Bonjour, cliquez-ici pour vous inscrire et participer au forum.
  • Login:



+ Répondre à la discussion
Page 1 sur 5 12 3 4 DernièreDernière
Affichage des résultats 1 à 15 sur 73

Transmission d'énergie sans fil, Wireless Power

  1. Tropique

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

    Transmission d'énergie sans fil, Wireless Power

    .
    Sur les traces de Nikola Tesla:

    Bonjour à tous,

    Ce tuto-projet a pour but de vous initier à un sujet fort à la mode actuellement: l'alimentation à distance, sans fil, d'appareils électriques.

    Avant d'entrer dans le vif du sujet, nous allons faire un petit point sur l'historique, les techniques employées et leur évolution.

    Tesla est connu principalement pour deux choses: la première est la fameuse bobine éponyme, l'autre étant la distribution d'énergie électrique sans fil.
    Celle-ci est largement restée à l'état de fantasme, contrairement à ce que voudraient faire croire des sites conspirationnistes.
    Il a bel et bien fait des tentatives, assez pharaoniques, mais sans résultat vraiment probant. Il faut dire qu'il avait des ambitions assez démesurées: il voulait éliminer complètement le réseau électrique câblé, et le remplacer par quelques énormes émetteurs, d'une portée de centaines de km.
    Il avait créé de monstrueux émetteurs à étincelles, couplés à des antennes gigantesques, et arrivait à faire des choses impressionnantes, comme de générer des arcs à une distance de plusieurs centaines de mètres.

    Mais évidemment, son projet était voué à l'échec: il ne comprenait pas exactement les lois physiques qu'il utilisait, et ses émetteurs étaient couplés en partie de manière électrostatique et en partie par des ondes EM, et il gaspillait une puissance colossale, pour un résultat finalement assez minable.

    Après lui, les gens sont devenus plus sensés, et se sont fixés des objectifs réalistes, plus compatibles avec les lois de l'électromagnétisme.

    Il y a fondamentalement trois méthodes utilisables pour transporter de l'énergie sans fil:
    le couplage électrostatique, le couplage magnétostatique, et l'émission d'ondes EM.

    Ces trois méthodes ont été, et sont encore utilisées actuellement, elles ont chacune leur spécificités.
    • Dans le couplage électrostatique, l'interface air est considérée comme un ou plusieurs condensateurs de faible valeur, auxquels on applique une forte tension haute fréquence, et que l'on couple par des circuits abaisseurs d'impédance.
      La nécéssité de tensions élevées et la sensibilité à tout obstacle, qu'il soit conducteur ou diélectrique limite très sévèrement les applications de cette méthode.
    • Les ondes EM sont plus prometteuses, mais pour avoir des antennes de taille acceptable, il est nécéssaire d'employer des UHF ou SHF. Cette méthode convient bien à la lecture de tags RFID par exemple, mais n'est pas utilisable pour des applications plus "généralistes". En outre, la propagation de ces ondes est facilement perturbée par des obstacles, et toute la puissance émise non utilisée est perdue dans la nature.
    • Il reste enfin la méthode magnétostatique: ici, c'est le champ magnétique qui sert de "support", grâce à des bobines d'émission et de réception plus ou moins couplées.
      Cette méthode offre pas mal d'avantages: elle permet de traverser la grosse majorité des obstacles, à l'exception des matériaux fortement conducteurs ou magnétiques, et comme elle se base sur un champ et non une onde, seule la puissance effectivement utilisée a besoin d'être émise.
      De plus, les champs magnétiques, contrairement aux champs électriques, ne sont pas perceptibles biologiquement et ne causent pas de sensation ou d'inconfort.
    *Une petite note pour les puristes: il n'est en principe pas possible de dissocier les champs électriques, magnétiques, ou les ondes EM: en régime variable, les trois sont inextricablement liés par les équations de Maxwell, mais en pratique, pour des fréquences basses, il est possible de se mettre dans des conditions telles qu'un seul aspect soit dominant, en rendant les autres négligeables.

    Dans ce projet, c'est le couplage magnétique qui sera utilisé.

    Des applications existent déjà depuis des dizaines d'années, dans le domaine médical par exemple, ou pour les chargeurs de brosse à dents électriques.
    Récemment cependant, la technique a connu un regain d'intérêt, avec des démonstrations fort médiatisées, comme la "witricity", ou l'apparition de chargeurs sans fil, et l'émergence de standards industriels.
    Mais lorsqu'on examine d'un peu plus près le sujet on reste sur sa faim: les expériences de witricity, bien que spectaculaires, ne sont pas réellement transposables dans un environnement domestique: elles nécéssitent du matériel de laboratoire, comme des amplis RF de forte puissance.
    Quant au reste, ce qui est qualifié de "sans fil" est une escroquerie, ou au moins une solide exagération: il faudrait plutot dire "sans connecteur", et même pour être complet, "sans connecteur électrique".
    En réalité, celui-ci est remplacé par un connecteur magnétique, tout aussi exigeant qu'un connecteur électrique en ce qui concerne le positionnement notamment. Il faut donc toujours un fil, et on ne peut même pas se permettre de "jeter" n'importe comment l'appareil à charger dans une zone, il faut le positionner correctement, aidé éventuellement par un aimant.
    Et si je parle d'appareil à charger, c'est bien parce que cela ne peut servir qu'à cela. Et contrairement à un chargeur traditionnel à fil, on ne peut pas se servir de l'appareil pendant qu'il se charge.
    Ajoutons encore que la bobine réceptrice doit être "assistée" d'une plaque arrière de matériau magnétique servant de shunt, pour confiner et concentrer le champ dans la bobine....

    En résumé, des complications, des contraintes supplémentaires pour l'utilisateur, mais alors, où est l'avantage?

    Pour le savoir, il suffit d'examiner l'offre de Texas Instruments par exemple: cette transmission prétendument sans fil sert de prétexte à une usine à gaz, servant à la gestion, au contrôle et au dialogue entre l'hôte et son chargeur. En somme, un excellent moyen de vendre beaucoup de silicium à forte valeur ajoutée en surfant sur le "hype" généré par tout ce qui est sans fil. C'est la même recette que le pâté à l'alouette: un cheval, une alouette.

    Comme je n'ai pas pour habitude de réinventer l'eau tiède, je vais vous proposer quelque chose de nettement plus substantiel: du vrai sans fil, à l'échelle d'une pièce, ou au moins d'une "bulle de liberté" de plusieurs mètres cube.

    A suivre....

    -----

    Dernière modification par Tropique ; 16/03/2011 à 22h04. Motif: Typo
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     


    • Publicité



  2. kenshin87

    Date d'inscription
    octobre 2007
    Messages
    89

    Re : Transmission d'énergie sans fil, Wireless Power



    Un lien sur Youtube mais reste limité à quelques mètres :
    http://www.youtube.com/watch?v=N0-TR-BpZpw
     

  3. Tropique

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

    Re : Transmission d'énergie sans fil, Wireless Power

    .
    Avant de poursuivre, nous allons définir nos objectifs de manière un peu plus précise, de façon à savoir où nous allons, et quand nous y serons arrivés.

    Sur le plan de la puissance:
    Il est clair que si l'on souhaite une portée appréciable, il va falloir créer un champ magnétique suffisamment intense.

    Cela implique plusieurs choses:
    • Au niveau de la bobine émettrice, on devra avoir une surface suffisamment importante, et un produit nI, nombre de spires x courant élevé, de manière à ce que le flux total généré soit suffisant.
    • Comme on souhaite un bon rendement, il faudra une section de cuivre généreuse pour minimiser les pertes Joule.
    • Le circuit d'attaque de la bobine devra être capable d'y faire passer un courant réactif très important avec à nouveau des pertes minimes.

    Du choix de la fréquence:
    Si on ne prend en compte que l'efficacité, elle devrait être la plus élevée possible: toutes choses égales, la tension induite dans la bobine réceptrice dépend du di/dt au primaire, et on a donc intérêt à réduire dt autant que possible.
    Mais il y a d'autres contraintes contradictoires: l'une, mineure, est la performance des éléments actifs lorsque la fréquence augmente, et l'autre, majeure, est le rayonnement accru d'ondes EM à plus haute fréquence.
    Nous ne souhaitons surtout pas créer un émetteur radio: d'une part, cela disperserait inutilement de la puissance dans l'espace, et d'autre part, cela génèrerait une pollution radio-électrique que nous souhaitons à tout prix éviter.
    Compte tenu de ces impératifs, la fréquence choisie se situera entre 500KHz et 1MHz. C'est en plein dans les bandes de radio-diffusion, mais si les fuites RFI sont négligeables, ce ne sera pas un souci.

    Pureté et stabilité:
    Toujours dans le but de minimiser la pollution EM, il faudra que le courant de l'émetteur soit parfaitement sinusoidal: en effet, rien ne sert de choisir une fréquence de base basse pour minimiser les rayonnements non- désirés, si c'est pour envoyer simultanément un paquet d'harmoniques qui elles, seront émises avec la plus grande facilité.
    D'autre part, il est souhaitable que la fréquence soit parfaitement fixée, car si malgré les précautions prises le résidu devait s'avérer gênant, on pourrait toujours s'arranger pour prendre des "mesures d'évitement" spécifiques, ce qui est impossible si la fréquence varie de façon imprévisible.
    A noter que l'alliance "Wireless power" a choisi au contraire une fréquence variable....

    Gestion de la puissance:
    Au niveau de l'émetteur, rien n'est prévu: comme le système est destiné à alimenter en permanence plusieurs récepteurs dans sa zone d'action, il est hors de question de gérer la puissance sur la base d'une négociation "one to one".
    Chaque récepteur va gérer son propre prélèvement de puissance. Dans les cas les plus simples (la grosse majorité en fait), le récepteur va prendre la puissance qu'il peut en fonction de sa distance et son orientation par rapport à l'émetteur.
    Dans certains cas, on peut envisager une régulation active, voire même un système de type MPPT pour les hôtes les plus gourmands.
    Mais en tous cas, l'émetteur aura tous ses paramètres fréquence et puissance fixes, il émettra en permanence, et les récepteurs gèreront chacun leur consommation.

    Maintenant que nous avons posé les bases de notre système, voyons comment faire pour remplir nos objectifs, et résoudre les problèmes implicitement posés.
    .
    • Le premier aspect à maîtriser est l'attaque sinusoidale de la bobine.
    A faible puissance, on pourrait se contenter d'une approche linéaire, en classe A ou même AB. Mais ici, une telle approche mènerait à la collision frontale avec l'autre exigence, celle du rendement.
    Pour réaliser l'importance du problème, il suffit d'aller voir l'oscillogramme donné dans le "sneak preview": avec de tels produits tension x courant, un circuit linéaire serait un gouffre à kilowatts....

    En principe, la classe D serait envisageable. En pratique, ce serait possible, mais difficile: d'une part à cause de l'énorme puissance réactive à fournir, et d'autre part parce que la fréquence de découpage doit être plusieurs fois plus élevée que la fréquence de sortie.

    En conséquence, la solution retenue est d'accorder la self, de l'incorporer dans un filtre, et d'attaquer le tout avec un carré, qui sera à la fréquence de base.

    Il y a différentes manières d'implémenter cette méthode:
    • La plus basique est celle retenue par "l'alliance". Elle consiste à faire résonner la self en mode série, sans autre filtrage supplémentaire.
      Cette approche peut fonctionner, j'en donnerai quelques exemples pratiques, mais elle a un certain nombre d'inconvénients:
      -On applique directement à la self les transitions du carré, sans aucun filtrage; certes, elle atténue les harmoniques à raison de 6dB/octave, mais c'est néanmoins assez violent.
      -Les éléments actifs doivent supporter l'entièreté du courant réactif.
      -Il n'y a pas de limitation intrinsèque de la puissance: sans action extérieure, la résonance va croître sans être limitée, jusqu'à ce que quelque chose claque ou sature.
    • Une meilleure solution consiste à travailler dans un mode particulier de classe E. Ici, il n'y aura plus de flancs bruts appliqués à la bobine, juste des discontinuités mineures dans la forme d'onde.
      D'autre part, cette topologie est intrinsèquement "single-ended" et permet de se contenter d'un seul élément actif.
      Dans ce cas précis, cette configuration ne pose pas de problème puisque la self est à air, donc insensible à la saturation, et il n'y a pas d'inconvénient à y faire circuler le courant DC d'alimentation.
      Autre avantage, l'élément actif ne doit supporter le courant réactif que pendant une faible partie du cycle.
    • Enfin, il reste le circuit de choix: l'oscillateur Royer. Cette remarquable topologie parvient à faire passer un courant presque idéalement sinusoidal dans la self de travail, en n'utilisant qu'une seule self additionnelle.
      Les éléments actifs n'ont besoin de supporter qu'une faible fraction du courant réactif, et la topologie est très bien adaptée à un fonctionnement auto-oscillant, qui facilite la commande des éléments actifs.

    A suivre....
    Images attachées
    Dernière modification par Tropique ; 16/03/2011 à 21h12. Motif: Typos
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  4. jiherve

    Date d'inscription
    juin 2006
    Localisation
    gironde
    Âge
    65
    Messages
    15 171

    Re : Transmission d'énergie sans fil, Wireless Power

    Bonsoir
    En effet le Royer c'est souverain à tel point que ce c'est le montage incontournable des convertisseur de rétroéclairage utilisant des CCFL.
    C'est très robuste à la charge(trop peut être pour ceux qui mettent les mains là où il ne faut pas).
    JR
    l'électronique c'est pas du vaudou!
     

  5. Tropique

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

    Re : Transmission d'énergie sans fil, Wireless Power

    .
    Considérations théoriques sur le couplage magnétique, et la nécéssité d'accorder les selfs.


    Pour exploiter de manière efficace le mode de couplage choisi, nous allons nous immerger profondément dans les arcanes de la théorie magnétique, afin d'en pénétrer toutes les subtilités.
    Et elles sont nombreuses.

    Nous avons déjà constaté qu'au niveau de l'émetteur, il était avantageux d'accorder la self: cela permet à un élément passif, le condensateur, de supporter l'essentiel du courant réactif, les éléments actifs n'étant là que pour compenser la puissance effectivement perdue à chaque cycle.
    Nous avons besoin d'un champ magnétique intense, donc d'un fort courant, mais seule une partie infime de ce champ est exploitée par les récepteurs distants; c'est cettte partie qu'il faut effectivement fournir.
    Mais cela n'enlève rien à la nécéssité de produire une puissance réactive massive afin d'établir et de maintenir le champ.
    Donc, en résumé, l'accord du primaire, sans être indispensable, facilite quand même sérieusement les choses; d'autant plus qu'il participe également au filtrage de la forme d'onde.
    .
    • Jusqu'à présent nous nous sommes très peu intéréssés au secondaire. Qu'en est-il à ce niveau?
    .
    Il va intercepter une partie du flux primaire, et générer une tension induite correspondante. Si par exemple le coéfficient de couplage vaut 0.01, une tension de 100V dans le primaire ne génèrera que 1V dans le secondaire, si les nombres de spires sont identiques.
    Cela peut sembler très peu, pourtant la valeur de 0.01 n'est pas du tout irréaliste, au contraire: elle est même la plupart du temps assez optimiste, et dans la pratique, c'est plutot autour de 0.001 que nous aurons à travailler!
    .
    • Comment cela se fait-il, pourquoi est-ce si inefficace?

    Un des inconvénients d'utiliser le couplage magnétostatique est de devoir passer par les caprices du champ magnétique: celui étant intrinsèquement dipolaire (de vrais monopôles magnétiques restent à découvrir), sa décroissance en fonction de la distance se fait en raison du cube de celle-ci. Ce qui n'est pas fait pour nous simplifier la vie.

    Un petit exemple numérique permettra de fixer les idées:
    Supposons que la self d'émission ait un diamètre de 30cm (c'est la valeur que j'ai retenue et "normalisée" pour mes prototypes, c'est un compromis acceptable entre encombrement et efficacité).
    Si on met une self de réception de même taille à 2m, on peut approximer l'atténuation en faisant le rapport³ de la distance par une longueur de référence égale au rayon de la self. Donc, ici (200/15)³ = 2370.

    Pas gagné, pas gagné: avec les 100V de départ, on récupère royalement une quarantaine de mV, ce n'est pas avec ça que l'on va charger un téléphone portable.
    On pourrait se dire: "pas grave, pour augmenter la tension, il suffit de mettre plus de spires". C'est vrai, mais le problème, c'est que l'inductance de la bobine réceptrice va augmenter comme le carré du nombre de spires.
    Or, pour des facteurs de couplage <<<, comme ici, l'inductance de fuite se confond pratiquement avec l'inductance magnétisante, càd celle de la self elle-même. Cela signifie que si l'on multiplie p.ex. par 10 le nombre de spires, on va récupérer ~400mV, ce qui n'est pas encore très glorieux, mais on va en même temps multiplier par 100 l'impédance interne du générateur équivalent!

    Cela semble inextricable.

    En fait si l'on examine dans le domaine magnétique ce qui se passe au niveau électrique, lorsqu'on charge la self par un courant important, celle-ci crée un champ démagnétisant qui s'oppose au champ générateur, et "éjecte" les lignes de force de la self réceptrice, diminuant ainsi la tension induite. A la limite, si on la court-circuite, on créera l'équivalent d'un corps totalement diamagnétique qui repoussera toutes les lignes de champ à l'extérieur.

    Il y a donc un compromis à trouver entre le courant débité et l'effondrement de la source, et ce compromis est connu sous le nom "d'adaptation d'impédance": on arrivera à extraire le maximum de puissance lorsque la résistance de charge vaudra la réactance de la self à la fréquence de travail.
    Ce qui ne nous mène pas très loin.
    Mais heureusement, on peut faire appel au même théorème, mais généralisé dans le domaine complexe. Ici, on ne s'était soucié que du module des impédances, ce qui nous limitait sévèrement, mais si on fait une adaptation complète, généralisée, on va s'arranger pour avoir une charge dont l'impédance est le complexe conjugué de celui de la source. Comme celle-ci est presque purement inductive, la charge devra être presque purement capacitive. Et là, les choses deviennent intéressantes: une fois que l'on a compensé la partie imaginaire, on peut adapter les parties réelles.
    .
    • Que vaut celle du générateur?
    .
    Le circuit électronique de l'émetteur a une résistance interne négligeable. Il ne reste donc que les résistances ohmiques, du primaire et du secondaire.
    Si on est préparé à investir dans du cuivre, elles peuvent être aussi faibles que l'on veut, ce qui signifie en pratique qu'il n'y a pas de limite à la puissance pouvant être transférée, même à très grande distance!

    Si dans notre exemple, le circuit résonant formé par la bobine réceptrice et son condensateur d'accord à un facteur Q=200, on va "amplifier" le signal de 40mV jusqu'à 8V, et on va pouvoir générer une puissance appréciable à partir de ces 8V.

    Ce qui précède pourra sembler "sulfureux" à certains: est-ce bien de l'électronique ou bien tombe-t-on dans la magie noire? Comment un circuit résonant "vampire" peut-il arriver à littéralement "sucer" de la puissance à plusieurs mètres de distance?

    Lors du prochain épisode, nous essaierons de comprendre comment les choses se passent dans le domaine magnétique, les phénomènes dont l'espace lui-même est le siège.

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


    • Publicité



  6. Tropique

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

    Extorsion de puissance, mode d'emploi:

    .
    Nous allons maintenant nous atteler à la compréhension globale de l'effet de résonance sur le transfert de puissance, et en particulier comment cela se traduit au niveau de l'interaction de la bobine réceptrice avec l'espace environnant.

    Notons que si l'on se satisfait de la théorie, on n'a pas besoin d'aller plus loin: on avait un générateur ayant une impédance complexe (la bobine réceptrice), on le charge par un récepteur ayant l'impédance complexe conjuguée, et on récupère le maximum de puissance.
    Boum patapoum, emballez, c'est pesé, on peut s'arrêter là.

    Ce serait dommage cependant.

    D'une part c'est intrigant, et c'est toujours intéressant d'avoir une vraie compréhension des phénomènes en jeu, mais d'autre part, comme on va le voir, cela permet aussi d'accéder au niveau supérieur et de mieux exploiter le système.

    Le cas (A) de la figure "WirelExtract" montre d'une manière très schématisée la situation sans résonance: un générateur ayant une certaine impédance interne, et une charge, Z. Il est clair que quelle que soit la valeur de Z, on ne pourra pas faire débiter à la source plus de 1mW: même si son impédance est résistive et que Z est un court-circuit, ce sera la puissance dissipée dans sa propre résistance interne (pour l'instant, on ne se préoccupe pas de la destination de la puissance, juste sa valeur).
    Mais, il y a quand même moyen d'obliger la source à débiter plus que ce qu'elle ne voudrait: (B).
    On applique une forte tension extérieure, dans le même sens: elle sort donc toujours 1V, mais est obligée de débiter 11mA, elle fournit donc une puissance active de 11mW.
    L'opération peut sembler insensée: pour extraire ces 11mW, il a fallu en investir 110, fournis par la source auxiliaire.
    Mais seulement, dans notre cas on est en alternatif, les impédances sont réactives, et à la fin on récupère tout ce qu'on a investi. Plus le supplément de 10mW que l'on a extorqué à la source.
    Au cycle suivant, les 110mW servent à nouveau à extraire de la puissance, avec tous les signes inversés, tandis que le total de 11mW s'en va vers l'extérieur.

    La source de tension auxiliaire "magique" qui permet ce tour de passe-passe, en alternant entre récupération et génération est simplement le condensateur d'accord.

    Au niveau "physique", comment cela se traduit-il?
    L'effet est d'augmenter considérablement le courant dans la self réceptrice, et donc pour une intensité donnée, d'accroitre la distance d'action du champ magnétique qu'elle génère: tout se passe comme si la self réceptrice avait sa surface de captation décuplée.

    A ce stade, il semble opportun d'introduire une nouvelle notion pour caractériser le couplage entre les selfs.
    Est-ce vraiment utile?
    Il y a déjà dans la théorie plusieurs paramètres existant pour cela: le coéfficient de couplage, l'inductance de fuite, l'inductance mutuelle.
    Le coéfficient de couplage est pertinent dans notre cas, mais il ne prend pas en compte la valeur des selfs. Ce que fait l'inductance de fuite, mais lorsque les couplages sont très petits comme ici, elle se confond presque avec la valeur de la self elle-même, et est donc inutilisable pour les calculs.
    M, l'inductance mutuelle est pertinente, mais peu intuitive et malcommode à utiliser.

    Je me propose donc de créer un nouveau paramètre de couplage, que je vais appeler "inductance d'espace": c'est l'inductance (virtuelle) qu'il faudrait connecter entre inductances primaire et secondaire pour retrouver les caractéristiques de couplage.
    Dans le cas d'un transformateur, avec k proche de 1, cette inductance L_e se confondrait avec les inductances de fuite primaire/secondaire normalisées.
    Pour des circuits faiblement couplés, L_e tend vers l'infini, et forme avec le secondaire un diviseur inductif. On retrouve donc k et les valeurs d'inductance en un seul paramètre, et on peut s'en servir pour aller plus loin dans l'analyse du transfert résonant.

    "Couplage1" montre la situation: on voit que pour que le transfert "par extorsion" puisse se faire, ce n'est pas vraiment le secondaire qui résonne, mais bien l'inductance d'espace: à la fréquence du transfert, le secondaire accordé ne sera pas tout à fait résonant, mais légèrement capacitif: on va se situer au dessus de sa fréquence de résonance naturelle.
    La faible capacité résultante va alors pouvoir résonner en série avec l'inductance d'espace, et en fait l'annuler: à cette fréquence, l'espace est "court-circuité", et la tension primaire se retrouve multipliée par le Q au secondaire.
    Si la séparation entre les bobines se modifie, l'inductance d'espace va également varier, et donc la capacité nécessaire pour l'accorder, ce qui va modifier l'écart entre la fréquence de transfert et la fréquence de résonance naturelle du secondaire.
    On retrouve là un résultat bien connu de ceux qui étudient les circuits couplés: quand le couplage augmente, l'écart entre les fréquences de résonance augmente, ce qui démontre la validité du concept en tant qu'outil d'étude.

    Mais il y a plus.

    On le voit, l'inductance d'espace est le siège d'une résonance très intense, qui rappelle un peu un résonateur comme un quartz p.ex.: une très forte valeur d'inductance plus ou moins virtuelle.
    Virtuelle, vraiment?
    Faisons une petite "Expérience": un primaire et un secondaire éloignés, avec entre les deux une bobine non-accordée. Tant que le secondaire n'est pas accordé, il ne se passe rien de spécial: on retrouve le signal émis sur les deux bobines, atténué plus ou moins fort selon la bobine.
    Si on accorde le secondaire éloigné, la tension à ses bornes augmente, sans surprise, mais ce qui est beaucoup plus étonnant, c'est que la bobine intermédiaire, couplée à l'espace, voit également sa tension multipliée!
    Cela montre que cette inductance d'espace n'est pas si virtuelle que ça: elle n'a peut-être de fil bobiné physique, mais elle est capable d'interagir avec d'autres selfs comme le ferait une bobine réelle.
    Je précise que j'ai effectivement réalisé l'expérience, de manière physique. J'ai une totale confiance dans les prévisions théoriques ..... surtout quand elles sont confortées par la pratique.

    A suivre....
    Images attachées
    Dernière modification par Tropique ; 19/03/2011 à 19h34.
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  7. Tropique

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

    Enfin du concret!

    .
    Nous avons maintenant vu comment un circuit accordé de réception parvenait à "siphonner" à distance et de manière active, l'énergie d'une self éloignée très faiblement couplée.
    En résumé: l'accord du primaire est presque indispensable pour des raisons énergétiques: cela évite de devoir constamment fournir un courant réactif énorme à la self, et l'accord du secondaire est indispensable pour compenser le très faible couplage avec le primaire.


    Une question qui commence à se poser est:

    Comment pourra-t-on gérer la puissance collectée?

    Généralement en ne faisant rien.

    La réponse peut surprendre, surtout au vu de l'usine à gaz mise en oeuvre par "Qi" dans ce but, mais ici, le faible couplage devient un avantage.

    Le secondaire, même s'il baigne dans un champ faible va se mettre à résonner, et à un certain moment la tension va devenir suffisante pour pouvoir débiter vers le circuit d'utilisation, mais dès que l'on va soustraire de l'énergie, on va interrompre la croissance du processus de résonance, et on va limiter automatiquement la puissance transférée.

    En gros, l'ensemble de réception va se comporter comme une source de courant dont la valeur dépend du couplage, donc de la distance (et des paramètres de la bobine réceptrice, bien entendu).
    On pourrait s'inquiéter du cas où les deux bobines sont mises directement l'une contre l'autre: ne va-t-il pas y avoir une surcharge?

    Là encore, la réponse est non, à certaines conditions.
    Si le couplage est fort, l'effet de la résonance va disparaitre, et tout ce qu'il restera est l'inductance de fuite, ou d'espace.
    Mais si les selfs ont des dimensions différentes, il y aura toujours une partie du flux qui ne sera pas mise en commun, autrement dit, k ne pourra pas s'approcher de 1, et les inductances de fuite ou d'espace auront toujours une valeur importante, même si les bobines sont positionnées de manière optimale.
    Dans ce cas, un effet de ballastage magnétique va se substituer à l'amortissement du circuit accordé pour venir limiter le courant.
    En pratique, il suffira donc d'un écrêteur, type zener, pour limiter la puissance vers le récepteur.
    Si l'on se soucie de rendement et de transfert maximum, on pourra éventuellement implémenter un écrêteur actif, qui recycle la puissance pour éviter de la dissiper, mais c'est une option "lourde", à n'employer qu'en dernier recours.

    Donc, en gros, il suffira de dimensionner les bobines de réception en fonction de la tension à délivrer, de la distance limite à laquelle on souhaite un fonctionnement, et de la puissance à fournir. Si excédent il y a, il sera en partie dissipé, mais la plus grande part sera réfléchie de manière réactive vers l'émetteur.
    • Les avantages de cette philosophie sont la simplicité, la possibilité d'avoir des récepteurs multiples très différents opérant simultanément à des distances différentes, et la souplesse: on garde la possibilité d'optimiser certains récepteurs, avec des MPPT p.ex., pour des applications plus exigeantes.
    .
    Circuits d'émetteurs
    Nous allons commencer par quelque chose de simple et didactique, pour se faire la main: WirelPo1.
    Notons que ce circuit, tout didactique qu'il soit fonctionne cependant parfaitement, et a été effectivement réalisé. C'est un circuit auto-oscillant, dont l'élément de gain est un sextuple inverseur CD4069.
    Le fonctionnement est simple, mais comporte quelques subtilités.
    Le circuit résonant d'émission, composé de L1 et de C5 est attaqué par les étages de puissance à transistors. Ceux-ci sont pilotés par 5 des inverseurs mis en parallèle, eux-mêmes attaqué par l'inverseur restant.
    Celui-ci reçoit une tension image du courant passant par le circuit résonnant, échantillonné grâce à un shunt, R5. L3 permet d'introduire une petite avance de phase, nécéssaire pour compenser les délais de propagation des 4069, et garantir un fonctionnement exactement à la fréquence de résonance. R8 amortit la self et évite des oscillations à fréquence supérieure.

    Au démarrage, les transistors sont polarisés en linéaire, et l'ensemble de la chaîne étant bouclée avec un gain >+1, les oscillations peuvent s'établir, comme on le voit sur l'oscillogramme.
    Dans cet exemple, la fréquence est d'environ 400KHz.
    Quand l'amplitude augmente, les inverseurs saturent et attaquent les transistors en carré, ce qui est nécéssaire pour une faible dissipation. Les condensateurs C1 et C2 se déchargent alors sous le Vbe.

    Le courant de polarisation établi par R1 à R4 peut sembler microscopique par rapport au courant de base moyen nécéssaire. En fait, ces résistances ne servent qu'à "amorcer la pompe" et entretenir le processsus: à cette fréquence, l'effet des charges stockées dans les jonctions des transistors est tel que le courant nécéssaire à leur extraction pendant le temps de blocage est presque égal à celui de la conduction.
    Le bilan de charge pour les condensateurs est donc presque équilibré, et les résistances ont juste à compenser les porteurs de charge qui ont eu le temps de se recombiner dans les jonctions même.

    Il reste à élucider le rôle de D5, D6 et C7.
    Comme le circuit résonant série est attaqué exactement à sa résonance, le courant pourrait croître indéfiniment jusqu'à ce que les transistors claquent. C7 forme un diviseur capacitif avec C5, et quand la tension de résonance atteint ~10x la tension d'alim, les diodes conduisent et dérivent le surplus vers les rails d'alim, pour être récupéré. Cet écrêteur actif permet donc de controler sans pertes le niveau de résonance.

    Le secondaire donné en exemple est identique au primaire, pour faciliter les comparaisons. Dans la réalité, on peut l'adapter en fonction de l'application.
    Le couplage utilisé pour la simu est de 1%, ce qui est moyen pour nos applications. Même avec ce coéfficient relativement faible, on voit qu'on arrive à fournir ~25V de crête à la charge du secondaire, ici symbolisée par la résistance de 1K.
    WirelPo2 montre l'allure des tensions et courants au niveau des transistors.
    Images attachées
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  8. Tropique

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

    Montée en puissance

    .
    Après la mise en condition du post précédent, nous allons maintenant nous attaquer à des émetteurs nettement plus "lourds".

    ~~~~~~~~~~~~~~

    Le premier de la liste est un circuit fonctionnant en classe E: voir classEb

    Ici, la self est accordée en parallèle par un condensateur, et est pilotée par le MOS, lui même attaqué par un signal rectangulaire.

    A première vue, rien que du banal: qu'est-ce qui permet d'affirmer que ce montage travaille en classe E?
    Il y a un certain nombre de choses:
    • L'attaque se fait par un signal rectangulaire de rapport cyclique légèrement plus petit que 50%
    • le couplage MOS-circuit résonant se fait par une diode de roue libre.
    • La pseudo-période du circuit résonant est plus courte que la période du signal d'attaque.
    Ces conditions réunies permettent un fonctionnement quasi-sinusoidal, en classe E.

    Voyons les détails.
    Lorsque le MOS conduit, il accumule une certaine énergie dans la self, qui est ensuite relâchée sous la forme d'une décharge oscillatoire dans le circuit résonant lorsqu'il est livré à lui-même.
    Grâce à la diode, la tension peut descendre bien en dessous du 0V.
    Pendant cette alternance négative, le MOS se remet à un certain moment à conduire; ce qui est provisoirement sans effet à cause de la diode.
    Mais arrive un moment où la tension du circuit oscillant remonte au-dessus de 0V, et à ce moment, la diode "l'attrape" et le bloque à la masse.
    Le courant dans la self, qui était jusqu'alors fourni par le condensateur est repris par l'alimentation, via la diode: dans cette brève phase de palier, on réinjecte de l'énergie dans la self.
    Puis, rapidement, le MOS se bloque à nouveau, et le circuit résonant peut à nouveau "vivre sa vie" en solo, en ayant toutefois acquis un supplément d'énergie.
    A terme, un équilibre s'établit entre les déperditions d'énergie et celle réinjectée à chaque cycle, et la tension se stabilise, dans ce cas vers une cinquantaine de volts crête.
    L'énergie injectée peut facilement être controlée par l'écart entre la pseudo-période et la fréquence de travail: au plus il est important, au plus le temps consacré à l'injection est grand (le "plat" de la forme d'onde) et au plus la tension de sortie sera grande.
    Le circuit de réception est quant à lui accordé sur la fréquence de travail, donc plus bas que le circuit d'émetteur.
    On voit la tension obtenue sur 50 ohm, à nouveau avec primaire et secondaire normalisés, et un couplage de 1%: classEc.
    On voit également sur l'oscillogramme la trace du courant primaire. Dans ces conditions, la tension de sortie est de 14V^ sur 50 ohm, et le courant primaire frôle les 30A^.

    Ce qui appelle quelques commentaires:
    On n'est plus ici dans des niveaux "aimables" d'électronique petits signaux. Ce qui n'est pas sans impact sur le plan technologique:
    La valeur du condensateur de 470nF conduirait tout naturellement à l'utilisation d'un mylar. Ce qu'il ne faut surtout pas faire: à de tels niveaux de puissance réactive, il exploserait en quelques secondes. Même un condensateur au polycarbonate a fondu en moins de 90 secondes.
    Il est impératif d'utiliser au moins un condensateur au polypropylène. Idéalement, il faudrait qu'il soit à électrode massive. Pour mon proto, je me suis contenté d'un modèle métallisé, et il a tenu les quelques heures des tests et essais, mais je ne m'y risquerais pas pour un montage définitif: lorsqu'un condensateur chauffe de manière importante, c'est en général de très mauvais augure pour sa durabilité.

    La self également doit encaisser le courant, et à partir de ce modèle, c'est du tube de cuivre qui est utilisé: voir PhotoE1 et PhotoE2.
    par la même occasion, PhotoB1 et PhotoB2 montrent le proto précédent et sa self d'émission, ainsi qu'une variante similaire mais moins fonctionnelle et donc non publiée.

    Le schéma classEgr montre le schéma pratique: c'est un quartz NTSC qui sert de référence après une division par 16. Dans ce cas, la fréquence est de 223KHz, mais il est évident que d'autres valeurs, plus élevées notamment, sont utilisables.

    La commande des MOS est un peu particulière: pour éviter la cross-conduction des drivers et obtenir facilement un rapport cyclique <50%, des diodes sont employées comme éléments de temporisation:
    l'une, moyennement lente pour le NPN, une 1N646, OA200, BYX10, ou petite diode standard similaire (pas une diode dopée à l'or comme les 1N4148, BAVxxx, etc), et l'autre très lente pour le PNP.

    Suite au prochain post, pour les images notamment...
    Images attachées
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  9. Tropique

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

    Re : Transmission d'énergie sans fil, Wireless Power

    Voici les deux images manquantes ainsi que quelques commentaires additionnels.

    On le voit, cette attaque en classe E présente nombre d'avantages: un seul élément actif, pas d'éléments réactifs supplémentaires, pas de pertes en commutation, commande du MOS simple, facilité de régler le niveau de puissance de sortie, et une bonne pureté spectrale de l'onde de sortie.
    Certes, la sinusoide a un petit "palier", mais c'est mineur, et au niveau du courant dans la self (ce qui compte pour nous), ce l'est encore plus, puisque la forme d'onde est intégrée, ce qui "gomme" ses angles.

    En résumé, un très bon compromis pour des puissances moyennes.
    Images attachées
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  10. Tropique

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

    Royer, la voie royale

    .
    En guise de point d'orgue de cette série d'émetteurs, voici enfin le circuit Royer.

    Avant toute chose, une petite mise au point pour les puristes: le circuit proposé en 1954 par Georges H. Royer n'est pas un convertisseur résonnant: à l'origine, c'est un convertisseur push-pull dont le timing était basé sur les propriétés magnétiques du noyau de transformateur.

    Un illustre -sans ironie- inconnu a ajouté un condensateur de résonance en parallèle avec le primaire, et exploité l'inductance de fuite du transformateur pour en faire le circuit qui est aujourd'hui connu sous l'appellation "Royer".
    .
    • Cette topologie présente pour nous beaucoup d'avantages: l'auto-oscillation, qui simplifie la commande des transistors et travaille automatiquement à la résonance, le rendement, grâce entre autres aux pertes de commutation nulles, et une bonne pureté de l'onde de sortie, tout cela obtenu avec des moyens minimalistes.
    .
    Examinons un premier exemple: Royer1

    Les enroulements principaux sont L1 et L2, qui forment le primaire et sont accordés par C1. Des enroulements de rétroaction, L3 L4 permettent aux oscillations de démarrer et de s'entretenir. Le potentiel moyen des gates des MOS est maintenu un peu au-dessus du seuil, grâce au régulateur à zener.
    On constate que les signaux sont très proches de l'idéal théorique, et il ne s'agit pas d'un artefact de la simulation: dans la réalité également, c'est tout aussi beau.
    Les traces verte et magenta montrent tension et courant d'un des MOS, la trace rouge est prise au bornes des enroulements de rétroaction, et permet de se faire une idée de la tension équivalente couplée à l'espace par le primaire du convertisseur: la qualité du sinus est exceptionnelle.
    L3 permet de découpler le circuit résonnant du chemin à basse impédance constitué par les éléments de commutation et l'alimentation.
    Sa valeur n'est pas très critique, et au plus forte elle est, meilleure est la pureté, mais on ne peut pas aller trop loin dans ce sens, elle est parcourue par un courant important et doit être dimensionnée en conséquence, et à partir d'une certaine valeur, elle peut causer des instabilités qui conduisent à des modes d'oscillation irréguliers, subharmoniques, voire même chaotiques dans certains cas.
    Une valeur un peu inférieure à celle des demi-primaires est un bon compromis.
    .
    • Ici, plus encore que dans le convertisseur classe E, le choix du condensateur d'accord est important. Il est soumis à un courant de résonance énorme, et les 108nF résultent de la mise en parallèle de 4 condensateurs de 27nF au polystyrène, à électrode massive étendue.

    Même ainsi, ils tièdissent de maniére perceptible.....
    Il ne faut même pas imaginer / envisager / songer à mettre des diélectriques d'usage général: le résultat serait la volatilisation immédiate.
    Il faut également prendre en compte la tension maximale. Ici, avec seulement 50V d'alimentation, on atteint déjà les 160V crête, puisqu'il est facile de voir que la valeur de crête doit valoir fois la tension d'alimentation.

    A suivre....
    Images attachées
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  11. Tropique

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

    La surenchère dans la puissance!!!

    .
    Pour transporter une puissance utilisable, à plusieurs mètres, et en se limitant à une quantité raisonnable de cuivre dans la bobine réceptrice, il n'y a qu'une seule option:

    augmenter l'intensité du champ magnétique.

    Pour être exact, c'est plutot le ou le qu'il faut augmenter, mais comme on considère la fréquence comme imposée, cela ne nous laisse que le champ lui-même.

    Et puisque nous avons également fixé de manière arbitraire la taille de la bobine émettrice à ~30cm de diamètre, il faut augmenter le produit nxI.
    Des deux paramètres, n semble le plus "accessible". Mais le problème, c'est que la self inductance va croitre comme le carré de n, et si on veut garder le même courant, il faudra augmenter la tension dans les mêmes proportions.

    Ce qui pose un certain nombre de problèmes.

    L'un concerne la sécurité, l'isolation électrique, etc: cela ne semble pas très sain de balader des centaines de volts sur un enroulement ouvert et de grande taille.
    Ce qui serait encore gérable, d'autant plus qu'à ces fréquences, il n'y a plus les effets d'électrisation/électrocution habituels: seuls les phénomènes thermiques restent problématiques.
    Mais ce qui est plus gênant, c'est que des conducteurs portés à potentiels élevés, à haute fréquence, vont se comporter comme des antennes, et comme nous ne voulons rayonner qu'une puissance négligeable, compatible avec les règlements sur les perturbations radio-électrique, on arrivera très vite à la limite.

    Conclusion, il faut garder le nombre de spires faible, voire minimal, et agir sur le courant, donc également sur la tension, mais sans la pénalité du carré de l'alternative précédente.
    Voici un exemple de tentative dans cette direction: Royer2.

    Le schéma est "brut de fonderie", parce qu'il ne sera pas retenu parmi les solutions finales, mais il est intéréssant à titre documentaire.
    Il est d'ailleurs parfaitement fonctionnel, c'est lui qui a permis de faire la photo du "teaser": Bientôt sur ce canal!
    Une des difficultés avec le Royer, c'est que la tension délivrée par l'enroulement de réaction, lorsqu'on monte à des niveaux de puissance extrêmes, devient excessive par rapport aux limitations des gates.
    Bien sûr, on pourrait réduire la taille de ces enroulements, mais pour un rendement optimal, il faut que la forme d'onde de commande ait des transitions aussi rapides que possibles, en restant centrée sur le Vth.

    C'est crucial, car si l'on sort de ces conditions, on aboutit à un croisement de la tension D-S et du courant Id, ce qui a immédiatement des conséquences catastrophiques sur les pertes, vu la puissance réactive >10KW qui s'échange à chaque demi-cycle dans le circuit.

    Ici, la méthode retenue est de faire un écrêteur/clamp à transistors, qui conserve une attaque de gate à basse impédance, et n'introduit pas de délais, tout en protégeant les gates des MOS.
    Sur les photos (clip 1 et 2) du proto, on remarque la self d'alimentation, réalisée en fil divisé.

    A suivre.....
    Images attachées
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  12. Tropique

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

    La minute juridico-technique

    .
    Au vu des courants et tensions développés dans les différents prototypes, on pourrait s'inquiéter des conséquences du rayonnement, aussi bien sur le plan de la santé que du point de vue règlementaire.

    Un petit calcul va montrer que ces inquiétudes sont sans fondement, si les émetteurs sont réalisés correctement, en suivant les prescriptions données dans ce fil.

    La self d'émission peut être considérée comme comme une antenne boucle (loop antenna), dont la taille électrique est négligeable devant la longueur d'onde.

    La résistance de rayonnement d'une telle antenne peut être exprimée par la formule suivante: RR=2.374 10-30N2D4F4
    N étant le nombre de spires, D le diamètre et F la fréquence.

    Si on applique cela au dernier proto présenté, N=2, D=0.3, F=285 103, on arrive à 507 10-12 ohm, soit ~500 picoohm ou 0.5 nanoohm......
    Et même avec un courant de boucle équivalent de 35A, cela ne représente que 622nW de puissance rayonnée totale.
    Autrement dit, une puissance absolument ridicule, qui ne sortirait pas des limites d'une maison.
    Cela peut sembler surprenant, mais c'est dû à l'incroyable inefficacité des petites boucles magnétiques en tant qu'antennes.
    Ici, on génère donc un champ magnétique presque pur, pratiquement sans composante "Maxwellienne".
    Cela est permis par le choix délibéré des paramètres de dimension et de fréquence: dans la formule, ils sont à la puissance 4, et une augmentation de dimension ou de fréquence aurait immédiatement un impact disproportionné.
    C'est aussi la raison pour laquelle les harmoniques doivent être conservées à un niveau minimal: elles sont rayonnées beaucoup plus efficacement que la fondamentale.
    Et les petits dipôles électriques, bien que pas terriblement efficaces non plus, le sont bien plus que les boucles, ce qui explique le souci de rester avec des tensions raisonnables.

    Les vieux routards de l'électronique doivent se dire: ce n'est pas possible, avec des courants aussi démentiels, une radio AM devra être affectée.
    • Et oui, pour sûr, elle le sera, mais uniquement parce que son cadre de ferrite va recevoir directement le champ magnétique généré, sans passer par la composante magnétique d'une onde.
    • Mais ce champ s'atténue rapidement avec la distance, et les mesures d'interférences sont basées sur le champ électrique engendré par la puissance effectivement rayonnée, il n'y a donc pas de souci.
    • Sur le plan biologique non plus, il n'y a pas d'effets prouvés de ces niveaux de puissance, c'est une goutte d'eau par rapport à l'océan d'électro-smog dans lequel nous baignons.

    A suivre.....
    Dernière modification par Tropique ; 14/04/2011 à 22h18. Motif: Erreur d'exposant
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  13. Tropique

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

    Un émetteur de plus (c'est le dernier, promis!)

    .
    Nous voici arrivés au dernier circuit d'émetteur.

    Ce n'est pas nécessairement le plus parfait, ou le plus performant, mais c'est le compromis le plus abouti (pour les fortes puissances).

    A ce stade, il y a deux points importants sur notre "wish-list":
    • obtenir une puissance d'émission aussi élevée que possible tout en minimisant les niveaux de tension, dans le but d'éliminer les fuites radio-fréquence,
    • et simplifier le design au maximum en éliminant la seule self en dehors de la boucle d'émission.

    Chose intéressante, il est possible de faire d'une pierre deux coups.
    Le circuit précédent avait une boucle de 2 x 1 spire. Pour réduire les tensions, il faudrait descendre sous ce qui semble logiquement un minimum: on ne sait pas faire de nombres de spires fractionnaires dans l'air, car cela revient à diminuer la surface effective.

    Par contre, on peut fusionner les deux demi-enroulements et la self d'alimentation.

    On se retrouve alors avec deux demi-spires en forme de "D" accolés par leurs barres verticales. De cette manière, la surface de boucle reste identique, et on n'a plus qu'une spire au total: photo RoyerDD

    L'alimentation par un fil diamétral peut sembler scabreuse, mais en réalité elle a un gros avantage: ces 30cm de fil libre ont une inductance, suffisante pour servir de self d'alimentation Royer, compte tenu de la valeur des "D" individuels.
    Que des avantages donc?
    Pas tout à fait, malheureusement.

    D'une part, la self d'alimentation est parcourue par à un courant à fréquence double de celle d'émission, et d'autre part il va y avoir une modulation de position parasite en fonction de la polarité de l'alternance: le centre d'émission va se déplacer d'un "D" à l'autre.
    Pour l'application envisagée, ce dernier point n'est absolument pas gênant.
    Le premier par contre l'est nettement plus, mais il faut relativiser: une harmonique 2 n'est pas encore d'un rang catastrophiquement élevé, et le courant est largement plus faible que la fondamentale.
    Compte tenu des avantages déterminants de cette configuration, ce sont des choses avec lesquelles on peut vivre.

    Les autres images montrent le détail du circuit, et son fonctionnement simulé (copie conforme de la réalité).

    A suivre.....
    Images attachées
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  14. Tropique

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

    Il y a une saison pour les semailles et un temps pour les récoltes

    .
    Maintenant que nous avons passé en revue un nombre suffisant d'émetteurs, il est temps de nous interésser à l'autre extrémité de la chaine, la réception.

    Ce sera beaucoup plus "informel", pour la bonne raison que cet aspect du projet est complètement ouvert, de même que les applications, les puissances, les tensions.
    Les circuits en eux-mêmes sont très simples, et se résument à un circuit accordé, un redresseur et éventuellement un régulateur.

    La discussion va surtout porter sur la manière de dimensionner correctement un récepteur en fonction de l'application envisagée.

    Avant cela, définissons un peu mieux la "philosophie", la coordination du système.
    • Nous avons un émetteur, "always ON", et un nombre variable de récepteurs, de toutes puissances et de toutes tensions: ce peuvent être des chargeurs, des circuits de domotique n'absorbant qu'une puissance négligeable, des applications plus gourmandes genre éclairage d'appoint, ou des systèmes nomades qui se chargent ou "s'éveillent" lorsqu'ils entrent dans la zone couverte.
    • Il est impératif que tout cela fonctionne sur une seule fréquence, décidée au début du projet: les circuits proposés ont une bonne stabilité intrinsèque, et il n'est pas difficile d'ajuster une fois pour toutes la valeur exacte, au moyen de condensateurs d'appoint. Celle-ci n'est pas critique, et peut-être choisie plus ou moins librement en fonction des impératifs de compatibilité notamment, dans une plage de quelques centaines de KHz.
    • Les récepteurs aussi seront en principe trimmés individuellement, mais là, il pourra y avoir des variations: il n'est pas impossible d'imaginer un récepteur non accordé, bien que ce soit en général désavantageux.
      On pourrait éventuellement faire un contrôle de la puissance prélevée en changeant l'accord du récepteur (ce que fait le consortium "Qi" pour l'émetteur).
    .
    -Qu'en est-il de la compatibilité de différents récepteurs? Vont-ils pouvoir coexister dans la même zone sans se gêner?

    La réponse est oui, et même un oui franc et massif: non seulement des récepteurs multiples ne se gênent pas mutuellement, mais ils coopèrent: chacun va exciter la "self d'espace", et faciliter la tâche de ses voisins en renforçant le champ et en agissant comme un "relais" pour des récepteurs situés à des endroits plus défavorables.

    Recept1 montre un exemple typique de récepteur, associé à un des émetteurs présentés précédemment; on remarque que le redressement se fait en monoalternance. Ce choix peut surprendre, mais dans le cas présent, il n'y a aucun désavantage à choisir cette option, contrairement aux cas habituels où un enroulement de transfo alimente un redresseur.
    En général, un redresseur simple alternance divise l'efficacité par 2 par rapport à un double alternance. Ici, ce redresseur charge un circuit accordé, et si le Q est élevé (ce qui est notre cas), l'énergie prélevée sur un demi-cycle se répercute presque intégralement sur l'autre, parce que l'amplitude ne change que très lentement et la variation d'un demi-cycle à l'autre est infime. Le rapport crête/moyen est donc inchangé par rapport à un double alternance (sauf pour la diode), et l'on encourt aucune pénalité, au contraire: on ne perd qu'un Vbe au lieu de deux.

    Les autres inconvénients du simple alternance sont également sans effet: il n'y a pas de noyau de fer risquant de se saturer avec la composante DC, et aux fréquences envisagées, le filtrage ne représente aucun souci, c'est donc l'option qui sera généralement retenue.
    Les valeurs prises dans la simulation sont réalistes, et correspondent à un récepteur faible puissance très éloigné: le coéfficient de couplage n'est que de 0.1%o.

    A suivre....
    Images attachées
    Dernière modification par Tropique ; 27/04/2011 à 14h29.
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  15. Tropique

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

    Vous faites de drôles de bobines....

    .

    Nous allons maintenant essayer de comprendre comment les caractéristiques de la bobine se répercutent sur le plan électrique.
    En effet, pour obtenir une certaine tension et une certaine puissance à une distance définie, il existe une infinité de solutions possibles (et même plusieurs infinités, pour être rigoureux).

    Voyons cela d'un peu plus près.
    Une bobine placée à une certaine distance va générer une tension. Comment varie-t-elle en fonction des paramètres?

    -Augmentation du nombre de spires:
    La tension va augmenter, mais l'impédance interne va faire de même, aussi bien la partie réelle que la partie réactive.
    L'inductance augmente comme le carré du nombre de spires, alors que la tension n'est que simplement proportionnelle, ce qui signifie que le courant disponible pour la self seule (non accordée) va diminuer dans les mêmes proportions, et la puissance disponible restera inchangée.
    Si la self est accordée, on pourra gagner quelque chose, mais seulement si les pertes n'augmentent pas: autrement dit, il faut mettre plus de cuivre; si l'on se contente de répartir le cuivre en un nombre plus grand de spires plus fines, on ne fera qu'adapter la tension, sans gagner de puissance.

    -Augmentation de la surface de la bobine:
    Le flux capté, et donc la tension seront plus grands, de même que l'inductance, mais celle-ci ne croitra que de manière proportionnelle: le courant ne diminuera pas, et on aura un gain en puissance.
    Bien sûr, cela implique de mettre plus de cuivre, puisqu'on a le même nombre de spires, mais plus grandes.

    -Accord de la self / augmentation de son Q:
    Par rapport à une self non-accordée, les gains en tension et en puissance seront égaux au Q; c'est dire que l'opération est juteuse: le Q peut sans difficulté valoir 50 ou plus, c'est donc très clairement quelque chose d'indispensable.
    Cela peut sembler presque trop beau pour être vrai: en augmentant arbitrairement le Q, on pourrait donc augmenter indéfiniment la portée?
    Oui, mais à condition de disposer de bobines supraconductrices.
    Mais même sans cela, il est déjà possible d'obtenir des valeurs très respectables en n'utilisant que du cuivre.
    Seulement, on se trouve confronté à un dilemme: avoir un Q élevé, c'est bien, mais il faut bien extraire la puissance du circuit accordé, ce qui va l'amortir.

    Que faire? Laisser le circuit résonant très peu chargé, pour lui permettre de "sucer" un maximum de puissance du champ environnant.... et aussitôt la dissiper dans ses propres pertes.

    Ou:
    Charger fortement le circuit pour que ses pertes soient négligeables... de même que la puissance extraite.

    Comme beaucoup de choses, c'est une affaire de compromis, et dans ce cas ci, il porte un nom, c'est le théorème de transfert maximal de puissance. Ici, cela équivaut à dire que le coéfficient de surtension du circuit chargé doit valoir la moitié du sien propre.
    Evidemment, il faut être conscient que si ces conditions permettent le transfert, et donc la portée maximales, elles impliquent aussi de dissiper la moitié de la puissance collectée... On ne peut pas avoir le beurre et l'argent du beurre (ou comme disent les Anglo-saxons, "there are no free lunches in engineering").

    Armés de ces informations et de quelques formules (ou "tools" informatiques), nous allons pouvoir dimensionner de manière itérative une bobine adaptée à une application.

    Voici un aperçu des différentes étapes de la procédure:
    -On se fixe une dimension de bobine (en général imposée par l'application), ainsi que la portée, la puissance et la tension à récupérer.
    La figure reprend la conceptualisation du problème, et les formules pertinentes.
    -On calcule alors le Q nécéssaire en utilisant cette formule:



    QL: coéfficient de surtension en charge
    Fo: fréquence d'accord
    P: puissance utile
    r: distance
    A: surface de la boucle de réception
    Vp1: tension par spire au primaire
    D: diamètre boucle primaire
    Ici, on a posé un certain nombre de relations, notamment que Rp=2RL, ce n'est pas le cas du transfert maximum, c'est un compromis donnant un meilleur rendement (au prix de la portée).

    De là, on peut déduire la valeur de la self:



    A suivre.....
    Images attachées
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     


    • Publicité







Sur le même thème :





 

Discussions similaires

  1. Transmission d'énergie électrique à distance sans fil
    Par magieweb dans le forum Électronique
    Réponses: 8
    Dernier message: 26/01/2010, 10h02
  2. Actu - Transmission sans fil d'énergie électrique sur de longues distances
    Par RSSBot dans le forum Commentez les actus, dossiers et définitions
    Réponses: 24
    Dernier message: 10/02/2009, 11h50
  3. Transmission sans fil
    Par inoxxam dans le forum Électronique
    Réponses: 4
    Dernier message: 14/04/2008, 19h36
  4. TIPE : transmission de données avec fil / sans fil
    Par Vincent62 dans le forum TPE / TIPE et autres travaux
    Réponses: 1
    Dernier message: 06/01/2006, 21h09
  5. Réseau sans fil (wireless)
    Par [RV] dans le forum Internet - Réseau - Sécurité générale
    Réponses: 8
    Dernier message: 17/06/2003, 11h46