Montage amplificateur de courant et tension

[invite1707850f]

Bonjour,
dans le cadre de mon TIPE en math sup, j'étudie le transfert d'énergie par induction et je dois réaliser un démonstrateur (modeste), l'objectif étant de sortir du 5V,1A. Pour cela, je génère un signal d'une certaine fréquence (la fréquence de résonance de mon circuit LC au primaire dans le coupleur) à partir d'une carte d'acquisition SYSAM. Le problème c'est que ma carte SYSAM, elle ne sort que du 20 mA. J'ai besoin de monter à 2 A au moins pour être sûr d'obtenir 1A en sortie en prenant un rendement (très optimiste) d'à peu près 60% dans le coupleur.
Le démonstrateur est composé d'un premier étage d'amplification du signal en sortie de la SYSAM, d'un coupleur inductif (2 bobines couplés avec en série de chacune d'elle un condensateur pour compenser la puissance réactive issue du couplage), puis un redresseur-lisseur très basique (pont de Graëtz et capacité de découpage en parallèle) pour obtenir un signal continu avec les caractéristiques précédemment évoquées.
Je suis un peu perdu pour construire mon amplificateur en tension et en courant. Je pensais à un montage émetteur-commun classique. Pour un amplificateur en tension, je sais que je peux utiliser un montage inverseur ou non inverseur avec un AOP. Pourriez-vous me suggérer un type de montage pour obtenir le résultat souhaité s'il vous plaît ? Je précise que la fréquence du signal ne doit pas être modifiée.
Merci pour votre aide et bonne journée.
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[gienas]

Bonjour Souriceau2 et tout le groupe

... Je suis un peu perdu pour construire mon amplificateur en tension et en courant. Je pensais à un montage émetteur-commun classique. Pour un amplificateur en tension, je sais que je peux utiliser un montage inverseur ou non inverseur avec un AOP. Pourriez-vous me suggérer un type de montage pour obtenir le résultat souhaité s'il vous plaît? ...

Hum. Quand un mathématicien se met à parler d'électronique et utilise des mots "incompréhensibles", on a du mal à tout comprendre, ni même savoir si c'est possible.

Peux-tu donner les liens des liens de ta carte Sysam, ce qu'elle sort au juste dans le cadre de ta demande, et que doit sortir ton amplificateur, sur quel type de charge, ainsi que les alimentions avec lesquelles tu es autorisé à l'alimenter?

S'agissant d'un exercice, je t'invite à relire l'épinglé suivant qui le concerne.

https://forums.futura-sciences.com/e...-rappeler.html

[invite1707850f]

Ce n'est pas un exercice de cours. J'ai mis le manuel d'utilisation de la carte SYSAM SP5 que l'on utilise. L'amplificateur doit être capable de prendre en entrée un signal sinusoïdal 1V/20 mA (a priori) pour sortir un signal sinusoïdal de même fréquence que celui en entrée (la phase n'a pas d'importance) 9V/1A. Si je ne peux avoir qu'un amplificateur en courant, ce n'est pas grave car je peux ajuster la tension que fournit la plaque SYSAM jusqu'à 10V. L'amplificateur sera branché à un circuit résonnant LC série.

[f6bes]

Bjr à toi, On espére qu'il y aura un schéma de TON montage. Tu n'indiques pas la fréquence , mais je dirais qu'à priori,
n'importe quel AMPLI audio de qq watts devrait convenir.
attendons la validation de ton lien.
Bonne journée

[A voir en vidéo sur Futura]

[gienas]

Ce n'est pas un exercice de cours ...

Cours ou TIPE, mêmes règles.

... L'amplificateur doit être capable de prendre en entrée un signal sinusoïdal 1V/20 mA (a priori) pour sortir un signal sinusoïdal de même fréquence que celui en entrée (la phase n'a pas d'importance) ... 9V/1A ...

Dans "notre" langage, un signal sinusoïdal se spécifie par sa tension efficace admissible, avec une "consommation" nulle, c'est à dire une impédance d'entrée infinie.

Tes 1V sont-ils crête ou efficaces?

La sortie se précifie en tension, avec les mêmes critères. Il faut y associer la valeur de la charge admissible, ce qui va déterminer le courant qui pourra être délivré.

Logiquement, l'amplificateur délivre une tension, tu en fais ce que tu veux.

Il est cependant nécessaire de spécifier la bande passante dont on ne sait rien.

... la tension que fournit la plaque SYSAM jusqu'à 10V ...

Là carte est supposée convertir analogique vers numérique. Là, je ne suis plus.

... L'amplificateur sera branché à un circuit résonnant LC série.

Quel amplificateur à présent?

[f6bes]

Remoi,
Bon , ben je n'ai vu qu'un endroit ou ça cause de 800khz (et des poussiéres )
Mais pas vu ou s'effectue cette sortie sur la fameuse carte !
En gros c'est un ampli HF à 800khz et pont redresseur....rien que du classique!
Bonne journée

[invite1707850f]

Merci pour les précisions. J'ai mis en pièce jointe un schéma du montage envisagé. Je ne peux pas encore préciser la fréquence puisqu'elle est déterminée par la fréquence de résonance du couple LC et je n'ai pas encore choisi les composants. La carte d'acquisition SYSAM dispose de sorties analogiques et peut servir de GBF. Elle dispose d'entrées analogiques pour réaliser l'acquisition d'un signal. Je ne sais pas pour les 1V s'ils sont en valeur efficace ou en crêtes, je sais seulement que je veux en sortie de l'amplificateur une tension et un courant sinusoïdal à une certaine fréquence pour une tension de 9V crêtes, pas efficaces, et 1,5A. La fréquence serait de l'ordre du kHz. Je suis débutant en électronique, pourquoi la bande-passante ?

[Antoane]

Bonjour,

L'avantage de travailler avec un convertisseur résonant est qu'il est possible de l'attaquer avec un signal carré et de quand même avoir un courant - et donc un champ - très harmonique.
Or, il est généralement plus simple de réaliser un amplificateur fournissant un signal carré que sinusoïdal : il s'agit d'un simple demi-pont. La question se pose en particulier si tu veux accroitre la puissance transmise.

Même si tu ne t'en inspires pas directement, je pense que tu gagnerais beaucoup à étudier en détail ce fil : https://forums.futura-sciences.com/p...ess-power.html Les maths te paraitrons triviales, tout est expliqué avec les mains et permet de comprendre la physique sous-jacente (ce qui est toujours apprécié par rapport à un étudiant qui bien qu'ayant été capable d'écrire les équations n'en a pas vraiment compris le sens). Tropique donne par ailleurs quelques limites pratiques du montage et propose des valeurs de paramètres a priori pas évidents à estimer.
Ce post détaille en particulier l'intérêt d'un LC parallèle plutôt que résonant.

[invite1707850f]

Merci, j'avais déjà vu passer ce topique. Je vais me plonger dedans plus en détails alors

[gienas]

... J'ai mis en pièce jointe un schéma du montage envisagé ...

C'est en effet plus explicite pour un "oeil" électronicien.

Pourtant, et simplement pour satisfaire une curiosité bien légitime, ce serait sympathique que tu expliques le véritable but de ton expérience. que vient faire au juste la carte Sysam? Est-elle indispensable? Que reçoit-elle au juste du monde extérieur? Dans quel but? Qui choisit la fréquence à laquelle fonctionne le circuit accordé? D'où sort cette valeur "de l'ordre du kHz"?

Dans l'état actuel de ce que je lis ici, j'ai l'impression d'être sur une autre planète, d'où ma curiosité.

[Antoane]

Bonsoir,

Détail pratique : toutes les diodes ne conviendront pas pour faire le redresseur. Il faut des diodes relativement rapides (même si la résonance et la relativement basse fréquence aideront). La classique 1N400x est à éviter.
Il serait souhaitable d'utiliser des diodes Schottky, qui auront, qui plus est, moins de pertes que les diodes à jonction PiN. La 1n5817 à 1N5819 fonctionne jusqu'à 1A, la 1N5820-5822 jusqu'à 3A.
A défaut, la 1N4148 peut convenir (avec de fortes pertes par conduction) pour des courants jusqu'à 100 mA environ.

[gcortex]

Par expérience, les diodes PiN sont aussi très limitées en fréquence de commutation.

[Antoane]

Bonjour,

Ce n'est pas très important mais en fait, les diodes de puissance "classiques" (à commencer par la 1N400x) sont des diodes PiN.
https://www.electrical4u.com/power-diodes/

Mais c'est l'avantage des termes généralistes non-quantifiés (e.g. "rapide", "limité") qu'on utilise ici : leur sens dépend du référentiel

[gcortex]

Une diode c'est toujours une diode.
Elles sont toutes à effet d'avalanche, varicap etc

[invite1707850f]

@Antoane Oui il me faut des diodes capables de commuter rapidement, je m'étais orienté vers des diodes Schottky vu qu'il est probable que je monte à des fréquences assez élevée. Le problème, c'est que je n'ai aucune valeur numérique à fournir, tout se fera en fonction du matériel dont je pourrais disposer.

@gienas Le but de ce montage est de valider la modélisation théorique qui va permettre le dimensionnement du système. La carte SYSAM est simplement là pour remplacer un GBF. Elle peut être contrôlée par le logiciel Latis Pro qui permet de rentrer une fréquence, une amplitude de signal et sa nature. Elle est plus intéressante à utiliser que le GBF car on peut réaliser l'acquisition de signaux à différents endroits du circuits et le comparer au signal de sortie de la carte. Un GBF ferait très bien l'affaire mais le problème, c'est que je ne peux pas régler très finement les caractéristiques du signal et que je n'ai pas accès à sa documentation. En réalité, je pourrais très bien prendre n'importe quel générateur mais tant qu'à faire, la plaque SYSAM permet de réduire un peu le montage.
J'ai été un peu imprécis. Dans l'état actuel des choses, j'essaye péniblement d'avancer sur ma modélisation théorique pour pouvoir dimensionner le coupleur ce qui me donnera accès au dimensionnement des autres parties du circuit.

[invite5637435c]

Bonjour Souriceau2,

Dans l'état actuel des choses, j'essaye péniblement d'avancer sur ma modélisation théorique pour pouvoir dimensionner le coupleur ce qui me donnera accès au dimensionnement des autres parties du circuit.

Comme je te l'avais dit en forum physique, l'approche par la méthode du premier harmonique est la plus répandue et permet un pré-dimensionnement acceptable.
C'est ce que tu retrouves dans la remarque d'Antoane.
Ce type de montage fait appel à la résonance entre l'inductance primaire et son condensateur série associé et fonctionne à la manière d'un filtre passe bande, de cette façon le courant primaire est quasi sinusoidal ainsi que le secondaire par le principe du transformateur.

Toutes les harmoniques secondaires sont filtrées par le réservoir résonant.
Par ce principe la charge réfléchie du côté secondaire du transformateur au côté primaire, lorsque seul le fondamental est prise en compte, peut s'exprimer par:

Rsp(ac)=8*N²*Ro/pi² avec N le rapport de transformation

A ce stade, pour réaliser ce type de couplage il y a deux concepts importants à prendre en considération: le facteur de qualité et le phénomène de bifurcation.

Le facteur de qualité Q peut être défini d'au moins trois manières:
1/ le rapport de la puissance réactive sur la puissance moyenne.
2/ une indication de la quantité d'énergie stockée (transfert continu d'un élément réactif à l'autre) par rapport à celle dissipée.
3/ le rapport de sa fréquence de résonance à sa bande passante, plus le facteur de qualité sera élevé plus la résonance sera forte et plus la qualité du filtre sera élevée.

La 3/ est la plus commune et facile à mesurer dès lors qu'on dispose d'un générateur de fréquences variables et d'un oscilloscope.
A la résonance on sait que LCw0²=1 et on peut écrire que Lw0=1/Cw0 et en introduisant la dissipation par résistance de perte R il vient Lw0/R=1/R*C*w0

Avec Q=L*w0/R on voit que R (la résistance du fil en cuivre de la bobine) est importante pour maintenir un bon facteur de qualité du système couplé.

Le facteur de qualité vu du primaire vaut Qp=Lp*w0/(Rp+Rr) avec Rr la résistance du secondaire réfléchie au primaire et qui vaut Rr=w0²M²/(Rs+RL) avec RL la résistance de charge et M le facteur de couplage mutuel.

Dans la pratique il faut bien comprendre qu'un facteur de qualité élevé apportera des contraintes et des précautions seront à prendre sur le choix des composants, notamment sur les condensateurs qui seront soumis à une tension d'autant plus élevée que le facteur de qualité sera élevé.

Concernant brièvement le phénomène de bifurcation:
Un système de transfert de puissance inductif résonnant est un circuit à double accord, c'est-à-dire que deux condensateurs sont ajoutés pour former deux réservoirs résonants avec les inductances de bobines primaire et secondaire.
Le condensateur primaire est choisi de telle sorte que l'onduleur haute fréquence qui agit comme source d'alimentation principale ait un déphasage courant-tension le plus faible possible, c'est-à-dire que la tension et le courant primaire sont en phase.
Dans un tel circuit à double accord, il est très courant d'avoir plus d'une fréquence à angle de phase nul.
Ce phénomène, où plusieurs fréquences coexistent, est connu sous le nom de bifurcations ou de division de pôles.
L'identification de fréquences multiples est cruciale pour l'efficacité du système et la capacité de transfert de puissance.
Notamment quand des variations rapides de la charge ou des variations de paramètres viennent influencer le système, cela peut jouer fortement sur la stabilité.

Il serait trop long de détailler plus avant ce phénomène mais ce que je voulais soulever c'est que l'approche "idéalisée" du modèle cache des aspects (pratiques) plus complexes qui dépendent très fortement du milieu et de l'environnement, du choix des matériaux, du choix des fréquences et des composants, du type de charge.
Sans prendre en compte ses aspects les résultats peuvent s'avérer décevants et offrir un rendement faible, juste bon pour une démo mais sans intérêt réel et pratique.
C'est d'ailleurs pour ces raisons que le transfert d'énergie à distance à longtemps été mis de coté, c'est seulement lorsque la théorie a été formalisée que ces solutions ont connus un regain d'intérêts et pu donner lieu à des réalisations concrètes depuis.
A l'époque Tesla, qui avait repris les travaux de Hertz, avait mis en évidence ce concept par quelques expérimentations mais sans en comprendre réellement les mécanismes théoriques.
C'est pour cela que par la suite furent largement développées les applications "signaux" qui elles avaient un fondement bien assis depuis les théories et démonstrations de Hertz et il fallut attendre les années 70 pour que les théories sur le transfert d'énergie sans fil puissent de nouveau être reconsidérées et exploitées efficacement.
Bonne suite à toi, tu verras que ce domaine est fort passionnant

[invite1707850f]

@HULK28 Merci pour ces explications, cela éclaircit de très nombreux points que je ne comprenais pas !!