Register skin deformation and are involved in finger position control • Located right below the skin surface in the epidermis • Have the highest spatial resolution of all mechanoreceptors • Placed in the deep dermis • Most sensitive to highfrequency vibrations around 250 Hz Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications www.wiki.bethanycrane.com • In the shallow dermis • Able to detect relative movements of objects on the skin November 14th 2013 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions The sense of touching is complex… Biorobotics Lab - University of Washington Hold Pres s Gras p Pressure Sensing Shear Sensing Sliding Dynamic Sensing Twisting Tangential motion Friction Slip Vibration Spatial acuity Receptor Class Frequency Range (Hz) Effective stimuli Pacinian Corpuscle PC +10 10–500 (High) Temporal changes in the deformation Meissner’s Corpuscle RA 3–4 3 – 40 (Low) Temporal changes in skin deformation Rufffini Endings SA II +7 15 - 400 Skin stretch, Skin slip Merkel Disk SA I 0.5 0.3 - 3 Sustained Pressure, edge, corners, (mm) Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14th 2013 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Research interests: -Human-robot interaction -Robot hand and robot skin design -Localization and detection of textures -Force control, detection of slippage, improving object gripping -Haptics -More and more… Industry’s interests: -Alternate way to measure force / pressure -Surface characterization -Rough 3D reconstruction of objects End-User’s interests: -Better control while handling objects -Opens way to partially restore the sense of touch Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14th 2013 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Physical concepts Principle: Change in capacitance by change in distance between plates of capacitor. Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14th 2013 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Mechanical Design S Development of innovative microstructured based dielectric material for enhancement of capacitive based tactile sensor (US patent) S Capable of sensing 10-4 Newton of minimal force Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14th 2013 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions System’s Diagram Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14th 2013 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Communication Protocols S Communication between sensors is achieved by using a RS-485 protocol S CRC16 (Cycle Redundancy Check – 16 bit) is implemented for static and high sensitivity data S Communication with client is also achieved by a RS-485 link, but converted to USB S General overview: Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14th 2013 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions CAD Software: CATIA & SolidWorks Modulus: • • • Part Design Surface Design Generative shape Design Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14th 2013 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Software Design S A software has been provided to : S Visualize and/or log all the metrics S Act as a starting point for researchers S Be able to change a sensor’s internal ID S Other basic functionalities • The visualization modes: – – – – Static force Dynamic Data (Force variation over time) High Sensitivity Data All sensors Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14th 2013 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Questions ? S This powerpoint is available online: S https://dl.dropboxusercontent.com/u/14865699/Kinova_Presentation_14Nov2013.pptx Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14th 2013 Capacitance (10) S Relation courant-tension et tension-courant: 37 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Capacitance (11) S Condensateur - puissance et énergie: 38 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Combinaisons série-parallèle (1) S Inductance: 39 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Combinaisons série-parallèle (2) S Capacitance: 40 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014 Références S [1] Présentations PowerPoint du cours GPA220, Vincent Duchaine, Hiver 2011 S [2] NILSSON, J. W. et S.A. RIEDEL. Introductory Circuits for Electrical and Computer Engineering, Prentice Hall, 2002. S [3] Wildi, Théodore. Électrotechnique, Les presses de l’Université Laval, 3ième édition, 2001 S [4] Floyd, Thomas L. Fondements d’électrotechnique, Les éditions Reynald Goulet inc., 4ième édition, 1999 41 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
