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[Terminé] Convertisseur ultra-basse tension

  1. Tropique

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    juin 2005
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    Entre Groland-Du-Haut et BXL-capitale
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    Re : [Sneak preview] Convertisseur ultra-basse tension

    L2 devrait convenir, mais pour le transfo, j'en suis moins sûr: tu n'as pas précisé quel Al tu as choisi.

    C'est une mauvaise idée d'avoir changé de transfo: je t'avais dit que le tore convenait; il est même préférable d'avoir un circuit complètement fermé. Cela dit, avec un RM, ça doit marcher aussi, mais il faut que ce soit le modèle sans entrefer; et il faut que les surfaces soient parfaitement propres avant de clipser les deux moitiés ensemble: la moindre poussière introduit un entrefer parasite, et fait baisser le Al. Et pour le transfo, le Al doit être aussi élevé que possible.

    J'ai l'impression que tu te compliques la vie inutilement. D'autre part, ça n'a rien à voir avec un oscillateur quasi-linéaire: c'est un oscillateur bloqué, et les formules des oscillateurs sinus ne sont absolument pas applicables.

    On va essayer d'aller à l'essentiel:
    -Reprends le transfo sur tore précédent
    -Alimente de façon permanente sous 0.5V~0.6V: si c'est correct, il doit démarrer spontanément, sans kick-start. Il ne faut pas aller (beaucoup) plus haut, ça risque de griller. Avec 1V, il est possible que le transistor ait souffert, surtout si tu n'as pas mis de redressement et filtrage + charge.
    -Si ça ne démarre pas, inverse les fils du secondaire du transfo.
    -Il faut que l'alim utilisée reste solide comme le roc quand on tire dessus: quand le convertisseur démarre, il va se mettre à consommer beaucoup, et une alim un peu faiblarde risque de tomber de qques dizaines de mV, et tomber sous le seuil de décrochage. Attention en particulier aux fils et raccordements, ils doivent être dimensionnés comme pour un courant de 25A.

    Je n'ai pas jusqu'à présent simulé ce circuit. J'ai réalisé pas mal de variantes physiques, qui toutes oscillent sans problème, la différence essentielle se situant au niveau du rendement. Je vais essayer (demain) de mettre ça dans une simu, mais je ne crois pas qu'il y aura de grosse surprise: c'est une variante d'oscillateur bloqué, connu depuis des dizaines d'années.
    Et en attendant, essaye de te conformer exactement à ce qui est publié: valeurs, LED comme charge, etc. Quand ça ne marche pas, il ne faut surtout pas essayer de faire preuve de "créativité", je peux t'assurer que le circuit tel qu'il est fonctionne parfaitement.
    Une fois que tu auras réussi à le démarrer, tu pourras commencer à faire des variantes, mais pour l'instant, il faut tout copier dans les moindres détails.

    -----

    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     


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  2. Tropique

    Date d'inscription
    juin 2005
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    Entre Groland-Du-Haut et BXL-capitale
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    13 411

    Re : [Sneak preview] Convertisseur ultra-basse tension

    Comme promis, voici la simulation:

    "Général" montre la totalité des phases de fonctionnement, depuis le démarrage à l'instant 1ms (quand le switch se ferme), jusqu'au moment ou un régime stationnaire est atteint (à partir de 35ms).
    Les traces montrent les principaux points d'intérêt du circuit.

    "Start-up" montre l'instant de démarrage: on voit bien, sur la trace rouge, l'effet de "kick-start" du condensateur de démarrage.
    A ce propos, on remarque que cette tension, pol, devient rapidement négative. Dans la réalité, les choses ne se passent pas ainsi. Pour la simulation, je ne me suis pas amusé à modéliser les caractéristiques de saturation du tore ferrite, or c'est justement ce phénomène qui est censé déterminer le temps de conduction. A défaut, c'est le transistor qui sort de saturation et finit par interrompre le cycle, mais cela prend beaucoup plus de temps. La fréquence de la simulation est donc plus basse qu'en réalité, et le courant de base du transistor prend des valeurs très élevées, qui tirent le point pol dans le négatif.

    Malgré cela, la simulation arrive à fonctionner à peu près correctement, ce qui montre qu'il y a une bonne latitude de fonctionnement, valable également pour le circuit réel.

    Comme prévu, il n'y a donc pas de grosse surprise ici, et si des problèmes sont rencontrés, ils sont bien dus à la réalisation pratique.
    Images attachées
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  3. sebtux74

    Date d'inscription
    janvier 2009
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    Re : [Sneak preview] Convertisseur ultra-basse tension

    Pour résumer j’ai testé le transfo avec le tore vu précédemment et ça ne marchait pas. J’ai constaté que la résistance du bobinage au secondaire et de l’ordre de plusieurs centaines de milliohms(comme dit précédent j’ai mis du fil plus fin car c’est un petit tore). Je me suis donc dit que tout ce que je gagnais en milliohms sur l’inductance, je le reperdais largement sur le transformateur. Voilà pourquoi j’ai fait un autre transformateur pour voir si c’était mieux.
    Donc voici les caractéristiques de ce transformateur :
    Al 4950 nH
    µe 1820
    Il n’y a pas d’entrefer, ni de poussière et ni d’isolant entre les 2 morceaux de ferrites et elles sont maintenues par un clip vendu spécialement.
    La résistance secondaire est de l’ordre des dizaines de milliohms ce qui est mieux par rapport à celui d’avant.
    De toute manière j’ai toujours le transformateur sur tore donc il n’y a pas de problème pour que je le réutilise.
    Connaissez-vous un cours sur Internet qui explique le fonctionnement d’un oscillateur bloqué ? J’ai étudié le fonctionnement d’une alimentation flyback qui ressemble à ce circuit mais j’ai du mal à comprendre le fonctionnement de cette alimentation dans notre cas car le transistor représenté dans les cours par un interrupteur est géré par PWM. Dans notre cas qui a la fonction de PWM ? D’après ce que j’ai compris des posts précédents L2 restitue l’énergie quand le transistor n’est pas passant. C2 est utilisé pour le quick-start. Le transistor est utilisé pour entretenir les oscillations. Par contre j’ai du mal à faire le lien entre ces éléments du schéma…
    Quels sont les caractéristiques idéales du transistor ? Vbe le plus bas possible ? Le gain le plus élevé possible ? Vce(sat) le plus bas possible ?

    Merci pour ces simulations, en effet le signal V[out ] n’est pas celui auquel je m’attendais….
    La fréquence des « impulsions » est déterminée par quel élément du montage ?

    Je vais tester un autre transistor car il n’a pas l’air de devenir passant peut-être qu’effectivement je l’ai cramé…

    Je vous tiens au courant dès que j’ai fait mes tests.

    Merci pour votre temps et votre patiente en explication.
     

  4. Tropique

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    juin 2005
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    Re : [Sneak preview] Convertisseur ultra-basse tension

    La résistance de quelques centaines de milliohms au secondaire du transfo n'est pas gênante: elle n'est traversée que par le courant de base, qui n'est pas conséquent. Les deux - trois spires primaires peuvent facilement être du gros fil.

    Fondamentalement, le circuit appartient à la catégorie "flyback", mais contrairement aux circuits pilotés, celui-ci est auto-oscillant.
    Cette classe de convertisseurs est naturellement plus difficile à analyser, mais l'oscillateur bloqué est relativement simple et n'est pas difficile à comprendre.
    Voici quelques infos:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Blocking_oscillator
    http://mysite.du.edu/~etuttle/electron/elect37.htm
    http://www.vias.org/eltransformers/l...ers_11_01.html

    En gros, le temps de conduction est limité par la saturation du noyau du transformateur, ou comme dans le cas de la simu, par l'effondrement du gain quand le courant augmente trop. La première méthode est de loin préférable, la commutation est plus franche et la répétabilité meilleure.
    Le temps de flyback est simplement celui qui est nécéssaire pour vider l'énergie de la self, accumulée dans la phase précédente.

    Pour le transistor, il est souhaitable d'avoir un gain élevé, pour ne pas dissiper d'énergie inutile dans la commande de base, et un Vcesat aussi faible que possible, vu la faible tension d'alim. Les transistors Zetex sont idéaux à ces points de vue.
    Le transistor fonctionne en mode "gain forcé", puisque la réaction entre collecteur et base se fait par un transfo d'intensité, de rapport 1:25.
    La période d'oscillation est l'addition de Ton et Toff.
    Encore une chose: si les composants sont non-optimaux, résistance des enroulements trop élevée, etc, cela va impacter le rendement, mais par contre l'oscillation doit rester possible dans une gamme assez large. Pour que ça n'oscille pas du tout, il faut une panne ou une erreur de cablage.
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  5. sebtux74

    Date d'inscription
    janvier 2009
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    Re : [Sneak preview] Convertisseur ultra-basse tension

    J'ai remis le transformateur avec tore. J'arrive à avoir des impulsions (oscillations) sur le collecteur mais pas entre l'inductance et le sommet du transformateur là où il y a le redressement. De plus ces oscillations apparaissent seulement lorsque l'interrupteur est fermé. D'après ce que je comprends l'interrupteur est fermé seulement pour le démarrage et ensuite relaché(ouvert). Je vois pas où j'aurai pu faire une erreur de montage.... Lorsque j'inverse les 2 fils du secondaire je n'obtiens plus aucune oscillation .
     


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  6. Tropique

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    juin 2005
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    Re : [Sneak preview] Convertisseur ultra-basse tension

    L'interrupteur doit rester fermé en fonctionnement. L'action de le fermer permet de lancer le démarrage, c'est pour ça qu'il ne faut pas controler l'alimentation par un autre interrupteur en amont.
    S'il y a des oscillations, c'est bon signe. Si elles ne se produisent pas sur la self, c'est qu'il doit y avoir une bourde assez simple, comme une erreur de cablage, ou la diode ou la self en court-circuit (ou de valeur incorrecte).
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  7. Tropique

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    juin 2005
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    13 411

    Mise à jour

    Pour compléter le suivi de ce projet, voici les derniers développements d'une source d'énergie qui avait été proposée au début comme un des types d'alimentation utilisables: la pile à électro-osmose inverse (ou électro-dyalise):
    http://www.newscientist.com/article/...html?full=true
    http://www.sciencedirect.com/science...f423f5f4d6fc4d
    Ces cellules ont une fém unitaire très basse, et il est généralement nécéssaire d'en empiler un grand nombre pour obtenir une tension utilisable par des moyens normaux. Grâce à ce convertisseur, un nombre minimal de cellules est nécéssaire, ce qui simplifie le design et permet une alimentation en liquide naturelle, rendant le système statique (et donc plus fiable).
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  8. sebtux74

    Date d'inscription
    janvier 2009
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    56

    Re : [Terminé] Convertisseur ultra-basse tension

    Bonjour,

    Je reviens vers vous après cette longue période ou je n'ai pas eu le temps de faire des essais.
    Actuellement le circuit fonctionne correctement grâce à vos conseils. J'obtiens bien des pulses comme sur la simulation par contre j'ai des interrogations au niveau de la tension de sortie.
    Voici mes relevés:

    250mV et 308mA en entrée
    6.6V pour une charge de 2.2k en sortie soit 3mA
    On peut en déduire un rendement de 26%.
    ok je n'ai pas encore des supers performances mais je n'ai pas mis en pratique tous les conseils de ce post.

    Est-ce que c'est normale que la tension de sortie soit fonction de la charge?

    à vide j'ai relevé 32.3V pour 241.5mV et 329mA en entré.

    J'ai fais des tests en simulation en modifiant les valeurs de la charge et effectivement la tension de sortie varie donc j'en déduis que c'est normale.
    Actuellement j'ai 2 spires au secondaire et 50 spires au primaire avec le schéma de la première version sans le circuit esclave.
    Suivant le rapport du transfo de courant le courant sera plus ou moins important en sortie mais qu'est-ce que ça va impliquer sur le circuit en sortie?
    Par contre si je limite le courant de l'alimentation en entrée forcément la tension de sortie diminue.

    Je voudrais donc savoir si ce que je constate c'est juste ou si j'ai encore fait une boulette?

    si c'est normale comment fait-on pour limiter la tension de sortie si on ne consomme pas assez de courant?


    merci
     

  9. Tropique

    Date d'inscription
    juin 2005
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    Entre Groland-Du-Haut et BXL-capitale
    Messages
    13 411

    Re : [Terminé] Convertisseur ultra-basse tension

    Toutes ces constatations sont normales; pour un début, obtenir 26% n'est pas si mal: il faut se souvenir que ce sont des conditions de travail réellement extrêmes pour un convertisseur, et chaque point de rendement doit être mérité.

    Dans cette optique, la tension de 6.6V est trop élevée. C'est acceptable si on n'a pas envie de remplacer la self par un transfo, et que la charge consomme peu, mais ce n'est pas fameux pour le rendement: le rapport d'élévation que la self doit produire est de 6.6 + 0.4V / 0.2V = 35x (0.4V perdu dans la diode, et 0.2V est la tension effective sur la self après le transistor).
    Idéalement, il ne faudrait pas dépasser 10x, donc normalement moins de 2V en sortie. En pratique sur le proto, il est plus élevé, de façon à sortir 3V, et c'est encore limite acceptable, mais pour des tensions plus élevées, il vaut mieux mettre un transfo.

    Suivant le rapport du transfo de courant le courant sera plus ou moins important en sortie mais qu'est-ce que ça va impliquer sur le circuit en sortie?
    Le rapport doit être suffisamment faible pour que le transistor soit bien saturé, mais sans exagérer, pour ne pas générer de pertes inutiles. La valeur optimale va dépendre du gain du transistor; les Zetex ont un gain exceptionnellement élevé, on peut donc adopter un rapport élevé. La valeur optimale doit être trouvée expérimentalement, parce que beaucoup de facteurs interactifs entrent en jeu (notamment les ferrites). Tu peux faire un essai avec 1:50 p.ex.

    Pour limiter la tension, le plus simple est de mettre une zener: comme la source d'énergie est en principe gratuite, on peut se permettre de "jeter" l'éxcédent. On peut également prendre un régulateur shunt intégré, ou une ou plusieurs LEDs (fonction de la couleur), ou encore une chaine de diode en sens direct.
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  10. sebtux74

    Date d'inscription
    janvier 2009
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    Re : [Terminé] Convertisseur ultra-basse tension

    J'ai fais le test avec 1:50 spires et j'obtiens effectivement une tension moins élevée en sortie.

    244mV et 139mA en entrée
    4.6V pour une charge de 2.2k en sortie soit 2.09mA
    On peut en déduire un rendement de 28%.

    J'ai bien compris le principe de fonction. Suivant la charge on adapte le rapport du transformateur pour obtenir la tension désirée en sortie.

    Merci
     

  11. Tropique

    Date d'inscription
    juin 2005
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    Re : [Terminé] Convertisseur ultra-basse tension

    Citation Envoyé par sebtux74 Voir le message
    J'ai fais le test avec 1:50 spires et j'obtiens effectivement une tension moins élevée en sortie.

    244mV et 139mA en entrée
    4.6V pour une charge de 2.2k en sortie soit 2.09mA
    On peut en déduire un rendement de 28%.

    J'ai bien compris le principe de fonction. Suivant la charge on adapte le rapport du transformateur pour obtenir la tension désirée en sortie.

    Merci
    Non, ce rapport dépend des caractéristiques du transistor, particulièrement le Bsat optimal. Bien sûr, comme tous les paramètres, il va avoir aussi une influence indirecte sur la puissance (et donc la tension) de sortie.
    Pour régler le niveau de puissance du convertisseur, il faut agir sur l'énergie stockée dans la self. Pour l'augmenter, il suffit d'en diminuer la valeur (dans certaines limites, et pour peu que le reste suive).
    Il est également possible, avec la même self, d'augmenter le courant en baissant la fréquence. Là, en principe, ce sont les caractéristiques de saturation du transfo qui vont jouer. Si on réalise le rapport de 1:50 en mettant 2 spires et 100 spires, il faudra deux fois plus de temps avant que la saturation se produise, la fréquence sera divisée par deux, et la puissance de sortie multipliée par ~2.
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  12. sebtux74

    Date d'inscription
    janvier 2009
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    56

    Re : [Terminé] Convertisseur ultra-basse tension

    Ah d'accord.
    En tout cas cet élévateur de tension est très interressant.
    Merci pour le support.
     

  13. Tropique

    Date d'inscription
    juin 2005
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    Update: le mouvement s'accélère!!!

    Cette fois ci, ça y est: il y a des années que j'en rêve, un "grand" s'est enfin décidé à franchir le pas.

    Linear Technology a mis sur le marché des produits de "Energy Harvesting", dont certains peuvent démarrer avec une tension de 20mV DC.
    Non, vous ne rêvez pas: c'est bien de 0.02V qu'il s'agit.
    http://www.powersystemsdesign.com/in...nov&Itemid=119
    http://www.linear.com/pc/productDeta...1,C1060,P90287
    http://www.linear.com/pc/viewCategor...C1,C1003,C1799

    Il s'agit de solutions complètes de "power management", incluant la gestion d'éléments de stockage, supercaps ou autres, la régulation de tension de sortie etc.
    Mais l'élément important est le convertisseur primaire, celui qui fait le boulot difficile.
    C'est en réalité un MOSFET à déplétion, à forte conductance, spécialisé pour cela: voir l'extrait du schéma-bloc en attache (extrait de cette datasheet: http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3108fa.pdf ).

    Tout ce qu'il y a autour ne fait au fond que de la figuration: Linear n'est pas un vendeur de discrets, et offrir ce transistor isolé n'aurait pas de sens commercial: ils préfèrent maximiser la valeur ajoutée grâce à une solution complète.
    Mais il ne faut pas s'y tromper: c'est bien ce transistor qui est la vedette du design.
    On ne peut qu'espérer que des spécialistes du discret reprennent le flambeau: il n'y a rien de technologiquement difficile, il suffit de vouloir le faire.

    Le projet qui précède a maintenant l'air bien minable, avec ses 250mV requis pour démarrer. Mais c'était un pionnier, fait avec les ressources disponibles, précurseur de l'évolution future. Quand un grand fondeur s'attaque au problème avec tous ses moyens, il est logique qu'il y apporte des solutions vraiment performantes.

    Qu'il y aura-t-il au prochain épisode?
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  14. thundertom

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    Re : Update: le mouvement s'accélère!!!

    Le LTC3108 souffre par contre a mon sens d'un grand défaut. En effet, sa consommation à vide est annoncée à 3mA.

    J'ai vérifié et en effet, une fois les éventuels condensateurs connecté chargé, le circuit bouffe bien 3 mili. Chose complètement illogique quand on fait la chasse au mili voir microwatt....

    Dans ce sens, l'ECT310 de chez EnOcean est lui beaucoup plus intéressant. Par contre EnOcean refuse visiblement qu'on l'utilise à d'autres fin que l'alimentation d'un de leur module radio.
    Fabricando fit faber
     

  15. Tropique

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    juin 2005
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    Re : Update: le mouvement s'accélère!!!

    Je pense qu'il s'agit de deux approches différentes: soit on estime que la source d'alimentation est vraiment rationnée, et qu'il faut limiter le prélèvement tant que c'est possible, soit on se dit que la puissance sera toujours là, qu'on la prélève ou pas, et qu'il faut maximiser la sortie quand les conditions sont bonnes.

    Dans le domaine du Energy Harvesting, on est souvent dans le deuxième cas: un thermocouple sur l'échappement d'un moteur thermique par exemple.
    Le courant peut être considéré comme illimité (à l'échelle du circuit en tous cas).
    Si on part d'une ressource consommable (électrochimique ou apparentée), il vaut mieux être économe dans tous les cas, mais c'est plutot l'exception, et 60µW reste une puissance faible.

    Evidemment, si l'on ne dispose que d'une source ne pouvant fournir que 50µW, on sera 10µW trop court pour alimenter quoique ce soit, et je suppose que c'est l'optique d'Ocean: pouvoir travailler à partir de niveaux de puissances très faibles.

    Il y a de la place pour les deux philosophies: l'une centrée sur le côté signal/information, et l'autre sur l'aspect puissance utilisable pour fournir un travail externe, comme éclairer une LED.

    Grâce à thundertom, j'ai pu bénéficier d'un échantillon de Ocean , et je dois admettre qu'il fonctionne très bien et qu'il tient ses promesses, mais en même temps, la première idée que j'ai eue est: comment booster la puissance?

    C'est l'idéal pour des applications µpower, mais on ne peut pas aller au delà.
    Pour l'instant, la techno n'est pas encore assez développée pour offrir l'un et l'autre dans le même produit, mais j'imagine que les choses vont changer, et rapidement: on sent que le mouvement s'accélère.
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     


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