Polytech Projets Ge » Projets 2017 » 2017 Conception d'un système èlectronique d'électroporation

h1. III Etude détaillée de la solution proposée

Comme expliqué dans la partie précédente, la solution pour générer la haute tension consiste à mettre en place plusieurs condensateurs en parallèle chargée en parallèle, puis mise en série. 

Le système doit également contrôler la charge et la décharge, mais aussi de mesurer la tension à la sortie et la résistance de la fiole. 

Dans cette partie, nous allons décrire en détail la solution proposée au client, nous commencerons par définir les différentes parties du projet sous forme d’un WBS. Nous présenterons ensuite les différents éléments de la carte de puissance conçue ainsi que les résultats des tests effectuées. Nous expliquerons également les fonctions du microcontrôleur qui permettent de contrôler le système et finalement, nous ferons une estimation des ressources et du temps restants pour que le projet soit finalisé. 

h2. 3.1 WBS du projet : 

Le projet a été décomposé en trois grandes parties : 

- La partie puissance : cette partie concerne l’étude et la réalisation de la carte d’alimentation qui permettra de convertir la tension du secteur en des tensions continues qui permettront d’alimenter la carte des condensateurs et la carte de commande.

- La partie Condensateurs : cette partie concerne l’étude des différentes solutions possibles en fonction de leurs conformités avec le cahier des charges. La solution choisie doit être étudiée théoriquement et simulée afin de valider son fonctionnement. Ensuite, la solution sera testée à petite échelle, c’est-à-dire en réalisant un prototype qui nous permet de valider l’étude théorique et les résultats de simulation. Et finalement, on réalise et on teste le système à grande échelle.

- La partie commande : concerne l’étude et la réalisation des fonctions du microcontrôleur.

Le schéma du WBS suivant résume les différentes fonctions que contient chaque partie du projet :

!wbs.png!

*WBS du projet* 

h2. 3.2 Partie puissance:

    3.2.1 Résultats de la simulation:

Afin de vérifier le comportement des condensateurs mis en parallèle, nous avons simulé grâce au logiciel PSIM, un montage redresseur connecté à une capacité de 5000 uF, ce qui est équivalent à 10 condensateurs de 500 uF montés en parallèles.

!redresseur_psim.png!

*Simulation du montage redresseur par PSIM* 

!redresseur_psim_results.png!

*Résultats de la simulation*

On obtient à partir du secteur, au bout de 4s une tension continue de 300 V. Le temps de charge est généralement égal à 5 fois la constante du temps τ qui dépend de la résistance mise en série avec la capacité. En effet :

τ=RC = 160 * 0.005 = 0.8 

La tension est donc obtenue au bout de 5*0.8 = 4s.

Les résultats de la simulation montrent que le courant qui passe dans les condensateurs est inférieur à 2 A, ce qui ne risque pas d’endommager les composants du circuit.

h2. Etude théorique de la méthode FlyBack

Dans ce qui suit, nous allons nous intéresser au stockage de l’énergie électrique dans le 

condensateur. L’objectif est d’étudier théoriquement le montage afin de voir quels sont les 

paramètres sur lesquels on peut jouer pour élever la tension de sortie.

Le montage qui sera étudié est celui de la figure 7(cf page 15 du rapport).

Le signal carré dans le montage permet de commander le transistor de commutation. 

Le signal possède une période T et un rapport cyclique α.  

Pendant la phase : t ϵ [0, αT] le transistor est passant, tandis que pendant la phase [αT, T] le 

transistor est bloqué. Les deux phases sont périodiquement alternées.

Nous allons étudier respectivement les deux phases afin de décrire les phénomènes électriques et 

magnétiques ayant lieu.

+Phase n° 1 : t ϵ [0, αT] :+ 

Durant cette phase, le transistor est passant.  

La partie primaire du circuit est équivalente au schéma suivant :

!image10.png!

On a alors, en négligeant l’effet de la résistance de la bobine, l’équation suivante :  

!formule1.png!

Ou encore :  

!formule2.png!

Avec : 

E : La tension d’entrée 

L1 : l’inductance primaire du transformateur 

t : Le temps  

Le courant au primaire a donc la forme suivante :  

!image11.png!

+Phase n°2 : t ϵ [αT, T] :+

Durant cette phase, le transistor de commutation est bloqué. La démagnétisation au niveau 

du transformateur est caractérisée par la continuité du flux magnétique à l’instant αt que l’on peut 

exprimer par la relation suivante : 

ƦΦ = n1.i1(αT) = n2.i2(αT)

Avec : 

Ʀ : La reluctance 

Φ : Le flux magnétique

n1 : Le nombre de spires au niveau du primaire

n2 : Le nombre de spire au niveau du secondaire

i1(αT) : le courant au primaire à l’instant αT 

i2(αT) : le courant au secondaire à l’instant αT 

On a donc :  

!formule3.png!

Ou encore :  

!formule4.png!

Durant la deuxième phase, le circuit dans la partie secondaire est équivalent à :  

!image12.png!

On a donc :  

!formule5.png!

Sachant que !formule6.png!

On retrouve l’équation suivante :  

!formule7.png!

En résolvant cette équation, et en prenant comme conditions initiales :  

Uc(αT) = 0 

!formule8.png!

On retrouve alors :

!formule9.png!

Entre [αT,T] , la tension aux bornes du condensateur croit sinusoïdalement.  

Pour les autres phases : [(α+1)T, 2T], [(α+2)T,3T], [(α+3)T, 3T], …  la tension aux bornes du 

condensateur augmentera de la même manière mais en conservant la valeur précédente. Il y aura 

donc à chaque phase une valeur constante à prendre en considération dans le calcul. 

La variation de la tension aux bornes du condensateur aura théoriquement cette forme :

!image13.png!

Il est à noter que le calcul fait précédemment n’a pas pris en considération les faibles 

résistances que contiennent les bobines du primaire et du secondaire. Les résultats seront 

légèrement différents si on les prend en considération. En effet, la solution de l’équation 

différentielle entre les instants T et αT sera une fonction exponentielle ; mais cela n’aura pas 

d’impact sur les valeurs de tension atteintes. Nous obtiendrons à peu près la même figure.

Cette étude théorique nous a permis de déterminer les paramètres sur lesquels il faut jouer 

pour élever ou diminuer la tension. En effet, il est clair que d’après l’équation obtenue, la tension 

aux bornes du condensateur dépend directement du rapport cyclique. En jouant sur ce paramètre, 

nous pourrons régler la tension que nous souhaitons appliquer aux bornes du milieu cellulaire.   

h2. Résultat de la simulation

Afin de vérifier les résultats de l’étude théorique, nous avons simulé le circuit FlyBack sur l’outil 

de simulation PSIM.   

Cette étape, qui précède la réalisation du circuit, permet d’analyser les variations de courants et de 

tensions et de voir l’effet des modifications faites sur les différentes variables du circuit. 

Les résultats obtenus valident globalement l’étude théorique. Il est à noter que l’étude théorique n’a 

pas pris en considération les résistances qui s’ajoutent aux inductances dans le circuit. Cela n’a pas 

une grande influence sur les résultats. 

!image14.png!

Résultats obtenus :

!image15.png!

!image16.png!

Nous remarquons que le montage Flyback permet d’élever la tension aux bornes du 

condensateur à 1500 V, tout en évitant des pics de courants importants au niveau du primaire et du 

secondaire. 

h2. Test à petite échelle

La réalisation du circuit FlyBack à une échelle réduite est une étape fondamentale pour la 

réalisation du système. 

Ceci consiste à réaliser le circuit électronique FlyBack, mais avec des composants qui ne 

correspondent pas aux dimensions réelles.  

!image17.png!

Le circuit est composé de :  

* Une source de tension continue de 10 V 

* Un transistor MOSFET 

* Un transformateur de rapport égal à 1 

* Un condensateur de capacité de l’orde de la centaine de µFarad 

* Une résistance de sortie  

Ce test nous a permis de valider globalement le fonctionnement de notre système. Nous 

avons réussi à régler la tension de sortie en multipliant la tension d’entrée par quatre, et ce, en 

jouant uniquement sur le rapport cyclique, ce qui valide les résultats de notre étude théorique.

La réalisation à une échelle réelle nécessite le choix de la capacité et le dimensionnement 

des autres composants. Cela a été l’objet de la revue d’appel d’offre durant laquelle nous avons 

proposé à notre client les différentes solutions possibles en relation avec le choix de la capacité à 

charger. 

La prochaine étape sera donc le dimensionnement des composants et la réalisation du circuit 

FlyBack à échelle réelle. 

h2. Estimation des coûts

Le coût du produit final dépend du coût du matériel électronique utilisé. Il est étroitement lié 

aux coûts des condensateurs capables de supporter la haute tension car ce sont les composants 

électroniques ayant le coût le plus élevé. Le coût du reste des composants est estimé à 200 euros. 

Nous proposons alors à notre client trois solutions qui diffèrent en termes de nombre de 

condensateurs utilisés. 

*Première solution : Avoir trois condensateurs de valeurs 10,25 et 50 uF :* 

C’est la solution qui répond au mieux aux exigences du client, mais qui est également celle 

qui a le coût le plus élevé. 

Le coût d’un seul condensateur varie entre 300 et 400 euros. Le coût total du produit pourra 

s’élever alors à 1400 euros.

*Deuxième solution : Mettre plusieurs capacités de 1 uF en parallèle :*

L’objectif est de diminuer le coût. En effet, le prix d’un condensateur de 1 uF est de 15 à 20 

euros, cela fait un coût total variant entre 950 et 1200 euros. En mettant 50 condensateurs en 

parallèle, nous pourrons alors avoir les valeurs des capacités souhaitées.

Cette solution présente désormais un inconvénient : Il y aura plus d’encombrements dans le circuit 

électronique. 

*Troisième solution : N’utiliser qu’une seule valeur de capacité :* 

Dans cette solution, l’utilisateur n’aura pas le choix entre 3 valeurs de capacités mais qu’une 

seule. Le coût de cette solution varie entre 500 et 600 euros.

En optant pour cette solution, on réussit à diminuer largement le coût. Néanmoins, on ne peut 

effectuer qu’un seul protocole de test.  

Le tableau suivant récapitule les avantages et les inconvénients de chacune des trois solutions : 

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