Circuit électrique pour transfert d'énergie sans fil

[Souriceau2]

Bonjour !
J'aimerai avoir votre avis sur un circuit que j'ai conçu pour piloter un coupleur inductif dans le cadre de mon TIPE. J'ai prévu de le réaliser en partie ce midi pour vérifier si le principe fonctionne. J'ai joint une capture d'écran issu de LTspice XVII. J'ai cependant un petit soucis ! Je ne parviens jamais aux bornes du circuit résonnant n°2 à atteindre la tension de 0.6V nécessaire pour pouvoir permettre au pont de Graëtz de commuter correctement. Résultat des courses : le signal est légèrement redressé mais il est loin d'être continu. Pourrais-je avoir votre sentiment sur ce circuit ? Les valeurs d'inductance et de capacité pour le circuit résonant primaire et secondaire sont peut-être mal choisies. De même, j'ai peut-être mal utilisé la simulation du transformateur pour simuler mon couplage inductif. Merci d'avance pour vos réponses.

La première partie du circuit (en commençant par la gauche) est un oscillateur produit des signaux carrés ayant une amplitude maximale de 22V. Il est suivi d'un montage à collecteur commun avec un transistor NPN. Ensuite vient le circuit résonnant aux bornes. De l'autre côté, on trouve un circuit résonnant, un redresseur et un condensateur de lissage.
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[Souriceau2]

Edit : en "bidouillant" un peu, il semblerait que j'ai très mal choisi la capacité de lissage !

[invite03481543]

Bonjour,

si tu postais ton fichier de simu nous gagnerions du temps.
Poste le en zip.

[Souriceau2]

Le voici, je n'avais pas pensé à le mettre dans un fichier .zip pour le transférer ! Le fichier est au format .asc

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

Bonjour,

1. Oscillateur :
Le montage est relativement complexe dans la mesure où il contient plusieurs éléments enchainés devant tous fonctionner pour que le circuit fonctionne bien : oscillateur, amplificateur, circuit résonnant, redressement et filtrage.
S'agissant d'un premier prototype destiné à travailler sur la transmission d'énergie sans fil, je conseillerais de commencer avec un GBF plutôt qu'avec un oscillateur à AOP. Cela permettra par ailleurs de plus facilement faire varier la fréquence de commutation.
Néanmoins :
- La résistance de 441 Ohm est faible, il serait préférable de la passer à 4.4k et de diviser Cf par 10.
- le OP37 est trop lent pour l'application considérée. En utilisant mes valeurs pour le RC, tu observes que la tension de sortie de l'AOP est trapezoïdale plutôt que carrée. Il serait par ailleurs préférable d'utiliser un comparateur qu'un AOP.
- la tension en sortie de l'AOP étant fixée, R5 et R11 sont inutiles.
- Sur ta maquette, pense à bien découpler l'alimentation du circuit intégré.
- étant donné la présence de R4, la source d'alimentation Vee est inutile.

2. Amplificateur
Il serait de très loin préférable d'utiliser un montage push-pull ou assimilable, basé sur deux transistors : un qui pousse la sortie au Vee, l'autre qui la tire au Vcc. Avec ton montage, la résistance de 10 Ohm :
- consomme une puissance non-négligeable,
- dégrade le coefficient de qualité du circuit résonant
- dégrade le transfert de puissance
- complexifie l'analyse en rendant le système asymétrique (tirage au zéro par une résistance de 10 Ohm vs. au Vcc par la faible impédance de sortie du NPN)
La sortie de l'AOP est en +/- 22 V alors que l'amplificateur ne peut délivrer que 0 / 22 V

3. Résonateur
Comment les éléments résonants ont-il été dimensionnés ? As-tu bien pris en compte l'impact du circuit branché au secondaire du transfo ?
Comment le transformateur a-t-il été paramétré en simulation ?
k == 1 correspond à des enroulement parfaitement couplés magnétiquement, ce qui n'est a priori pas le cas pour une transmission d'énergie sans fil.

4. Redressement et filtrage
La méthode classique pour choisir la capacité de sortie du circuit consiste à calculer la chute de tension observée en sortie, étant donnée la durée pendant laquelle la capa doit alimenter le circuit et le courant consommé par ce circuit.
Une autre manière de procéder consiste à choisir pour le filtre RC constitué par la capa de sortie C et la résistance de charge R une fréquence de coupure << la fréquence de résonance.
Ici, la charge de 0.5 Ohm correspond à un quasi-court-circuit. 22 ou 100 Ohm serait plus raisonnable.
Pour, encore une fois, travailler par étape, il serait préférable de brancher la charge directement en sortie du transformateur. Tu pourras ensuite ajouter le pont redresseur et le filtrage.

[Souriceau2]

Merci pour vos remarques, je vais reprendre le schéma dans ce sens. Je tiens cependant à conserver l'oscillateur à AOP. J'ai pris l'OP37 car son modèle était sur LTspice directement. Pour le résonateur, le dimensionnent c'est fait un peu "à l'arrache" malheureusement. J'ai pris les couples LC habituellement pris dans des chargeurs de téléphones sans fil et j'ai adapté les capacités en fonction de la fréquence de résonance à laquelle je me suis placé (En prenant et ). J'ai choisi K = 1 ici pour commencer, je ne préférais pas inclure tout de suite le caractère imparfait du couplage avant d'avoir un circuit à peu près correct. Est-ce que la simulation par LTspice, même si ce n'est pas ce qu'il y a de mieux, permet de bien vérifier que le circuit fonctionne (j'entends par là que un couplage inductif réel puisse être simulé correctement) ?

[Antoane]

Bonjour,

L'analyse d'un convertisseur résonant se fait souvent avec l'hypothèse de la "première harmonique" : on suppose que le courant est sinusoïdal, que toutes les harmoniques ont une amplitude négligeable. Cela permet de remplacer le pont de diode de sortie, al charge Rch, et le condensateur de filtrage par une résistance équivalent de valeur Rch*(pi/4)² (cela se démontre aisément en supposant la tension de sortie parfaitement filtrée et en faisant une analyse énergétique).
Sous cette même hypothèse, on peut remplacer tout ce qui est à gauche de l'amplificateur (incluant l'amplificateur lui-même) par un générateur de tension sinus - dont l'amplitude doit intégrer le facteur 4/pi venant de la décomposition en série de Fourier du carré.

A partir de là, tout le circuit est linéaire et doit être étudié en régime harmonique -- ce qui est relativement trivial.

Le transformateur est un composant un peu galère à gérer, le plus simple est de le supprimer en renvoyant au primaire toutes les impédances situés au secondaire. Il suffit pour cela, tu le sais, de multiplier ces impédances par le ratio de inductances au carré.
Tu te retrouves alors avec un simple circuit RLC qu'il est aisé d'étudier pour dimensionner C, et en estimer le Q.




LTSpice va te permettre de simuler le schéma que tu lui auras paramétré... Mais pas plus : si tu lui dis que k = 1 alors que k=0.8 dans la maquette (voire même k~0.01), alors les résultats n'auront évidement aucun intérêt.
Je ne suis pas sûr de comprendre ta question.

Quel genre de transmission d'énergie sans fil (application) vises-tu ? Cela permettra de se faire une idée sur le k.

[Souriceau2]

D'accord, je pensais que je n'avais pas besoin d'aller jusqu'à la modélisation théorique du transformateur comme vous le suggérez. Je vais me pencher dessus pour pouvoir sortir des valeurs cohérentes. L'objectif final est de pouvoir rechargé un téléphone (5V,1A continu en sorti du système).

Pour LTspice, je me demandais s'il était adapté à ce type de simulation et s'il était capable de gérer uniquement par l'intermédiaire de la directive K en SPICE le couplage inductif dans le cas où je me place correctement pour ça que reproduise théoriquement ce qui se passerait idéalement dans la réalité en ajustant bien sûr la valeur de k.

[Antoane]

Il faut trois paramètres indépendant pour décrire un système composé de deux circuits magnétiquement couplés. Divers paramètres peuvent convenir suivant le modèle utilisé, mais LTSpice utilise (k, L1, L2).
Cela permet d'entièrement décrire le système.