Alimentation des bobines

Un des points forts des systèmes magnétiques actifs et hybrides est la possibilité d’être

contrô-ler via l’intensité qui parcourt les électro-aimants. La force magnétique appliquée peut ainsi

être finement ajustée, en terme d’intensité, de sens (répulsion / attraction) et varier en fonction

du temps. L’instrumentation nécessaire au pilotage des microbobines a donc son importance,

le dispositif héritant directement de ses fonctionnalités.

Avant de choisir et concevoir cette instrumentation, il est primordial d’établir une liste de

caractéristiques souhaitées. Idéalement, étant donnée la nature des systèmes, le nombre de

bobines à contrôler et le contexte d’utilisation (simplicité, interface éventuelle avec d’autre

équipements. . . ), le dispositif de pilotage devrait intégrer les fonctions suivantes :

— contrôle de 10 voies (bobines),

— possibilité d’injecter au minimum 150 mA dans chaque voie,

— contrôle de la polarité (sens du courant injecté),

— interface informatique (commande et lecture de l’intensité réalisées avec un

ordina-teur),

— automatisation (en autonomie ou via un ordinateur),

— compacité (doit s’intégrer à l’environnement d’un microscope).

Les solutions déjà existantes pour l’alimentation de micro-systèmes font appel à des sources

de courant continu qui alimentent des porte-pointes. Ces équipements sont onéreux et

encombrant, les possibilités d’interface informatique simple sont réduites, par ailleurs les

porte-pointes sont maintenus avec un système magnétique, non compatible avec les systèmes

hybrides, et leur taille permet de placer au mieux 4 pointes, et non 20 (2 par bobine).

Par conséquent une instrumentation spécifique a été développée au laboratoire. Afin de gagner

en rapidité, une solution associant une carte conçue au laboratoire à une carte Arduino Mega

(fournissant une interface électronique et logicielle complète à un micro-contrôleur Atmel) a

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FIGURE3.19 – Support de puce pour le dispositif magnétofluidique. a) Schéma éclaté du

support. b) Photographie du support une fois assemblé.

été adoptée. La carte responsable du contrôle du courant est montée en "bouclier" au-dessus

de la carte Arduino, profitant des nombreuses connexions (pins) disponibles. L’Arduino gère

la communication avec un ordinateur de manière très simple (interface série), et reste une

solution libre !

La Fig.3.20résume l’approche mise en œuvre pour le contrôle de l’intensité. Les bobines

sont connectées d’un coté à l’alimentation (+5 V), et de l’autre à la masse. Un multiplexeur

positionné aux bornes des bobines permet d’intervertir le sens de connexion de la bobine,

et par conséquent le sens de courant circulant au travers. Le multiplexeur est commandé

directement par une sortie digitale de l’Arduino (0 ou 5 V). Afin de moduler l’intensité du

courant, un contrôleur de courant est positionné sur le circuit des bobines, au niveau de la

masse. Comme pour le multiplexeur, le contrôleur de courant est commandé par un "pin"

digital de l’Arduino (associé à une LED pour savoir si la voie est active), mais doit recevoir

également une tension analogique correspondant au courant désiré. Cette tension est fournie

par un convertisseur digital - analogique (DAC), qui est piloté par l’Arduino via une interface

série. Pour terminer avec le circuit des bobines, afin d’avoir un retour sur la valeur du courant

imposé, un ampèremètre est ajouté. Il s’agit en réalité d’un composant retournant une tension

correspondant à la différence de tension aux bornes d’une résistance (placée en série sur le

circuit des bobines). Cette tension est mesurée avec les entrées analogiques de l’Arduino.

Toutes les commandes (sorties digitales et interface série jusqu’au DAC) ainsi que la lecture de

l’entrée analogique sont gérées par le micro-contrôleur de l’Arduino et transmises depuis et

vers un ordinateur via une autre interface série (connexion USB). Un pilote (libre et

multipla-teforme, fourni par Arduino) et un programme écrit en Python (2.7) disposant d’une interface

graphique (librairie PyQt, voir Fig.3.21) forment ainsi le lien entre l’utilisateur et le contrôleur

de courant.

Le choix des composant a en partie été guidé par la réalisation d’une précédente carte de

nature voisine (C. Escriba, R. Fulcrand), s’appuyant sur le même principe de contrôle de

l’intensité électrique. Les références du contrôleur d’intensité et de l’ampèremètre (tension de

sortie proportionnelle à la différence de potentiel mesuré aux bornes d’une résistance de 1Ω

placée sur le circuit des bobines) ont été conservées car leurs caractéristiques conviennent

(limite de 180 mA pour le contrôleur, version disponible avec un gain de 50 pour

l’ampère-mètre) et ils ont fait leurs preuves. Le multiplexeur permet de gérer deux circuits de bobines

(réduction du nombre de composants) et supporte les intensités d’utilisation. Au

labora-toire, Loïc Recoules a permis d’identifier un DAC convenant parfaitement à la carte. Enfin les

connecteurs permettent de lier les 10 voies (20 points de contacts) entre la carte "bouclier" et

une autre carte plus petite, comprenant des connecteurs à ressorts directement en contact

avec la puce. Les références des composants sont listées dans le tableau3.6.

La carte électronique de contrôle du courant a été réalisée afin qu’elle puisse s’insérer

au-dessus de la carte Arduino, elle présente donc les mêmes dimensions. Le routage a requis six

niveaux de cuivre pour le PCB. Une photographie de l’instrumentation une fois terminée est

montrée Fig.3.21a).

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FIGURE3.20 – Schéma du procédé de contrôle de l’intensité du courant électrique parcourant

les électro-aimants. L’utilisateur, le programme informatique (écrit en Python), la carte

Ar-duino et la carte de contrôle développée au laboratoire sont représentés. Les fils représentant

le circuit électrique des bobines entre l’alimentation et la masse sont colorés en bleu. Le reste

des fils et flèches sont des indications de communication et commandes (couleur noire).

Composants Références

Contrôleur intensité MAX1916

Ampèremètre MAX4073

Multiplexeur ADG888

DAC AD8802

Connecteurs cartes Harwin M50-3551042

Connecteurs à ressort Mill-Max Double Row Series 855

TABLEAU3.6 – Récapitulatif des principaux composants utilisés dans la carte électronique pour

le contrôle de l’intensité électrique dans les microbobines.

FIGURE3.21 – Instrumentation pour le contrôle de l’intensité, une fois finalisée. a) Cartes

électroniques (assemblage de deux cartes). b) Interface graphique du programme Python.

centrale dans le choix technologique des systèmes actifs et hybrides, dont la valeur ajoutée est

la commande (temporelle et en intensité) de la force magnétique appliquée. Cette

instrumen-tation de contrôle a rempli son rôle lors des différentes expériences menées. Les programmes

pilotant l’interface et les différentes fonctionnalités peuvent être encore enrichis mais ont

apporté satisfaction lors de ces travaux. Enfin ce système s’avèrera être d’autant plus utile

dans le contexte d’études pour lesquelles les fréquences d’allumage ou de renversement de

polarité des bobines sont plus élevées.

Dans le document Microfluidique 3D et actionneurs magnétiques : de leur intégration à la préparation d'échantillons biologiques (Page 184-188)