Transducteurs et transformateurs piézoélectriques

Transducteurs et transformateurs
piézoélectriques
Séminaire 3EP
14 décembre 2006
Transducteurs piézoélectriques
• Définition: Un transducteur est un dispositif
convertissant une grandeur physique en une autre.
• Effets piézoélectriques:
- effet direct: un effort mécanique donne naissance
à un potentiel électrique
- effet inverse: un potentiel électrique donne
naissance à un effort mécanique
Champ d’applications
• Effet direct les capteurs
- choc,
Capteur de pression 100 bars
- pression,
- mesures acoustiques,
- accéléromètre,…
• Effet indirect les actionneurs
Actionneur à bas cout
- rotatif,
- linéaire,
- multi degrés de liberté,
- injecteurs automobiles
Mini microphone
Actionneur linéaire
Champ d’applications
Télémètre
• Effet direct + effet indirect
- sonar,
- télémètre,
- échographie,
- filtrage acoustique,
- transformateurs,…
Image par ultrasons
Transformateur survolteur
Principe du transformateur
I1
I2
F
ceramique 1
ceramique 2
V
Comparaisons
caractéristiques
Transformateur
électromagnétique
Transformateur
piezoelectrique
rendement
83%
93%
Epaisseur
2.8~3.5mm
1.9mm(1W),
2.4mm(1.8W)
EMI
High
Low
défaillance
Court-circuit
Circuit ouvert et cassure
Quelques architectures
Transformateur type Rosen
- Grand gain en tension
- Importante impédance interne
Transformateur mode épaisseur
- Grande densité de puissance
- Faible gain en tension
Transformateur mode radial
- Grande densité de puissance
- Faible gain en tension
- Modes vibratoires distincts
Structure innovante
Etude et réalisation d’un transformateur en mode
de flexion
- Application aux systèmes embarqués en
environnement difficile
- Convertisseur DC/DC dévolteur 10W
Applications courantes
• Rétroéclairage d’écran LCD
• Lampe à cathode froide
• Alimentation pour Tube photomultipliers
• Alimentation pour systèmes embarqués
• Isolation galvanique de capteurs
•
Commande rapprochée de transistors
• …
Caractérisation du matériau
3 z
6
polarisation
T3
T2
4
1
5
x
Domaine mécanique
T, contraintes
S, déformations
T1
2
y
Domaine électrique
E, champ électrique
D, déplacement électrique
Les équations de la piézoélectricité
• Relations constitutives
Couple de variable
(T, E)
(S, D)
Relations piézoélectriques
S = s ET + d t E
D = dT + ε t E
E = − hS + β S D
T = c D S − ht D
E = − gT + β T D
(T, D)
(S, E)
S = s DT + g t D
D = eS + ε S E
T = c E S − et E
Les équations de la piézoélectricité
• Relations constitutives
S = s ET + d t E
D = dT + ε t E
Type
Symbole
Définition des matrices
Unités
Electrique
ε
permittivité
Mécanique
sE
matrice de souplesse élastique à
champ électrique constant
m2.N
Piezo
d
matrice des constantes de
charge
C .N-1 ou m.V-1
Modélisation
Modèle mécanique ou électrique?
Analogie entre grandeurs mécaniques et électriques
Grandeur
électrique
Grandeur
mécanique
Unité
Tension
V
Force
Courant
A
Vitesse
Charge électrique
C
Déplacement
Résistance
Ω
Amortissement
Capacité
F
Souplesse
Inductance
H
Masse
Unité
N
m/s
m
N.s.m-1
m.N-1
kg
Schéma électrique équivalent
Domaine électrique
primaire
R d1
1:Ψ 1
Domaine mécanique
L
R
C
w
Domaine électrique
secondaire
Ψ2:1
R d2
V1
V2
C d1
C d2
Schéma simplifié
R
L
C
1:N
V1
C d1
R d1
R d2
V2
C d2
Caractéristiques du transformateur
Phase
80
0.3
60
0.25
40
20
0
0.2
0.15
-20
0.1
-40
0.05
-60
50
52
54
56
58
frequence (kHz)
admittance d'entrée
0.35
Admittance
Phase (°)
100
60
0
62
50
52
54
56
58
frequence (kHz)
62
Rendement (%)
140
100
120
80
Rendement (%)
Voltage Gain
Gain en tension
60
100
80
60
60
40
20
40
20
50
52
54
56
58
frequence (kHz)
60
62
0 0
10
10 2
10 4
10 6
Charge resistive
10 8
Mise en œuvre du transformateur
• Dimensionnement adapté à la charge
– grEM3: Utilisation d’algorithmes déterministes
• Asservissement de la fréquence aux alentours
de la résonance
• Dissipation thermique
• Comportement capacitif – alimentation adaptée