Projet Sabre Laser Projet ENUM-ENPU GE4

Rapport final

Priscille Cadart

Camilo Andrés Martinez Quijano 02/06/2014

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Table des matières

Introduction ....................................................................................................................................................... 3

I. Analyse du système ............................................................................................................................... 4

A. Analyse fonctionnelle ....................................................................................................................... 4

B. Contraintes ............................................................................................................................................ 4

II. Comparaison des solutions possibles ............................................................................................ 5

A. Système abaisseur de tension 11,1 → 3,3V .............................................................................. 5

B. Convertisseur alimentant les LEDs ............................................................................................. 6

III. Dimensionnement des composants principaux ......................................................................... 8

A. Hacheur abaisseur (Buck) et régulateur ................................................................................... 8

B. Amplificateur de classe D ................................................................................................................ 9

C. LEDs de puissance .............................................................................................................................. 9

D. Hacheur élévateur-abaisseur (Cùk) ..................................................................................... 10

E. Asservissement ................................................................................................................................ 19

IV. Routage et essais ................................................................................................................................. 20

A. Routage des cartes de test ........................................................................................................... 20

B. Premiers tests sur le hacheur Cùk ............................................................................................ 22

C. Régulation de courant ................................................................................................................... 23

V. Problèmes rencontrés et solutions apportées ......................................................................... 25

A. Hacheur Buck .................................................................................................................................... 25

B. Régulation .......................................................................................................................................... 26

C. Ampli de classe D ............................................................................................................................. 26

VI. Fonctionnement final ........................................................................................................................ 28

A. Routages finaux ................................................................................................................................ 28

B. Fonctionnement de l’alimentation 3V ..................................................................................... 29

C. Régulation de courant et hacheur Cùk .................................................................................... 30

Conclusion ................................................................................ Fout! Bladwijzer niet gedefinieerd.

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Introduction

Dans le cadre du projet d’électronique de puissance et d’électronique

numérique pour la spécialité génie électrique, il nous est demandé de réaliser un

sabre laser. Celui-ci devra respecter un cahier des charges imposé, qui consiste en

l’émission de 5 sons, associés à 5 intensités lumineuses, différents. Ceux-ci

correspondront à 5 phases de fonctionnement du sabre : l’allumage, l’arrêt, le

repos, le mouvement et le choc.

Ce projet se décompose en 3 parties : partie mécanique, partie puissance et

partie commande. La conception mécanique a déjà été réalisée : le manche et la

lame sont déjà faits, nous devrons juste travailler cette dernière pour qu’elle

garde la lumière. Notre travail se concentre alors sur la partie puissance et la

partie commande. Le synopsis général du projet est donné par la figure 1.

Figure 1 - Synopsis général

Ce rapport concernera uniquement le travail lié à la partie puissance. Nous

commencerons par faire un rappel sur la phase de pré-étude et les raisons des

choix des solutions mises en œuvres. Puis nous expliquerons en détail notre

démarche pour dimensionner les composants principaux et nous présenterons

les résultats des premiers essais pratiques. Enfin, nous présenterons les résultats

des tests de mise au point de l’objet final.

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I. Analyse du système

A. Analyse fonctionnelle

Sur la partie puissance, les fonctions à réaliser seront concentrées sur la

partie du synopsis représenté en rouge sur la figure 2.

Figure 2 - Synopsis puissance

La conception consistera donc à choisir et mettre en œuvre : un

convertisseur continu-continu pour alimenter la carte de commande, un autre

convertisseur continu-continu pour alimenter les LEDs de puissance, ainsi qu’un

amplificateur pour alimenter le haut-parleur.

B. Contraintes

Ce sont les contraintes qui nous permettrons de fixer les critères de choix

pour les solutions technologiques.

Tout d’abord, certains composants sont imposés. C’est le cas de

l’accumulateur LiPo, de tension 11.4V. On impose également le modèle des LEDs :

LUXEON REBEL. Les composants d’électronique numérique, c’est-à-dire de

commande, ainsi que l’accéléromètre sont également imposés. Ils doivent être

alimentés par une tension de 3,3V. Par ailleurs, le volume sonore nécessaire pour

un tel objet implique la mise en œuvre d’un haut-parleur d’une puissance

d’environ 3W.

Ces critères nous indiquent que nous devrons choisir des convertisseurs

particuliers : un élévateur ou un élévateur-abaisseur de tension pour

l’alimentation des LEDs (suivant la couleur de LED choisie), qui nous permette

déréguler le courant, et un système abaisseur de tension pour l’alimentation de la

partie commande. Celui-ci doit être particulièrement précis, car l’accéléromètre

est très sensible aux surtensions.

De plus, dans la documentation technique de l’accumulateur LiPo, il est

indiqué que pour optimiser la durée de vie de celui-ci, il faut le décharger avec un

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courant le plus lisse possible. Cela pourra être un critère de choix des

convertisseurs.

Une autre contrainte sera l’espace : celui-ci est très limité, car les

dimensions du sabre laser sont imposées et réduites. Il faudra ainsi privilégier un

système qui demande le moins de composants possible.

II. Comparaison des solutions possibles

A. Système abaisseur de tension 11,1 → 3,3V

A partir des contraintes en tension de l’accéléromètre dont nous avons

parlé précédemment, nous avons décidé d’utiliser un système de régulation de

tension composé d’une part, d’un hacheur abaisseur et d’autre part, d’un

régulateur de tension, afin de supprimer toutes les possibles ondulations

produites par l’utilisation d’une alimentation à découpage.

1. Hacheur

On veut obtenir une tension constante de 3,3 V à l’entrée de l’accéléromètre

et pour y arriver on doit considérer toutes les alimentations à découpage

possibles, capables de réaliser cette fonction en prenant en compte leur

rendement et la quantité de composants nécessaires pour sa réalisation. On

pourrait penser à l’utilisation du régulateur linéaire, mais au niveau de

rendement on aurait des problèmes pour le fonctionnement avec l’accumulateur.

Hacheur Buck

L’alimentation à découpage la plus simple correspond au hacheur série qui

permet de limiter le volume des composants utilisés et d’obtenir un rendement

élevé. Ce hacheur est toujours de type abaisseur de tension. L’inconvénient de ce

type de montage par rapport à l’application envisagée est la discontinuité du

courant d’entrée puisqu’on voudrait décharger l’accumulateur à courant constant

pour augmenter sa durée de vie.

Hacheur Sepic

Ce montage a une caractéristique similaire à celle du hacheur Cùk, mais

sans être inverseur de tension, permettant le fonctionnement soit en abaisseur

soit en élévateur selon le rapport cyclique utilisé dans la commande du transistor.

La différence de ce montage par rapport au hacheur Buck est que le courant

d’entrée est complètement lisse, mais d’autre part, sa construction et ses calculs

deviennent beaucoup plus difficiles.

Le choix du type de hacheur dépendra des caractéristiques de la charge. Si

on alimente l’amplificateur classe D avec la sortie du hacheur, on pourrait avoir

besoin d’un courant de sortie qui soit suffisamment grand et qui ne présente pas

des grandes variations. S’il va être utilisé juste pour le PIC et l’accéléromètre, la

tension de sortie sera le facteur le plus important. Enfin, si tous les hacheurs

présentent un comportement similaire, le Buck sera le meilleur choix puisqu’il a

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besoin de moins d’éléments pour son fonctionnement et en plus si le courant

d’entrée n’est pas trop grand, on pourrait dire que la discontinuité ne sera pas

trop grave pour la décharge de l’accumulateur. Avec l’utilisation du régulateur

linéaire, les variations du courant de sortie ne seront pas un problème si grave

puisque ce dispositif sera chargé de le maintenir constante.

2. Régulateur linéaire

Il existe plusieurs types de régulateurs linéaires. Son utilisation dans ce

projet, même si on utilise un convertisseur du type hacheur est dû au

comportement de la tension de sortie, puisqu’elle présente moins de variations

pour un point de fonctionnement fixe que les alimentations à découpage.

Les plus communs sont les régulateurs de la famille 7833 puisqu’ils sont les

plus simples, mais ils ne présentent pas un très grand rendement. On trouve des

régulateurs de ce type avec une capacité de courant jusqu’à trois ampères. Il y en

a aussi du type ld1117 ou lm3940, qui ont une capacité pour des courants

maximums de 0.8 et 1 ampère respectivement. L’avantage de ces régulateurs est

qu’ils présentent une tension de sortie plus précise que celle de la famille 7833 et

une consommation plus petite.

B. Convertisseur alimentant les LEDs

1. Solutions possibles

Pour choisir une structure de hacheur, il faut d’abord considérer les types

de source que l’on veut mettre en relation. Ici, nous avons en entrée un

accumulateur, donc une source de tension. En sortie, on souhaite réguler le

courant circulant dans les LEDs, c’est donc une source de courant que nous

aurons.

De plus, la tension d’entrée sera de 11.4V. Or, nous avons choisi une

couleur de LED rouge, ce qui implique une plage d’alimentation valeurs

supérieurs et inférieurs de 11.4V, d’après la documentation technique des LEDS

Luxeon Rebel.

Notre choix de structure sera donc limité aux hacheurs élévateurs-

abaisseurs et à ceux mettant en relation une source de tension (ou

éventuellement de courant grâce à une inductance dans la maille d’entrée) et une

source de courant. C’est le cas des structures : Cùk, Zeta et Cùk-non inverseur. Le

nombre d’interrupteurs du Cùk-non inverseur étant deux fois plus grand qu’un

Cùk normal ne sera pas envisagée puisqu’il faudrait commander deux

interrupteurs au même temps et, de cette façon, utiliser deux PICs au lieu d’un

seul et utiliser plus de place pour le fonctionnement du système.

De plus, on utilisera forcément des inductances couplées sur le même

circuit magnétique, car cela réduit l’encombrement des composants et permet de

supprimer l’ondulation du courant de sortie avec des valeurs d’inductances

relativement petites.

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A partir de ces contraintes, on retrouve deux types de convertisseurs

répondant aux caractéristiques cherchées : Cùk et Zeta. Le premier permet de

faire une liaison entre deux sources de courant, ce qui permet d’avoir une sortie

de courant et un courant lisse en l’entrée du circuit. Son inconvénient est

l’inversion de la tension et courant de sortie par rapport à l’entrée. Le second

permet de faire une connexion entre une source de tension et une source de

courant. Son avantage est que les deux tensions et courant ont le même signe et

cela facilite l’asservissement de courant. L’inconvénient est la commande du

transistor puisqu’il n’est pas référencié à la masse et il faut faire un driver du type

« highside » qui peut devenir plus difficile à réaliser que le circuit lui-même.

2. Solution choisie

Pour pouvoir choisir correctement le hacheur à utiliser, on a réalisé des

simulations simples permettant de comparer le fonctionnement des deux

structures. Pour avoir des points clairs dans le comportement des deux hacheurs,

on a pris des conditions de simulations identiques.

Figure 3 : Comportement hacheur Cùk

Figure 4 : Comportement hacheur Zeta

On peut noter que le comportement des deux structures reste similaire

dans les mêmes conditions de travail, mais le Zeta présente une ondulation plus

petite que celle du Cùk dans le régime transitoire. Dans régime permanent, le

comportement est exactement le même.

8

Au moment de faire des simulations avec des LEDs en sortie du hacheur, on

retrouve des comportements similaires mais avec une ondulation un peu plus

grande dans le cas du Zeta.

A partir de ces résultats on a choisi la structure Cùk puisque la seule

difficulté qu’elle présente est la mesure de courant pour la commande du rapport

cyclique qui sera réalisé avec le PIC. Ce problème peut être traité avec l’utilisation

d’un amplificateur différentiel qui sera utilisé sur une résistance de valeur trop

petite afin de minimiser les pertes et l’effet sur l’efficience du système. De plus, la

recherche bibliographique a permis de trouver un amplificateur opérationnel

avec alimentation unipolaire qui permettra de faire l’asservissement à partir de la

seule alimentation du hacheur abaisseur et avec une bande passante suffisante

pour le système.

Or, l’utilisation d’un hacheur Zeta aurait aussi besoin d’un amplificateur

pour l’asservissement du courant et la quantité de composants resterait pareille

avec les deux structures. Cependant, la commande du transistor au niveau de

Driver sera beaucoup plus difficile avec ce type de hacheur et on aurait plus de

problèmes pour le driver du transistor que pour le fonctionnement du système

de façon précise.

III. Dimensionnement des composants principaux

A. Hacheur abaisseur (Buck) et régulateur

Comme dit précédemment, notre choix s’est porté sur un hacheur Buck.

Pour dimensionner, il nous a ensuite fallu caractériser la charge. Celle-ci consiste

en deux PICs consommant chacun au maximum 150 mA, un accéléromètre

consommant environ 10 mA et une mémoire 10 mA grand maximum. Nous avons

considéré que ces derniers consommaient au maximum 200 mA. Ainsi, il nous

faut un hacheur débitant au minimum 400 mA. On peut surdimensionner celui-ci,

au cas où on voudrait alimenter également l’amplificateur de classe D par du 5 V.

Il nous faut également un hacheur fonctionnant à une fréquence la plus élevée

possible, pour avoir les inductances et condensateurs les plus petits possibles.

1. Hacheur Buck : AP5100

Ces informations nous ont conduit à choisir un composant particulier, le

AP5100 fonctionnant à 1,4MHz et débitant jusqu’à 1,2A. Nous avons ensuite

dimensionné les inductances et condensateurs à utiliser en fonction des

ondulations de tension et de courant voulues, ainsi que de la valeur du rapport

cyclique. Ici le rapport cyclique doit être égal à = =

, = 0,44. On veut par

ailleurs limiter l’ondulation du courant à 0,1 A et l’ondulation de tension à 0,5 V.

En faisant l’étude du hacheur, on obtient :

∆ = .. d’où = .1−

∆. = 20. On prend la valeur

normalisée 22μH. De même pour le condensateur de sortie :

9

∆ = . ²." d’où #$ = .

∆%. ². = 17,9 (. On prend la valeur

normalisée 22 nF. Pour un fonctionnement correct, nous avons choisi un

condensateur de type XR7, fonctionnant avec des tensions jusqu’à 50V, et gardant

ainsi pleinement son comportement capacitif pour la tension de fonctionnement

utilisée ici (Vs=5V).

Nous avons dû par ailleurs calculer les résistances fixant la tension de

sortie sur le composant AP5100. Celles-ci sont calculées par les formules

suivantes venant de la documentation technique :

)1 = R2 × ,-./0,81 − 11

2. Régulateur

Pour ce qui est du régulateur, avec notre utilisation, il faut un régulateur

qui fonctionne pour une tension d’entrée d’environ 5V et une tension de sortie de

3V. Cela implique une différence entrée-sortie inférieur à 3V, il faut donc choisir

notre régulateur parmi les familles de LDO : low drop-out. Avec une plage de

tension d’entrée correspondante et un courant de sortie de minimum 400 mA,

puisqu’il alimentera les composants de contrôle. La tension de sortie ne sera

jamais modifiée, on n’a donc pas besoin d’un régulateur ajustable. On a choisi le

TC1262, qui débite 500 mA et sort une tension fixée à 3V.

Nous avons dû mettre en œuvre des condensateurs de filtrage à l’entrée et

à la sortie du régulateur. Pour filtrer les deux types de bruits, nous avons choisi

deux condensateurs : un de 1uF et un de 10uF.

B. Amplificateur de classe D

Le son produit par notre sabre laser proviendra du microcontrôleur qui

lui-même le lira dans une mémoire. L’amplificateur de classe D était donc un

choix naturel car il permet de facilement amplifier des signaux de type

numérique. Il est en effet commandé par un signal MLI (Modulation de Largeur

d’Impulsion). On peut complètement se passer d’un convertisseur numérique

analogique tout en obtenant une bonne qualité de son.

Nos critères de choix de l’amplificateur de classe D ont été : la gamme de

tensions d’alimentations et la taille du composant. Cela nous a amené à choisir un

driver de pont en H BD6221 qui peut être alimenté entre 3 et 18V.

C. LEDs de puissance

Avant de pouvoir réaliser le dimensionnement du hacheur on doit fixer les

caractéristiques principales de la charge. On sait que celle-ci sera composée de

quatre LEDs en série, mais on aura en plus une autre diode qui sera utilisé comme

protection dans le cas où la tension en sortie ait de valeurs négatives qui ne sont

pas supportées par les LEDs. Le modèle de LED est imposé : ce sera des LEDs

LUXEON Rebel. Nous avons choisi le modèle rouge.

On peut alors déterminer la plage de tension de fonctionnement du hacheur

en prenant les valeurs de courant minimal et maximal de travail pour les LEDs

selon les courbes caractéristiques trouvées dans la documentation technique.

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On note que le courant maximal est de 700 mA pour la couleur rouge et on a

fixé une valeur maximale de courant de 600 mA dans le fonctionnement de notre

système afin de protéger ces éléments pendant son fonctionnement. Comme la

luminosité doit changer avec les chocs, on place le mode « normal » du sabre à

500 mA. Ce qui permet d’avoir 600 mA pour augmenter la luminosité lors de la

rencontre avec un obstacle. De plus, on détermine une valeur minimale de 100

mA pour l’allumage de la LED et pour le principe et la fin de la rampe lumineuse.

Pour les trois valeurs mentionnées on cherche la tension correspondante

pour une seule LED et on multiplie cette valeur par quatre en supposant que

toutes les LEDs sont identiques. Puis, on augmente la valeur de la tension en

sortie en 0.7V à cause de la diode de protection et avec la relation liant l’entrée et

la sortie du système on trouve les différentes valeurs du rapport cyclique de la

partie commande.

234 = 9.99.9 + 11.4 = 0.465

289 = 14.514.5 + 11.4 = 0.56

4:2 = 13.713.7 + 11.4 = 0.545

De ces trois valeurs on voit que la plus importante est celle correspondante

au rapport cyclique maximal puisque si on la dépasse on ne peut pas assurer que

les LEDs puissent fonctionner après et qu’elles ne seront pas grillées. De plus, la

valeur minimale est nommée de cette façon parce que correspond théoriquement

à la plus petite valeur de courant de la rampe de luminosité, mais dans le cas réel

on peut trouver des rapports cycliques plus petits avec l’asservissement à

réaliser.

D. Hacheur élévateur-abaisseur (Cùk)

1. Dimensionnement simple : Sans couplage des inductances

A partir de ces résultats, on cherche à déterminer les valeurs des

composants du montage complet. Pour le faire, on suppose que les éléments sont

parfaits, que les courants d’entrée et sortie son constants, que le hacheur reste en

conduction continu et on ne fait pas encore le couplage des inductances.

A partir de cette analyse, on retrouve les équations caractérisant le

comportement du circuit par rapport aux valeurs d’ondulation de tension et

courant.

D’abord, on détermine la valeur de la capacité de stockage, pour le faire on

analyse le comportement de la tension dans cet élément en prenant compte la

nullité en valeur moyenne de son courant. Ainsi, on détermine l’expression de

l’ondulation de la tension dans l’élément en faisant l’analyse pendant une période

de fonctionnement :

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∆< = = ∗ # ∗

On fixe la fréquence d’opération du hacheur à 250 kHz et on se place dans le

cas le plus critique, c’est-à-dire, pour le courant de sortie maximale puisque cela

donnera l’ondulation dans cette tension la plus grande de tous les cas. On fixe,

ensuite, une ondulation maximale de 1 V pour déterminer la valeur de capacité à

prendre.

# = 0.6 ∗ 0.561 ∗ 250? = 1.3.

En suivant la même démarche, on peut déterminer la valeur des

inductances du hacheur qu’on suppose égales puisqu’elles présentent les mêmes

équations et le même comportement en régime permanant. On trouve d’abord les

conditions sur l’ondulation du courant des inductances, puisque on veut régler la

valeur du courant de sortie :

∆= = ∗ ∗

Avec la valeur de fréquence déjà choisie, on se place encore une fois dans le

cas le plus critique (rapport cyclique maximal) et on fixe une ondulation

maximale de courant de 150 mA permettant de trouver la valeur des inductances

du circuit.

= 11.4 ∗ 0.560.15 ∗ 250000 = 170.4.

Finalement, il est possible de déterminer la capacité de sortie pour limiter

l’ondulation de la tension. Pour le faire on suppose que le courant de sortie est

constant et que toute l’ondulation de courant traverse la capacité. Dans ces

conditions, on trouve :

∆" = ∗ 8 ∗ #$ ∗ ∗ @

Pour protéger les LEDs, on limite cette ondulation à 10 mV, encore dans le

cas le plus critique.

#$ = 11.4 ∗ 0.568 ∗ 0.01 ∗ 170.4 ∗ 10A ∗ 250000@ = 7.5.

Avec ces valeurs on réalise une simulation pour voir que le système répond

dans les limites posées et on trouve le résultat montré dans la figure suivante.

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Figure 5 : Caractéristiques initiales hacheur Cùk

On note qu’en régime permanent le résultat est celui attendu, mais le

comportement dans le régime transitoire n’est pas correct pour cette application

puisque on trouve un dépassement du courant en sortie assez grande qui ne sera

pas supporté par les LEDs et on pourrait les griller dans le démarrage du

système.

Pour améliorer le comportement du système on modifie les contraintes de

tension sur les capacités, ce qui permet de trouver finalement des valeurs de

capacités donnés au-dessous :

#$ = 150(

# 820(

Avec ces valeurs on améliore de façon importante le comportement du

système en sortie, avec des ondulations de 10 mA et 100 mV, mais en détériorant

fortement le comportement de la tension de la capacité de stockage et du courant

d’entrée. Néanmoins, les variables les plus importantes pour ce système sont

celles de la sortie puisqu’elles vont contrôler le comportement des LEDs et de

cette façon de la luminosité du sabre. Les résultats avec ces valeurs sont montrés

ci-dessous :

Figure 6 : Amélioration comportement hacheur Cùk

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2. Dimensionnement complet : Couplage des inductances

Pour réaliser le couplage on doit analyser l’effet que cela aura dans le

comportement du système et des variables qu’on veut réguler. Pour le faire on

part des équations de fonctionnement du circuit, en faisant spéciale attention à la

tension des inductances. On remarque que dans le cas du couplage, on cherche à

avoir une ondulation du courant de sortie égal à zéro.

B/ 1 ⋅ D3/D/ − E ⋅ D3@/

D/ =

Comme l’ondulation dans le courant de sortie est nulle, on peut supprimer

le deuxième terme de la soustraction et retrouver la même expression para L1

que dans le cas des bobines découplées.

=

FG

Mais, comme il est possible de limiter l’ondulation du courant de sortie

même si l’ondulation en entrée est relativement grande, on fixe une ondulation à

l’entrée de 200 mA.

= 11.4 ∗ 0.560.2 ∗ 250000 = 127.68.

A partir de la recherche des inductances de valeur commerciale, il n’est pas

possible de trouver des inductances couplées avec deux valeurs différentes pour

les inductances propres, donc comme dans le cas des bobines non couplées on

prend les deux inductances du hacheur de la même valeur.

Finalement, avec la même recherche bibliographique on a trouvé que le

coefficient de couplage de ces éléments est toujours entre 95 et 99%, ce qui

signifie que la valeur de l’inductance mutuelle est presque la même que celle des

inductances propres.

A partir des valeurs trouvées, on réalise des simulations du système pour

vérifier que les contraintes et limites posées soient respectées et le système

puisse fonctionner correctement. On a noté à partir des résultats que le

comportement n’était plus celui attendu parce qu’il fallait dimensionner encore la

capacité de stockage puisque dans le nouveau montage une ondulation trop

grande de la tension produit en effet négatif sur l’ondulation des courants.

En augmentant la valeur de la capacité de stockage à 270 nF, avec des

inductances propres de 150 uH et une mutuelle de 145 uH, on trouve le résultat

montré à continuation.

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Figure 7 : Comportement hacheur couplage des inductances

Ce résultat semble à être celui désiré mais on a pris une valeur d’inductance

mutuelle relativement petite, qui correspond à un coefficient de couplage de

96%. Commercialement, les valeurs de ce coefficient sont toujours au-dessus de

98%. Au moment de modifier la simulation avec ces valeur il devient difficile de

maintenir un courant de sortie avec une petite ondulation et au même temps

contrôler le dépassement du régime transitoire de ce courant pour que ne supère

pas les maximums des LEDs.

De plus, il est possible de noter quelques pulses de courant négatifs, avec

une durée de 4 us chacun, en entrée qui peuvent poser de problèmes pour le

fonctionnement du hacheur.

Finalement, on a noté qu’on peut contrôler l’ondulation du courant de sortie

avec la valeur de la capacité de stockage, mais les valeurs trop grandes vont

produire un dépassement du courant maximal des LEDs qui n’est pas possible

dans notre application et aussi augmente l’amplitude des pulses négatifs de

courant produits.

Le meilleur résultat possible jusqu’au moment est présenté ci-dessous, on

peut noter que l’ondulation des courants d’entrée et sortie n’est pas trop grande

et de plus, on limite le dépassement du régime transitoire. Les pulses négatifs ne

peuvent pas être supprimés mais, comme le système ne va pas démarrer à la

valeur maximale, l’amplitude sera plus limité et cela posera moins de problèmes.

On a fait cette simulation avec un coefficient de couplage de 98%.

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Figure 8 : Courants d'entrée et sortie avec différent coefficient de couplage

A partir des valeurs calculées, on a modifié chaque élément pour pouvoir

diminuer les ondulations de courant et améliorer le comportement du circuit,

spécialement au niveau de LEDs es sachant qu’il est possible de supprimer

l’ondulation de courant en sortie avec des petites valeurs d’inductance quand

elles sont couplées.

Pour le faire, on est parti des valeurs calculées et on a modifié chacune en

faisant attention au comportement du circuit et aux effets de chaque composant.

De plus, on a pris la résistance parasite de la batterie pour pouvoir noter les

caractéristiques du montage concernant la capacité d’entrée.

Par rapport à ce dernier paramètre, on note que son utilisation change

juste la valeur de l’ondulation du courant d’entrée, mais qu’avec les valeurs

petites de capacitance d’entrée et de sortie n’a pas vraiment un effet significatif

dans le fonctionnement du circuit.

Après, on a essayé de diminuer la valeur des inductances propres pour

diminuer le plus possible la taille du montage, tout en gardant le bon

fonctionnement. Sans modifier les autres composants, on retrouve un

fonctionnement qui n’a pas beaucoup changé, sauf pour une augmentation du

dépassement à l’allumage et une petite augmentation de l’ondulation (10% de

plus).

Pour revenir à la petite ondulation qu’on avait avant des modifications, on

agit sur les valeurs des capacités de stockage et d’entrée. Pour garder la priorité

des composants, on modifie d’abord la capacité de stockage puisqu’elle est celle

qui sert à contrôler les effets des inductances dans le comportement du circuit.

Comme on a pris une valeur plus petite d’inductance, on décide d’augmenter la

capacité de stockage afin de garder un rapport entre les deux valeurs et du

montage en général. Néanmoins, les variations de capacité n’ont pas un effet

linéaire dans le comportement du circuit et pour avoir une bonne réponse, il a été

nécessaire d’augmenter vingt fois la capacité pour avoir la moitié de l’ondulation

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dans le courant de sortie. De la même façon que l’inductance, on augmente encore

plus le dépassement du courant de sortie.

Ensuite, on a modifié la valeur de la capacité de sortie pour pouvoir

diminuer encore plus l’ondulation du courant de sortie. En augmentant cette

valeur quatre fois, on diminue encore l’ondulation et on peut arriver à la

vingtaine de milliampères au courant de sortie maximal.

Finalement, on a essayé d’améliorer encore plus le fonctionnement du

circuit par rapport au courant à travers les LEDs en modifiant encore les valeurs

déjà modifiées. On a fait spéciale attention à la valeur de la capacité d’entrée

puisque sa valeur n’était pas si grande en comparaison avec les autres capacités,

mais on n’a pas trouvé d’améliorations dans le comportement du circuit même en

courant d’entrée.

Les modifications réalisées au circuit donnent comme résultat le courant

de sortie qu’on peut observer dans la figure suivante. On note un pic de courant

de presque 2.5 ampères en sortie et de presque 20 ampères en entrée, mais

comme la simulation ne prends pas en compte la boucle fermée qu’on va réaliser,

on s’intéresse uniquement aux valeurs moyennes. Le dépassement et le temps de

réaction seront contrôlés avec le PIC d’asservissement de courant.

Figure 9 : Comportement Cùk après modifications

3. Prise en compte des imperfections des composants

A partir des améliorations du montage réalisées à partir des résultats des

simulations (avec une ondulation de 20 mA au courant maximal dans les LEDs et

un pic de courant de deux ampères en boucle ouverte) on a décidé de prendre en

compte les imperfections des composants. Pour le faire, on a dû trouver les bons

interrupteurs et aussi les bobines et capacités adaptés aux besoins du montage. A

partir des simulations, on a déterminé les contraintes de chaque élément afin de

pouvoir trouver les bons composants.

La recherche des composants permet de trouver les possibles éléments à

prendre pour la réalisation du montage avec les valeurs de ses imperfections

(résistances, chutes de tension, etc.). On essaie de regarder à partir des

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simulations les effets sur le fonctionnement du circuit de toutes les imperfections

possibles. Les résultats sont montrés à continuation :

Figure 10 : Comportement Cùk avec imperfections

Avec l’apparition des imperfections dans le circuit, on peut trouver une

amélioration dans le comportement du circuit au niveau du courant en entrée et

en sortie. D’une part, on est capable de reconnaître le pic de courant en entrée à

l’instant zéro servant à charger la capacité d’entrée du circuit. D’autre part, la

prise en compte des résistances parasites des composants réels, spécialement au

niveau des bobines, limite le courant traversant le circuit et de la même façon son

ondulation, ce qui permet d’avoir dans ces conditions, une ondulation de 10

milliampères en sortie.

Même si le résultat semble correct, on doit prendre en compte que les

simulations réalisées jusqu’au moment ne prennent pas en compte l’absence de

signal de contrôle sur le MOSFET et qui est un cas possible dans la vie réelle

puisque les PICS ne démarrent pas instantanément et ont un temps d’allumage

beaucoup plus grande que celui du hacheur. Pour faire face à cet inconvénient, on

décide de vérifier la réponse du circuit dans ces conditions, c’est-à-dire avec un

démarrage retardé du signal de contrôle sur le transistor.

Figure 11 : Comportement du hacheur avec une commande retardée

18

On note d’abord le pic de courant nécessaire pour la charge de la capacité

d’entrée d’environ 18 ampères qui est suivi d’un régime transitoire dû à la nature

RLC intrinsèque du circuit à l’entrée. La seule difficulté de ce comportement est la

partie négative de ce courant puisqu’il est possible que le hacheur ne soit pas

capable de le supporter. Ensuite, on note une diminution notable dans le pic de

courant de sortie due au retard du signal de commande du transistor par rapport

au moment de la charge du condensateur d’entrée. Ainsi, quand tout le système

démarre au même temps, le transitoire de charge de la capacité se traduit dans

une augmentation du courant de sortie.

De cette façon-là, on admet que le comportement du courant du circuit est

correct par rapport au fonctionnement final du sabre. Cependant, on n’a pas

encore parlé de l’autre variable électrique à contrôler au niveau des LEDs. Même

si la tension n’est pas le paramètre le plus important pour l’application du

montage, on doit faire attention à ne pas dépasser les valeurs limites de tension

afin de les protéger. On révise maintenant, la tension à la sortie du circuit, dans

les mêmes conditions de simulation que dans le cas précédent.

Cette simulation permet de voir que la tension de sortie est positive

pendant la phase de charge des capacités d’entrée et de sortie, ce qui représente

un problème pour les LEDs puisqu’elles ne supportent pas du tout les tensions

inverses et dans le circuit tel qu’il est conçu chacune d’elles devrait supporter 2

volts. Ainsi, on est obligé de trouver un moyen de limiter cette tension ou de la

supprimer pour assurer le bon fonctionnement du circuit et la protection des

LEDs.

Figure 12 : Tension en sortie commande retardée

Pour supprimer ces pics de tension inverse on a alors décidé de faire un

hacheur irréversible en courant, afin d’éviter les pics négatifs de courant d’entrée

nécessaires pour la charge anticipée de la capacité de sortie. Ainsi, la capacité de

sortie ne sera chargée qu’au moment de l’arrivée du signal de commande du

transistor, ce qui permettra à la fin de supprimer les tensions inverses dans les

LEDs quand le PIC n’a pas encore démarré.

L’irréversibilité en courant du circuit est possible grâce à l’utilisation

d’une nouvelle diode qui sera placée en série avec la bobine de sortie du circuit

magnétique permettant d’avoir une seule direction de courant de sortie. Comme

19

le courant a un sens unique, la tension de sortie aura aussi une seule direction et

les LEDs seront protégées contre les tensions inverses.

Il est important de remarquer que l’insertion de la nouvelle diode va

produire une grande quantité de pertes dans le circuit parce qu’elle sera toujours

traversée par un courant, mais il est nécessaire de protéger les LEDs ou sinon on

pourrait les détruire avant de pouvoir tester le comportement du circuit. De plus,

comme il s’agit d’une diode en série il y a une chute de tension intrinsèque à son

utilisation et les valeurs de rapport cyclique devront être plus grandes pour

assurer le bon fonctionnement du circuit. Finalement, les résultats du circuit

définitif sont présentés ci-dessous.

Figure 13 : Comportement final hacheur après modifications et protections des LEDs

Ces derniers résultats correspondent à un bon fonctionnement du circuit

par rapport à tous les paramètres importants et pour cette raison on a décidé de

commencer les étapes de production de plaquette d’essais et la réalisation des

épreuves de fonctionnement qui seront montrés plus tard dans ce document.

E. Asservissement

Pour avoir un meilleur contrôle sur l’intensité lumineuse, il est intéressant

de réaliser un asservissement du courant. Pour cela, il faut mettre en œuvre une

boucle nécessitant un capteur de courant. Il faut également modéliser le

comportement du hacheur pour ensuite dimensionner le correcteur associé.

1. Capteur de courant

Pour la mesure du courant, nous avons dû prendre en compte le fait que la

structure du Cùk implique que la référence de tension n’est pas la même entre

l’entrée et la sortie. Deux types de capteurs de courant étaient possibles : le shunt

de mesure et la sonde à effet Hall. Dans les deux cas, il est nécessaire de mettre en

œuvre un amplificateur car le signal de mesure est trop faible pour être traité.

Nous avons choisi de mettre en œuvre une résistance shunt car nous

avons trouvé que c’était plus simple qu’une sonde à effet Hall. Nous devons alors

utiliser un montage amplificateur soustracteur pour prendre en compte la

différence de masse. Le composant choisit est un amplificateur d’instrumentation

fonctionnant en unipolaire pour pouvoir être alimenté entre 0 et 3V.

Puisque le shunt mis en œuvre a une valeur de 0,1Ω, il a donc une

sensibilité de 100mV/A. On choisit le gain correspondant et on peut calculer les

20

résistances associées. Nous devrons faire attention au bruit, à cause du niveau de

tension faible.

2. Correcteur

L’asservissement du hacheur se fera selon la boucle de la figure 3.

Figure 14 - Asservissement

Les tests de simulations nous permettent d’approcher le fonctionnement

du Cùk par une fonction de transfert du 2ème ordre pour commencer. Il nous

faudra faire des essais avec les composants réels pour pouvoir estimer les

constantes de temps et les gains associés. Nous devrons ensuite nous fixer un

cahier des charges pour le système (dépassements et temps de réponse) pour

pouvoir calculer les éléments du correcteur choisi. Une fois ces éléments calculés,

nous devront calculer la fonction de transfert en numérique correspondante, et

programmer ensuite l’algorithme du correcteur dans le PIC.

IV. Routage et essais

A. Routage des cartes de test

1. Alimentation 3V

Sur la figure 4 est représenté le schéma mettant en œuvre le convertisseur

11,4 – 3V.

Figure 15 - Schéma alimentation 3V

A ce schéma est associé le routage de la carte de test correspondante,

figure 5. Ce routage a été fait en prenant en compte le fait que certains

B230AB230A

Vin1 Vout 3

GND

2

TC126212

BATT

CONN-SIL2 L1

22uH

C10U10uF

C1U1uF

12

ALIM

CONN-SIL2

INK1

GND

A2

ENCOM1

BST COM2

SW K2

FB A1

AP5100

C1

22nF

R147k

R210k

C2100pF

R100K100kC10U1

10u

21

composants seront amenés à dissiper de la puissance, et qu’il leur faut donc une

surface suffisante : c’est le cas du régulateur linéaire mais aussi des composants

commutant du hacheur. Des zones ont été utilisées plutôt que des pistes, pour

permettre le passage de plus de courant sans trop chauffer, mais également pour

faciliter le soudage.

Il est à noter que, si c’est peu important pour la carte de test, il faudra

réduire au maximum les distances pour la carte définitive.

Figure 16 - Routage carte d'alimentation

2. Hacheur Cùk

Pour la production de la carte du hacheur, on est parti du circuit

déterminé précédemment et montré figure 6, avec chacun des composants

choisis et en sachant que la partie de droite du circuit correspond à la carte des

LEDs et non au hacheur directement à l’exception de la résistance shunt qui sera

utilisée pour la mesure et l’asservissement du courant de sortie.

Figure 17 - Schéma du hacheur

A partir de ce montage, on a cherché une façon de faire le routage le mieux

possible pour le fonctionnement du circuit. D’abord, il fallait chercher une façon

de placer tous les composants qui sont branchés à la masse le plus proche

possible afin de laisser une zone de masse unique de taille suffisante par rapport

au courant qui la traversera. Ensuite, on a cherché une façon de placer les autres

composants de puissance (diodes, bobines, etc.) le plus proche possible pour

diminuer la longueur des chemins. De plus on a fait des zones dans chaque cas

pour supprimer l’effet des résistances et inductances parasites liées à l’utilisation

de la carte et aussi pour faciliter la dissipation de la chaleur des composants

travaillant à hauts courants.

22

Le routage final est présenté dans la figure 7. Pour pouvoir avoir une carte

répondant aux contraintes du fonctionnement, il a fallu faire plusieurs cartes et

améliorations de design.

Figure 18 - Routage Cùk

B. Premiers tests sur le hacheur Cùk

A partir de la conception du hacheur, on a réalisé le montage et les

premiers essais de fonctionnement avec une source de tension du laboratoire et

un GBF pour le signal de commande du transistor, c’est-à-dire, sans

l’asservissement de courant, uniquement pour relever les principales

caractéristiques et vérifier le fonctionnement en valeurs nominales. Pour le faire,

on est parti d’un rapport cyclique de 0.2 à tension nulle et on l’a augmentée

jusqu’à sa valeur nominale. Puis on a mesuré avec une sonde de courant et

l’oscilloscope la forme d’onde du courant, sa valeur moyenne et son ondulation

en fonction du rapport cyclique variant jusqu’à 0.42. On n’est pas allé plus loin

pour éviter de dépasser le courant maximal des LEDs et pour éviter aussi le

chauffage extrême de ces composants. On a pu noter pendant les mesures que le

courant traversant les LEDs change brusquement avec la température. Cela

signifie que la dissipation de la chaleur et l’asservissement de courant deviennent

critiques pour le bon fonctionnement du système.

La figure 8 montre le courant (en vert) et la tension (en jaune) de sortie

pour un rapport cyclique de 0.42. Cette image fut prise dans un instant fixe, mais

on a pu observer que le courant augmentait avec le temps de fonctionnement des

LEDs.

Figure 19 - Mesure de courant et tension

23

A partir des mesures, il est possible de tracer la caractéristique de courant

moyen et de l’ondulation de courant en fonction du rapport cyclique du signal de

commande du transistor. Celles-ci sont montrées figures 9 et 10.

Figure 20 - Courant en fonction du rapport cyclique

Figure 21 - Ondulation en fonction du rapport cyclique

L’analyse des résultats permet vérifier que le comportement du circuit

n’est pas linéaire, mais aussi que la température est un élément très important

puisque le dernier point de mesure du courant moyen est vraiment loin de ce

qu’on pouvait attendre par rapport au comportement du circuit jusqu’au point de

mesure précédent. On peut dire aussi que la mesure a été faite dans un

environnement avec beaucoup de bruit et pour cette raison l’ondulation n’a pas

une tendance stable. Enfin, on note qu’il existe des points pour lesquels les

variations du rapport cyclique deviennent plus critiques à cause de la relation

non linéaire entre l’entrée et la sortie du circuit.

C. Régulation de courant

Partant du principe de mesure de courant utilisé dans le hacheur, on a

décidé de faire une commande (consigne) analogique afin d’avoir les deux

signaux à comparer du même type. Pour faire ce système, on aura besoin du

convertisseur analogique-numérique du PIC de régulation deux fois : une pour la

consigne et l’autre pour la mesure. Sachant que la consigne est juste un signal

analogique entre 300mV et 3V, le système n’a pas besoin du PIC générale du

sabre pour fonctionner et on obtient à la fin un complètement indépendant qui

peut être utilisé pour d’autres applications et pas uniquement dans le sabre laser.

24

En principe, de la régulation étais celui expliqué précédemment et pour le

réaliser on est parti de la réalisation des comparaisons des signaux analogiques

nécessaires pour la commande de LEDs. Quand la comparaison réalisée a

commencé à donner les bons résultats (vérification du comportement du PIC et

de la vitesse de calculs, à cause du temps de la conversion analogique numérique)

on a fait varier le rapport cyclique en fonction de la comparaison réalisée. Si la

consigne est plus grande que la mesure de courant (et donc, le courant) on

augmentera le rapport cyclique, si la mesure de courant est plus grande on le

diminuera et si les deux signaux sont égaux, on conservera le même rapport

cyclique pour les maintenir égaux. Ce processus a été réalisé dans une boucle

infinie pour assurer l’égalité des deux signaux tout le temps.

Cette forme de fonctionnement du circuit ne correspond pas à la forme

générale d’un asservissement qui, à partir de l’écart entre les deux signaux,

génère une réponse du circuit avec un temps de réponse et un dépassement

égaux dans tous les cas et pour toutes les variations de consigne. Néanmoins,

avec les essais réalisés du circuit avec différentes consignes et avec différentes

variations a permis de vérifier le bon comportement du système avec cette façon

de réaliser le contrôle bien qu’elle ne soit pas la plus optimale. La différence

principale entre le contrôle réalisé avec l’asservissement général est que le

premier ne produit pas la même réponse pour différentes variations de consigne,

le temps de réponse et le dépassement du signal est différent en chaque cas. Le

temps de réponse est proportionnel à l’écart entre les signaux, plus loin est la

mesure de la consigne, plus de temps va le prendre arriver au bon résultat.

Dans le cas, général on veut que le comportement du circuit soit toujours

le même pour éviter des situations hors de ce qui était attendu. Néanmoins, on

s’est rendu compte que la différence des temps de réponse pour différentes

variations de la consigne n’était pas si différente à cause de la vitesse de calcul du

PIC travaillant à 32MHz. De plus, pour l’application envisagée (la lumière du

sabre) le temps de réponse n’est pas une contrainte vraiment puisque la

résolution des yeux n’est pas si grande et ces différents temps de réponse ne

feront pas une différence par rapport aux effets observés.

A partir de ces conclusions on a remarqué que le point important était le

contrôle d’un possible dépassement, dû au transitoire du hacheur. En pratique au

moment de faire les tests, on a noté que les dépassements du courant en sortie

étaient évités par cette façon de régulation parce que quand le courant était plus

grand que la consigne, le rapport cyclique commençait à diminuer sa valeur en

limitant les pics de courant en sortie.

Finalement, on a pu remarquer que l’erreur statique du courant était nulle

parce que le rapport cyclique varie jusqu’à ce que le courant en sortie soit égal à

la consigne reçue. Enfin, pour éviter les courants en sortie trop grandes et

supérieurs à ces supportés pour les LEDs, dans le PIC de régulation on a mis une

limite à la valeur de la consigne et une autre à la valeur du rapport cyclique qui ne

seront jamais dépassés même si la consigne est plus grande.

25

B330BB330B

100N

100nF

Vin1 Vout 3

GND

2

TC1262VIN2

EN3

BST 1

SW 8

FB5

PGOOD4

GN

D7

BUCK

12

BATT

CONN-SIL2L1

B82432C1153K000

C22U22u

C10U10uF

C1U1uF

C10U11uF

R100K

10k

22U1

22u

1

5VCONN-SIL1

12

ALIM

CONN-SIL2

V. Problèmes rencontrés et solutions apportées

A. Hacheur Buck

Lors des premiers essais sur l’alimentation 3V, un court-circuit était

présent sur la carte. Nous avons réalisé qu’il venait d’une erreur de package au

niveau du routage. Nous avons donc fait un nouveau routage.

Figure 22 - Nouveau routage de l'alimentation 3V

L’essai sur le nouveau routage (figure 11) nous a montré qu’il y avait une

très grande ondulation de tension à la sortie du hacheur. Cela était probablement

dû à la très grande fréquence de fonctionnement (1,4MHz), combiné à des

condensateurs mal dimensionnés pour une utilisation à ces fréquences.

Nous avons donc décidé de changer le composant utilisé, et avons à la

place utilisé un ADP2302-ARDZ. Celui-ci fonctionne à 700kHz et débite jusqu’à

2A. La version 5V nous a par ailleurs permis d’utiliser moins de composants

extérieurs. Pour le dimensionnement, nous avons modifié les contraintes en

ondulation de tension en mettant un peu plus d’exigence sur la tension et moins

sur les ondulations de courant. Ainsi pour ΔVS=0.2V, nous avons obtenu pour C

une valeur de 44uF. Pour ΔiL=0,5A on obtient une inductance L=8,0uH. Nous

avons donc pris, avec les valeurs normalisées, deux condensateurs 22uF et une

inductance de 6,8uH.

Le montage a quelque peu changé (figure 12), même si nous avons gardé

le même régulateur, et nous avons dû refaire un routage (figure 13).

Figure 23 - Montage de l'alimentation 3V avec ADP2302-ARDZ5.0

26

Figure 24 - Routage correspondant

B. Régulation

En général, les problèmes rencontrés dans cette partie du système sont

liés au fonctionnement du PIC et au signal de commande de la lumière. D’une

part, le signal de commande du PIC16F (pic général du système) n’étais jamais

zéro et, en principe, les LEDs ne seraient jamais éteintes avec ce système. Ainsi,

avant de pouvoir faire la comparaison des signaux pour la régulation de courant

on a du faire une correction d’offset pour s’adapter aux contraintes des

composants (raison pour laquelle le signal doit être supérieur à 300mV). D’autre

part, la programmation des effets lumineux résulte plus difficile, puisqu’il n’est

pas possible de les programmer dans le PIC de régulation et ils doivent être

programmé dans la consigne venant du PIC central et ils doivent être synchrones

avec le son. Ce dernier point n’appartient pas à la partie puissance directement,

mais on a pu le solutionner en modifiant la consigne du code principale dans la

partie de lecture de son.

Finalement, le dernier problème et plus important aussi, correspond au

bruit des signaux de commande et de mesure. Comme l’asservissement de

courant est réalisé en analogique, le contrôle du bruit résulte important, puisque

un bruit trop grand dans le signal de commande ou de mesure va éloigner le

comportement du système de ce qui était attendu. Ainsi, pour conserver

uniquement la composante continue des signaux (qui est ce qui est important) on

a utilisé des petits filtres passe-bas de premier ordre (pour éviter l’utilisation de

beaucoup plus de composants). Comme l’atténuation maximale de ce filtre n’est

pas trop importante, on aura toujours du bruit dans le signal. Néanmoins, comme

l’amplitude du bruit sera limitée, on pourra éviter les signaux qui puissent gêner

le comportement du système.

C. Amplificateur de classe D

Pour tester l’amplificateur, nous avons commencé par faire une carte

d’adaptation avec l’amplificateur pour seul composant. Nous avons d’abord eu

des difficultés à trouver un mode de fonctionnement pour lequel l’amplificateur

fonctionnait. Nous avons fini par utiliser le mode PWM control, mode B en

27

Reverse. Cela signifiait qu’il fallait connecter l’entrée Forward à la sortie PWM du

PIC, et on retrouverai le signal PWM inversé en sortie.

Nous avons ensuite remarqué de pics de courant très importants à la mise

sous tension (figure 14). Nous nous sommes rendu compte que nous avions

oublié de découpler, ce que nous avons ensuite fait avec un condensateur 47uF.

Le pic de courant à la mise sous tension a alors diminué (figure 15), cependant se

rajoutait à celui-ci un pic de courant négatif. Cela nous a posé des problèmes lors

d’un essai avec le PIC, la broche de sortie PWM a en effet été grillée.

Figure 25 - Pic de courant à la mise sous tension de l'amplificateur

Figure 26 - Pic de courant après découplage

Nous effectuions d’abord nos essais avec un haut-parleur 50Ω, nous avons

remarqué que malgré une résistance élevée, celui-ci chauffait beaucoup. Nous

avons donc mesuré le signal en sortie de l’amplificateur et observé la présence

d’une importante composante continue. Nous l’avons donc filtrée avec un

condensateur 100nF.

Ces essais nous ont permis d’obtenir un fonctionnement correct de

l’amplificateur, selon le montage figure 16. Cependant, nous n’avions pas eu le

temps de les faire avant le routage final de la carte de commande sur laquelle

nous voulions le mettre. C’est pourquoi nous n’avons pas pu la faire fonctionner.

28

Figure 27 - Schéma de montage de l'ampli

VI. Fonctionnement final

A. Routages finaux

1. Carte de commande

Celle-ci contient l’alimentation 3V, le PIC principal ainsi que les

périphériques nécessaires au fonctionnement du sabre (mémoire, accéléromètre,

amplificateur).

Cette version a été établie après les corrections qu’ont amenées les divers

tests, mais nous n’avons pas eu le temps de la faire graver.

Figure 28 - Routage final de la carte de commande

2. Carte Cùk

On est parti de la carte de puissance réalisée précédemment puisque son

fonctionnement correspondait à celui attendu du hacheur et on a ajouté juste

quelques composants correspondants au filtrage du signal de mesure de courant

pour assurer un bon fonctionnement et le PIC de régulation pour avoir une carte

VSS

OUT11

VCC2

VCC3

FIN4

GND 8OUT2 7VREF 6

RIN 5

AMPLID

C4

47uF

C5

100n

1HP1

1

GND

1

11V

signal PWM

29

de puissance complète et indépendante des autres parties du système. Les seules

fils nécessaires correspondent aux alimentations : 11V et 3V et à la consigne

venant du PIC général. Toute la partie de puissance a des zones à cause des

niveaux de courant nécessaires alors que la partie de régulation a besoin juste

des niveaux de tension et pour cette raison n’a pas de zones.

Figure 29 : Routage final de la carte de puissance

B. Fonctionnement de l’alimentation 3V

Lors des essais finaux, nous avons pu faire les mesures suivantes.

Figure 30 : Régime transitoire alimentation 3V

L’allumage se fait donc très rapidement lorsque la charge est constante

(essai avec résistance de charge), avec aucun dépassement. L’ondulation est très

faible. Le maximum est quelque peu en dessous des 3V réglés, mais cela permet

d’avoir de la marge pour protéger l’accéléromètre.

Nous avons également pu mesurer les variations de tension lorsque plus

de courant est demandé sur le circuit (allumage des LEDs et détection de

30

différents évènements par le PIC). Ainsi nous avons remarqué que les tensions

pouvaient devenir dangereuses pour l’accéléromètre lors du fonctionnement

normal du circuit. Cependant les pics sont assez courts.

Figure 31 - Tension de l'alimentation 3V lors de l'allumage des LEDs

Figure 32 - Tension de l'alimentation 3V lors de la détection d'évènements par le PIC

C. Régulation de courant et hacheur Cùk

A partir du système de régulation implémenté dans le hacheur, on a vérifié

le fonctionnement de tous les effets de lumière du sabre. Après avoir vérifié le

comportement du système, on a décidé de réaliser des mesures de courant en

tension de la partie contrôle pour analyser le comportement par rapport à celui

de la boucle ouverte et au moment des effets lumineux.

31

1. Cycle d’allumage, repos et extinction du sabre

Figure 33 : Courant de sortie (vert) et consigne reçue pour le PIC (jaune)

On note bien que le signal de consigne à un petit offset de 300mV qui n’est

pas trop grande, mais sachant que le gain du système de mesure est juste de 3.5,

le courant correspondant à cette valeur était suffisante pour allumer les LEDs et

si on n’avait pas mis la correction d’offset dans la régulation, on aurait toujours

les LEDs allumés, même au moment de l’extinction complète.

D’autre part, on peut noter que le signal de consigne est trop bruité et que

ce bruit est amené au courant de sortie à cause de la régulation de courant

réalisé. Si on analyse l’échelle du signal de commande et celle du signal de

courant, on note bien que le bruit du curant est environ la troisième partie du

bruit di signal de consigne, à cause du gain du système de mesure. Il faut

remarquer aussi que le bruit du courant est surement plus grand au bruit de la

consigne divisé en 3.5 puisque les fils des LEDs sont susceptibles d’augmenter le

niveau de bruit et tout le bruit propre du hacheur fait aussi partie du bruit de la

sortie en plus de l’ondulation naturelle du courant à cause des interruptions de

l’alimentation Cùk utilisé.

Pour être surs du bon fonctionnement du hacheur et que l’amplitude

regardée à l’oscilloscope ne soit pas due au circuit, on a filtré le signal avant de la

partie de régulation pour analyser la variation dans le courant de sortie du

circuit. La figure 34 montre la diminution du bruit en sortie avec ce filtrage de la

consigne. On diminue dans un 30-40% le bruit en sortie. En comparaison avec le

comportement du circuit en boucle ouvert, on note une augmentation de cette

ondulation. Nous nous sommes rendu compte que l’augmentation de cette

ondulation est due en grande partie au bruit, mais aussi au principe de la

régulation, puisque le bruit de deux grandeurs à comparer fait que la

comparaison ne soit jamais exact et que le rapport varie tout le temps et cela

produit des variations dans le niveau DC du signal qui à grande échelle

ressemblent au bruit observé (à cause de l’ondulation autour de ce niveau).

32

Figure 34 : Courant de sortie (vert) et signal de consigne filtré (jaune)

Finalement, tout ce qu’il reste à vérifier est le fonctionnement du circuit de

mesure de courant utilisé. La figure 35 montre le comportement de ce système

pour analyser son comportement par rapport au courant de sortie dans la même

image et par rapport à la consigne dans les images précédentes. On peut noter

aussi le bon fonctionnement du système de mesure qui peut capter tout le bruit

du courant.

Figure 35 : Courant de sortie (vert) et mesure de courant (jaune)

Dans cette image est possible de reconnaître l’allure de la consigne

provenant du PIC général après filtrage. Cela est dû au fait que dans la structure

du hacheur on a mis un filtre après la sortie de l’amplificateur pour éviter le bruit

33

dans la mesure. D’autre part, si on compare le signal avec la consigne, on peut

noter que ce signal n’a pas d’offset, mais appart ça, on pourrait confondre les

deux signaux, ce qui permet de conclure par rapport au bon fonctionnement du

système de régulation.

2. Conséquences de la boucle fermée sur la PWM (commande du transistor)

Dans le cas de la boucle ouverte, on parlait d’un signal de commande

constante, dans le cas de la boucle fermée, la figure 36 montre le comportement

du signal de commande envoyé au transistor. La commande varie tout le temps à

cause de la différence entre la consigne et la mesure de courant et le bruit de ces

deux signaux. Même si on note une grande variation du rapport cyclique du signal

de commande, la luminosité apparente (celle qu’on peut voir) des LEDs ne change

pas, à cause de la grande vitesse de ces variations.

Figure 36 : Signal de commande transistor hacheur Cùk

3. Choc et mouvement

Figure 37 : Courant en sortie pour le choc (d'abord) et le mouvement (après)

Cette dernière image permet de voir comme varie le courant de sortie

pour les effets lumineux du choc et du mouvement. Ce comportement est dû aux

34

choix des effets, puisqu’on a choisi une augmentation de la lumière pendant le

choc, alors que le mouvement en produit juste une diminution.

4. Conclusion sur l’asservissement

L’asservissement des grandeurs physiques peut être fait de plusieurs

façons. Le choix du type dépendra toujours des besoins de l’application et des

contraintes du système. Parfois il est possible de choisir de méthodes

d’asservissement plus simples qu’autres, mais c’est possible juste à cause de

l’application et du système qu’on va à asservir.

Bien que l’asservissement du courant de sortie permette d’avoir le même

comportement du circuit pour différentes conditions de l’alimentation, on peut

distinguer différents inconvénients et avantages de son utilisation. D’une part, le

système est plus sensible au bruit puisqu’on a plus de composants. D’autre part,

la consommation de courant de la batterie augmente quand la tension diminue,

c’est-à-dire plus la batterie est déchargée et plus le circuit va lui demander du

courant pour fonctionner (pour maintenir la puissance constante). Enfin, il faut

contrôler les changements de consommations des LEDs avec la température,

puisque plus chaudes elles sont, plus petite dévient sa tension de seuil et plus

grande le courant de sortie. La boucle fermée permettra d’éviter ce

comportement et de les protéger.

35

Conclusion - Bilan

En bilan de ce projet, nous avons pu atteindre les objectifs du projet

d’ENPU, à savoir faire fonctionner l’alimentation 3V et le hacheur alimentant les

LEDs. Nous avons également pu faire fonctionner la commande de ce dernier et

réaliser ainsi les effets lumineux voulus.

Cependant, nous aurions pu mettre en œuvre un asservissement plus

performant mais le temps nous a manqué pour la mise au point. Par ailleurs, la

mise en œuvre de l’amplificateur de classe D nous a causé quelques soucis,

notamment par rapport aux autres composants d’électronique numérique. Cela

nous indique que les problématiques de découplage sur des cartes de ce type sont

importantes à comprendre. C’est en effet la difficile mise en œuvre de la carte de

commande qui nous a empêché de terminer le projet et de rendre un objet

fonctionnel.

Ce projet a été très enrichissant, il nous a notamment permis de mettre en

application les connaissances théoriques que nous avons développées au premier

semestre en électronique de puissance. Nous avons également pu être confrontés

aux nombreuses différences entre théorie et pratique et apprendre à réagir aux

problèmes liés à ces différences.