 Analyse des circuits électriques -GPA220- Cours #7: Inductance et capacitance Enseignant: Jean-Philippe Roberge Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014

Cours #7  Distribution de l’examen intra et correction  Matière du cours #7:  Introduction aux composantes dynamiques :  Inductance (bobine)  Capacitance (Condensateur)  Présentation de certaines activités de recherche du CoRo (ÉTS)  Combinaison série / parallèle des inductances et des capacitances  Exercices 2 Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014

3 Distribution de l’examen et correction

Jean-Philippe Roberge - Janvier Cours #7

Inductance (1)  Qu’est-ce qu’une inductance?  Une inductance se présente souvent sous la forme d’une bobine: Jean-Philippe Roberge - Janvier  Il s’agit d’une composante électrique dite dynamique, son rôle est de s’opposer (avec une certaine vigueur) aux variations de courant.

Inductance (2)  Qu’est-ce qu’une inductance (suite)?  Le principe de l’inductance fut découvert par Olivier Heaviside.  Dans une formule, on utilisera la variable L, et celle-ci est utilisée en l’honneur de Heinrich Lenz.  L’unité de l’inductance est le Henri ( H ), en l’honneur de Joseph Henri, qui découvrit le principe de l’auto-induction.  Tout courant parcourant un fil conducteur génère un champ magnétique à travers la section qui l’entoure. L’inductance est le quotient du flux magnétique sur l’intensité du courant qui circule. Jean-Philippe Roberge - Janvier Joseph Henri

Inductance (3)  La composante qui permet d’ajouter de l’inductance dans un circuit est la bobine (anglais: inductor ).  Comment peut-on déterminer l’inductance d’une bobine? Jean-Philippe Roberge - Janvier 20147

Inductance (4)  Le symbole de l’inductance dans un circuit électrique: Jean-Philippe Roberge - Janvier  Important: Remarquez que nous continuons (toujours) à utiliser la convention passive des signes, selon le sens du courant.

Inductance (5)  Analogie de l’inductance (hydraulique): Jean-Philippe Roberge - Janvier 20149

Inductance (6)  Lorsqu’un courant circule dans une inductance, ce dernier créer un champ magnétique. Jean-Philippe Roberge - Janvier  Lorsque le courant varie, le champ magnétique varie également.  Un conducteur placé dans un champ magnétique variant subira de l’induction magnétique. Par conséquent, le potentiel électrique (tension) est proportionnel à la variation de courant dans la bobine.  Relation entre le voltage et le courant:

Inductance (7)  Par exemple, que se passera-t-il avec ce circuit d’après vous? Jean-Philippe Roberge - Janvier

Inductance (8)  Relation voltage-courant et courant-voltage:  Étant donné que la tension électrique dépend de la variation instantannée (dérivée) du courant dans la bobine, le courant dépend à son tour de l’aire sous la courbe (intégrale) de la tension: Jean-Philippe Roberge - Janvier  Vérifions rapidement au tableau…

Inductance (9)  Puissance et énergie dans une inductance: Jean-Philippe Roberge - Janvier

Révision des composantes Analogies  Les composantes vues jusqu’à maintenant dans le cadre du cours (+ le condensateur): Jean-Philippe Roberge - Janvier Image tirée de:

Capacitance (1)  Qu’est-ce qu’une capacitance?  Une capacitance se présente souvent sous la forme d’un condensateur: Jean-Philippe Roberge - Janvier  Il s’agit d’une composante électrique dite dynamique, son rôle est d’accumuler des charges (avec une certaine capacité).

Capacitance (2)  Qu’est-ce qu’une capacitance (suite)?  Le principe de capacitance fut découvert par Michael Faraday.  Dans une formule, on utilisera la variable C, et celle-ci est utilisée en l’honneur de Heinrich Lenz.  L’unité de la capacitance est le Farad ( F ), utilisé justement en l’honneur de Michael Faraday.  Un Farad est la valeur de la capacitance qui produit une différence de potentiel d’un volt aux bornes d’un condensateur chargé par un Coulomb. Jean-Philippe Roberge - Janvier Michael Faraday

Capacitance (3)  Analogie de la capacitance (hydraulique): Jean-Philippe Roberge - Janvier  On considère cependant que le réservoir peut se vider instantanément, étant donné un court-circuit entre ses bornes.

Capacitance (4)  Principe de fonctionnement:  Le condensateur est généralement constitué de deux plaques conductrices appelées armature, qui sont séparées par un matériel isolant, que l’on nomme diélectrique.  Lorsqu’une tension est appliquée aux bornes du condensateur, il survient une séparation des charges au niveau des armatures: Jean-Philippe Roberge - Janvier

Capacitance (5)  Comment calculer la capacitance d’un condensateur? Jean-Philippe Roberge - Janvier  Où C est la capacitance, A est l’aire commune des armatures, d est la distance séparant les armatures, Er est la permittivité du diélectrique et E0 est la permittivité du vide (environ 8.85*10^(-12)).

Capacitance (6)  Le symbole de la capacitance dans un circuit électrique: Jean-Philippe Roberge - Janvier  Important: Remarquez que nous continuons (toujours) à utiliser la convention passive des signes, selon le sens du courant.

Capacitance (7)  Lorsqu’une certaine tension est appliquée aux bornes d’un condensateur, celui-ci se met à accumuler des charges selon une capacité donnée. Jean-Philippe Roberge - Janvier  Supposons qu’après s’être stabilisée, la tension électrique augmente soudainement: il surviendra alors une accumulation supplémentaire des charges par le condensateur.  Relation entre le courant et le voltage:  Le courant entrant dans le condensateur est donc proportionnel à la variation de la tension électrique appliquée à ses bornes.

Capacitance (8)  Que se passera-t-il avec ce circuit d’après vous? Jean-Philippe Roberge - Janvier

Capacitance (9)  La capacitance est utilisée dans le cadre de plusieurs recherches / produits courants: Jean-Philippe Roberge - Janvier

Jean-Philippe Roberge - Janvier Capacitance (10) Présentation de certaines des activités de recherche menées au CoRo

 Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications Presenters : Jean-Philippe Roberge Axay Rana Reza Motamedi Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14 th 2013 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions

 Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Presentation Overview Introduction Tactile sensors: what is that all about? Research / Industry / End user’s interests for artificial tactile sensing Development of the sensor Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface Design Future work, demonstration and discussions Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14 th 2013

Located right below the skin surface in the epidermis Have the highest spatial resolution of all mechanoreceptors In the shallow dermis Able to detect relative movements of objects on the skin Placed in the deep dermis Most sensitive to high- frequency vibrations around 250 Hz Located in the dermis Register skin deformation and are involved in finger position control Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14 th 2013 Q- Tactile sensors: what is that all about? A- It’s a device that attempts to replicate the sense of touch, by partially emulating the skin

Biorobotics Lab - University of Washington ReceptorClass Spatial acuity ( mm) Frequency Range (Hz)Effective stimuli Pacinian Corpuscle PC +1010–500 (High)Temporal changes in the deformation Meissner’s Corpuscle RA3 – 43 – 40 (Low)Temporal changes in skin deformation Rufffini Endings SA II Skin stretch, Skin slip Merkel Disk SA I Sustained Pressure, edge, corners, The sense of touching is complex… Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14 th 2013 Slip Gras p Hold Pres s Vibration Friction Sliding Tangential motion Twisting

Research interests: -Human-robot interaction -Robot hand and robot skin design -Localization and detection of textures -Force control, detection of slippage, improving object gripping -Haptics -More and more… Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14 th 2013 Industry’s interests: -Alternate way to measure force / pressure -Surface characterization -Rough 3D reconstruction of objects End-User’s interests: -Better control while handling objects -Opens way to partially restore the sense of touch

Physical concepts Principle: Change in capacitance by change in distance between plates of capacitor. Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14 th 2013

Mechanical Design DDevelopment of innovative microstructured based dielectric material for enhancement of capacitive based tactile sensor (US patent) CCapable of sensing Newton of minimal force Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14 th 2013

System’s Diagram Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14 th 2013

Communication Protocols CCommunication between sensors is achieved by using a RS-485 protocol CCRC16 (Cycle Redundancy Check – 16 bit) is implemented for static and high sensitivity data CCommunication with client is also achieved by a RS-485 link, but converted to USB GGeneral overview: Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14 th 2013

Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14 th 2013 CAD Software: CATIA & SolidWorks Modulus: Part Design Surface Design Generative shape Design

Software Design AA software has been provided to : VVisualize and/or log all the metrics AAct as a starting point for researchers BBe able to change a sensor’s internal ID OOther basic functionalities Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14 th 2013 T he visualization modes: –S–S tatic force –D–D ynamic Data (Force variation over time) –H–H igh Sensitivity Data –A–A ll sensors

Questions ? TThis powerpoint is available online: h Introduction Overview of the physical concepts Electrical / mechanical / software design Current communication protocols between sensors Integration on Kinova’s products User Interface design and demonstration Future work / Questions Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November Development of a Tactile Sensor for Robotic Applications November 14 th 2013

Capacitance (10)  Relation courant-tension et tension-courant: Jean-Philippe Roberge - Janvier

Jean-Philippe Roberge - Janvier Capacitance (11)  Condensateur - puissance et énergie:

Combinaisons série-parallèle (1)  Inductance: Jean-Philippe Roberge - Janvier

Combinaisons série-parallèle (2)  Capacitance: Jean-Philippe Roberge - Janvier

Références  [1] Présentations PowerPoint du cours GPA220, Vincent Duchaine, Hiver 2011  [2] NILSSON, J. W. et S.A. RIEDEL. Introductory Circuits for Electrical and Computer Engineering, Prentice Hall,  [3] Wildi, Théodore. Électrotechnique, Les presses de l’Université Laval, 3ième édition, 2001  [4] Floyd, Thomas L. Fondements d’électrotechnique, Les éditions Reynald Goulet inc., 4ième édition, Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014