Rapport entre N1 et la phase d'un transformateur

[invitef3378d91]

Bonjour,

Dans un de mes projets professionnels, je doit adapter une source capacitive (2ohms à -30°) à un dispositif d'acquisition (50ohms à 0°), à l'aide d'un transformateur d'adaptation d'impédance. Je dois aussi faire un tableau sous Excel permettant, en entrant l'impédance de la source (l'impédance de sortie de variant pas), de donner le N1 et le N2 idéaux du transformateur.

J'ai déjà déterminer le lien entre le module de l'impédance de sortie de mon transformateur et le rapport de transformation :

N2/N1 = (|Zsortie|/|Zentrée|)^(1/2)

Par contre je n'arrive toujours pas à trouver le lien entre le nombre de spire au primaire et la phase de l'impédance du transformateur.

J'ai éffectuer plusieurs mesures d'impédance (module et phase à l'aide d'un impédancemètre) et j'en est déduit un lien entre N1 et la phase. Mais je n'est pas d'équation pour calculer la phase du "transformateur idéal".

Si quelqu'un aurait une petite idée de ce que je cherche, se serais génial.
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[Tropique]

Hello,

Un transfo idéal ne peut adapter que le module, pas la phase.
Ce que tu cherches n'existe donc pas.
Des adaptations complexes se font avec des réseaux spécifiques, L, T ou p.ex.

[invitef3378d91]

Bonjour,

D'accord, en fait je fais une compensation de la phase de la source (-30° = capacitive) avec la phase du transformateur (+X° = inductive). Ce que je cherche c'est de déterminer X en fonction de N1. Dans les mesures que j'ai réalisées, pour un N1 = 1, la phase en sortie du montage est de -17° et pour un N1 = 2, la phase passe à 24°, tout en gardant un rapport de transformation de 5 (j'ai toujours environ 50ohms en sortie). Je voudrais déterminer le rapport exact entre le N1 et ce changement de phase, si c'est possible.

ps : Je ne sais pas si cela peut aider, mais j'utilise un tore ferrite pour le transformateur.

[gcortex]

un transfo parfait ne déphase pas

un transfo réel a une inductance de fuite
que tu peux accentuer avec un circuit magnétique supplémentaire non bobiné

sinon circuit RL avec L proportionnel au carré du nombre de spires
en gros avec Z = R + jwL tu as un angle de arctan (Lw/R)

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitef3378d91]

OK merci pour l'info.

Pour résumer, si j'ai -30° en entrée de mon transfo, je devrais les avoirs en sortie de ce dernier, dans le cas d'un transfo idéal !? Dans le cas d'un transfo réel, la compensation que j'observe est dû aux fuites inductives accentuées par le nombre spires au primaire !?

Petite remarque (non pertinente peut-être) cependant, une bobine est un circuit RL (résistance du bobinage et inductance)!? Ne se créait-il pas quand même une compensation de la phase?

Je cherche simplement à comprendre.

ps: le transformateur idéal dont je parle dans mon premier post, est en fait le transformateur optimale pour l'adaptation. (idéal (N1 et N2 pour avoir 50ohms à 0°), au lieu de tester 20 transformateur sur la souce et retenir celui qui convient le mieux).

[Tropique]

Si tu fais l'adaptation par le transformateur (ce qui ne semble pas une bonne idée), il y a deux possibilités (qui peuvent être mixées): soit utiliser l'inductance magnétisante pour faire une adaptation parallèle, soit utiliser l'inductance de fuite pour une adaptation série.
Avec un tore, l'inductance de fuite sera un résidu variable en fonction de l'homogénéité des bobinages, nulle s'ils sont parfaits. Ce n'est donc pas l'idéal.
L'inductance magnétisante va dépendre de Al, qui est définie de façon très lâche pour un tore ferrite (en général, c'est plutot une valeur minimum garantie). Ce sera donc très imprécis.
L'inductance vaut n²Al. En plus, comme tu l'as constaté, la granularité du réglage est très grossière.

[invitef3378d91]

soit utiliser l'inductance magnétisante pour faire une adaptation parallèle, soit utiliser l'inductance de fuite pour une adaptation série.

Je ne comprend pas bien ce que tu veux dire mais je vais chercher par là.

ps : Un rapport avec les circuit LC en L, pi et T ?

[Tropique]

Pour compenser la partie capacitive de l'impédance, tu peux mettre une self en série ou en // (pas les mêmes valeurs évidemment, à calculer pour chaque cas).

[invitef3378d91]

D'accord, en cherchant c'est bien ce que j'avais trouvé. Merci pour l'info. Dans mon cas je met une self (transfo) en parallèle à la capacité (traducteur US).

[invitef3378d91]

Je viens de trouver "la" solution à mon problème. En mesurant le Xc du traducteur US, et en prenant XL = Xc, les phases se compensent et donc s'annulent. A partir de là je peux faire mes calculs pour trouver le N1 grâce au XL. Par contre j'aurais une petite question. En prenant comme bobine compensatoire la bobine au primaire du transformateur, et comme vous avez dit précédemment qu'un transformateur ne créer pas de déphasage, j'en déduis qu'avec un N2 = 5*N1, j'obtiens bien nue impédance en sortie de mon montage(traducteur + transformateur) = 50ohms et 0° ? Ou alors le faite d'avoir un secondaire pose problème?

[Tropique]

Le transfo va se comporter de façon idéale, puisque son inductance magnétisante est incorporée dans l'impédance globale du primaire, qui est ensuite rapportée au secondaire.

Indépendamment du transformateur, il faut aussi tenir compte du fait que le module de l'impédance qui était originellement de deux ohms va légèrement augmenter suite à la compensation //.
Pour 30° au départ, ça ne doit pas être beaucoup, mais il vaut quand même mieux faire le calcul pour voir si un ajustement du rapport est nécéssaire.

[invitef3378d91]

J'ai fait mes calcul pour R=Z, sans réactance, donc mon rapport de transformation devrait être bon. Je suis parti du principe que l'on voulait obtenir une phase nulle, j'ai donc fais mes calculs en conséquence. Résistance de la charge égale à l'impédance de sortie du transfo et donc égale à la résistance de sortie de mon transfo.

J'ai fais mes calculs et j'ai obtenu un N1 bien inférieur (0,2 tours) à ce que je trouve en pratique (N1=1, phase en sortie du montage = -17°).

Y'aurait-il une influence du secondaire quand même? Ou bien cet écart viens d'autre chose?

[invitef3378d91]

Un paramètre que je n'avais pas pris en compte pour mon calcul du nombre de tours, c'est l'évolution du AL en fonction de la fréquence. Je passe de 0,2 tours à 0,426 tours. Y'a du mieux mais je n'atteint toujours pas environ 1,4 tours.

Si quelqu'un aurait une idée de ce que j'aurais pu oublier d'autre ?

[Tropique]

Il faudrait mettre des chiffres là-dessus: datasheet de la ferrite, fréquence de travail, etc.
Il est difficile d'estimer l'influence des effets parasites sans bases quantitatives de discussion.

[invitef3378d91]

Effectivement, excusez moi d'avoir omis certains paramètres.

Je travail à 2MHz. Je n'ai pas la datasheet de la ferrite, mais je sais que son AL est de 2100 à +/- 25%. D'après mes mesures, le AL décroit et sort de l'intervalle de tolérance vers 500kHz, à 2MHz, il vaut environ 490. Mon traducteur US possède une impédance de 2ohms (entre 1,7 et 2,1) à -30°. Son R est de 1,4ohms et son Xc de -0.9 ohms (environ car je n'arrive pas à obtenir deux fois les même valeurs, mais de l'ordre des valeurs données). La résistance de la charge est de 50ohms à 0°. Je veux adapter le 2ohms -30° à 50ohms 0°.

Pour compenser la partie capacitive de la source, je fais XL = Xc. Puis j'en déduit mon L (primaire) par la formule : L = XL/(2*pi*f)

La valeur de L est calculé pour obtenir une phase nulle.

Puis à l'aide de la formule : N1 = racine(L*1000/AL), j'en déduit le nombre de tours nécessaire afin de réaliser l'inductance à la bonne valeur.

Puis le calcul : N2/N1 = racine(Rcharge/Rsource), me donne le rapport de transformation = racine(50/2) = 5. Puis je multiplie N1 par 5 et j'obtiens N2, et mon transformateur est "normalement" conditionné pour obtenir en sortie du montage traducteur+transfo, 50ohms à 0°.

Normalement mon adaptation d'impédance devrait être optimale.

Le problème est que par le calcule j'obtiens un L en nH au lieu de l'avoir en µH. Ce qui me donne un N1 de 0,5 au lieu d'un N1 de 1,3 (approximativement, car pour N1=1, j'obtiens -17° et pour N1=2, 24°). Je ne sais pas vraiment d'où viens cette différence.

J'ai bien pris en compte (ce que je n'avais pas fais auparavant) du changement de AL avec la fréquence. C'est pour cela que j'obtiens un N1 de 0,5 au lieu de 0,2, mais le N1 reste insuffisant.

[Tropique]

Première remarque, pour mesurer des impédances aussi basses à cette fréquence, il faut prendre des précautions paranoiaques, en particulier avec le cablage: moins de 160nH à 2MHz ont un module d'impédance aussi élevé que ton transducteur.
Je ne sais pas si tu visualises bien ce que c'est 160nH....
Si tu fais la mesure au VNA, il faut calibrer ton set-up jusqu'au ras du transducteur, sans un seul mm de plus. C'est probablement l'explication de :

(environ car je n'arrive pas à obtenir deux fois les même valeurs,

Deuxio, tu fais l'adaptation de manière incorrecte: X_L = X_C , c'est valable pour une adaptation série. Ici, ton inductance magnétisante est en // sur le (1.4-j0.9), et c'est cela dont il faut annuler la phase. La valeur ne sera pas la même.

Mais, bon tout cela reste assez académique, en pratique ça ne vaut pas grand chose: les éléments parasites et les imperfections des composants (ferrite notamment) sont tels que les résultats que tu obtiendras seront sans grande valeur, même en utilisant les formules correctes.

Il vaut mieux employer une autre stratégie: faire un transfo qui est à peu près bon, p.ex. 2 spires/10spires, le monter avec le transducteur exactement comme dans la situation réelle, et faire les mesures côté secondaire.
Ensuite, par calcul réfléchir les paramètres au primaire, et sur cette base calculer le transfo final, et l'adaptation nécéssaire.
Et pour la phase, il vaut mieux ne pas trop compter sur le transfo, pour toutes les raisons que j'ai déjà évoquées précédemment, et qui visiblement se confirment.
Une petite self ajustable en série avec le secondaire donnera des résultats bien plus cohérents.

Enfin, il faudrait voir s'il n'y a pas d'autres contraintes pour le transfo: le transducteur fonctionne-t-il uniquement en réception?

[invitef3378d91]

1 - J'utilise un impédancemètre qui me permet de visualiser du nH sans problème sur une plage de fréquence très grande ou très petite(1Hz - 100MHz max sur l'écran et par exemple de 1,999MHz - 2,001MHz pour avoir une courbe représentant les variations en nH).

2 - Dans un exemple d'adaptation d'impédance (http://pagesperso-orange.fr/f6crp/el...circuit_lc.htm) par circuit LC, il rajoute un condensateur en parallèle d'une inductance et marque XC=XL, pour obtenir une phase nulle.

3 - C'est ce que je compte faire "un transfo à peu près bon". Je ne veux pas avoir exactement 50ohms à 0° mais un résultat très proche. Je peux aller jusque 55ohms (ou 45ohms) à -2 ou +2° (Je préfèrerais +2° pour compenser une partie de l'effet capacitif dans mon coax reliant le transfo à la charge).

Je met du temps à répondre, et j'en suis désolé, mais je fabrique d'autres transformateur entre temps pour faire des tests sur d'autres tores ferrites. J'ai d'ailleurs réussi à obtenir 58ohms à -1° avec une ferrite avec un AL nominal de 1015. Je me suis aperçu en écrivant ce message et en regardant mes tableaux de mesure, que cette ferrite ayant un AL lpus faible que la ferrite utiliser habituellement, mais qui présente un AL de 594 moyen à 2MHz. J'ai mis un N1 de 1,3 spires et un N2 de 5,7 spires (approximativement, c'est pas facile de savoir sur un tore).

Le problème est qu'ils utilisent uniquement un transformateur, et que je doit par conséquent utiliser uniquement un transformateur.

Le traducteur fonctionne en émission et en réception.

[invitef3378d91]

Dans le lien que j'ai mis, il y a une formule qui convertis une réactance série en parallèle. J'ai appliquer cette formule et je retombre approximativement sur le nombre de spires que j'ai appliqué sur mon transfo.

Ce sujet est donc résolu, puisque j'ai trouver le rapport entre le N1 et la phase en sortie de mon transfo.

Y'aurait-il un bouton "résolu" ou quelque chose du genre?

[Tropique]

Dans le lien que j'ai mis, il y a une formule qui convertis une réactance série en parallèle. J'ai appliquer cette formule et je retombre approximativement sur le nombre de spires que j'ai appliqué sur mon transfo.

On a fini par y arriver

Ce sujet est donc résolu, puisque j'ai trouver le rapport entre le N1 et la phase en sortie de mon transfo.

Y'aurait-il un bouton "résolu" ou quelque chose du genre?

Pas sur ce forum, mais ce n'est pas nécéssaire, ça peut rester ainsi.

Mais même si tu considères le problème comme résolu, je trouve cette solution peu satisfaisante.
Je conseillerais au moins de remplacer le tore de ferrite par un tore en poudre de fer, qui aura un µ_apparent plus faible et mieux défini, ce qui permettra d'employer des nombres de spires plus élevés, permettant une meilleure granularité de réglage, un bobinage plus homogène, et donc une meilleure reproductibilité.

En plus, ton transducteur fonctionne également en émission, et c'est en fonction de cela qu'il faudrait définir le nombre (minimal) de spires, pour rester dans des limites acceptables pour le matériau magnétique.
Avec les faibles nombres de spires qu'imposent la ferrite, ces limites seront dépassées dès que l'on essaiera de faire passer un peu de puissance

[invitef3378d91]

Le remplacement du tore ferrite par un tore en poudre de fer est prévu. J'ai eu le même raisonnement, plus le AL est faible, plus on fait de tour et donc plus on est précis. Je ne sais pas quand la commande de tore en poudre de fer se fera, mais je pense en effet pouvoir obtenir un outil Excel fiable. Cet outil permettra de faire le calcul automatique du nombre de spires à appliquer au primaire et au secondaire du transformateur en entrant le Rc et le Xc du transducteur.

Un grand merci pour ton aide.