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RÉSUMÉ
Cet article s'intéresse aux applications de puissance des matériaux piézoélectriques. Ces matériaux sont utilisés depuis de nombreuses années, dans des applications telles que la génération ultrasonore ou l'actionnement. Récemment, d'autres applications sont apparues notamment avec le transformateur piézoélectrique et les micro-sources d'énergie. Le transformateur a trouvé un débouché commercial dans les alimentations de lampe à cathodes froides pour le rétro-éclairage. Les micro-sources piézoélectriques, dont l'énergie est issue de vibration ambiante, semblent promus à un bel avenir dans des applications telles que l'auto-alimentation des réseaux de capteurs abandonnés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Dejan VASIC : Maître de conférences à l'université de Cergy-Pontoise - Chercheur au laboratoire SATIE ENS Cachan
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François COSTA : Professeur à l'université de Paris Est Créteil - Chercheur au laboratoire SATIE ENS Cachan
INTRODUCTION
Les matériaux piézoélectriques, qui réalisent une conversion électromécanique directe, sont utilisés depuis de nombreuses années dans des applications de puissance telles que la génération ultrasonore ou l'actionnement. Le champ d'utilisation de ces matériaux ne cesse de croître en électronique de puissance notamment avec le transformateur piézoélectrique et les microsources d'énergie.
Le transformateur piézoélectrique a trouvé un débouché commercial dans les alimentations de lampe à cathodes froides pour le rétro-éclairage des écrans à cristaux liquides grâce à ses performances en élévateur de tension.
Les microgénérateurs piézoélectriques dont l'énergie est issue de vibration ambiante ont un avenir prometteur dans des applications telles que l'autoalimentation des réseaux de capteurs abandonnés grâce à de bonnes performances de conversion électromécanique et une compatibilité avec les technologies de fabrication des microsystèmes.
L'objectif de ce dossier est de présenter les potentialités mais aussi les contraintes générées par l'utilisation des matériaux piézoélectriques dans différentes applications en électronique de puissance avec :
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une introduction sur les matériaux piézoélectriques et une classification des modes de conversion (§ 1) ;
les systèmes de récupération d'énergie (§ 2) ;
l'alimentation des générateurs ultrasonores de puissance et des actionneurs (§ 3) ;
-
les structures de conversion statique utilisant des transformateurs piézoélectriques ainsi que les applications (§ 4).
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Conversion mécanique/électrique (récupération d'énergie)
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1. Applications de puissance des matériaux piézoélectriques
1.1 Généralités
Les matériaux piézoélectriques, qui ont l'intrigante propriété de convertir directement de l'énergie électrique en énergie mécanique (et inversement), constituent aujourd'hui un nouveau domaine d'application qui se situe entre la mécanique et l'électronique. Classiquement, le champ d'utilisation de ces matériaux est :
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la génération d'ultrasons avec le sonar, les transducteurs à usage médical (échographie) ;
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le positionnement (actionneurs et moteurs) ;
-
les allume-gaz ou les injecteurs de carburant (injection directe dans les moteurs diesel).
Même si la piézoélectricité fut découverte par les frères Curie en 1880, les applications industrielles de puissance ne furent possibles qu'après la mise au point en 1954 d'une solution à base de plomb, de zirconium et de titanate présentant un effet piézoélectrique très élevé (100 fois plus élevé que le quartz). L'aptitude de cette céramique de type polycristalline, appelée PZT (Titano-Zirconate de Plomb), à la conversion d'énergie en fait naturellement aujourd'hui le matériau de référence. Le développement rapide des applications à base de transducteurs piézoélectriques a vu apparaître une nouvelle problématique liée à la complexité et au prix élevé de leur alimentation. Les principales contraintes d'une alimentation d'éléments piézoélectriques sont :
-
d'une part, les niveaux de tension élevés mis en jeu, et cela en raison des relativement faibles déformations engendrées ;
-
d'autre part, la nature capacitive de l'impédance d'entrée.
La piézoélectricité a su répondre par elle-même à la première contrainte avec la réalisation de transformateur statique piézoélectrique qui présente naturellement un gain important en tension. En effet, le transformateur piézoélectrique peut être un bon candidat pour remplacer le transformateur électromagnétique dans certaines applications à faible puissance. Avec des caractéristiques attrayantes comme une puissance volumique de 20 W/cm2, un rendement élevé et l'absence d'émission électromagnétique, le transformateur piézoélectrique devient plus approprié pour générer des...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HEYWANG (W.), LUBITZ (K.), WERSING (W.) - Piezoelectricity, evolution and future of a technology. - Springer (2008).
-
(2) - IKEDA (T.) - Fundamentals of piezoelectricity. - Oxford science publication (1996).
-
(3) - SAFARI (A.), KORAY (A.) - Piezoelectric and acoustic materials for transducer applications. - Springer (2008).
-
(4) - BEEBY (S.P.), TUDOR (M.J.), WHITE (N.M.) - Energy harvesting vibration sources for microsystems applications. - Meas. Sci. Technol., 17, p. R175-R195 (2006).
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(5) - LI (P.), WEN (Y.), LIU (P.), LI (X.), JIA (C.) - A magnetoelectric energy harvester and management circuit for wireless sensor network. - Sensors and Actuators A, 157, p. 100-106 (2010).
-
(6) - ANTON (R.S.), SODANO (A.H.) - A review of power harvesting using piezoelectric materials (2003-2006). - Smart Mater. Struct., 16, p. R1-R21...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ENOCEAN http://www.enocean.com/en/radio-technology/
HAUT DE PAGE2.1 Fabricants (liste non exhaustive)
Noliac http://www.noliac.com/
PI (Physik Instrumente) http://www.physikinstrumente.com/
Eleceram Technologie http://www.eleceram.com.tw/
Face http://www.faceinternational.com/
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