Contribution à l'étude des générateurs piézoélectriques pour la génération des décharges plasmas

Contribution to the study of piezoelectric generator for generation of plasma discharges

• Auteur / Autrice : Thomas Martin
• Direction : Jean-François Rouchon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 27/01/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Décharges électriques dans les gaz

Dispositifs piézoélectriques

Mots clés libres

Transformateur piézoélectrique

Modèle plasma 2D

Modèle analytique non-linéaire

Haute permittivité

Distribution du potentiel de surface

Décharge à barrière diélectrique

Décharge plasma

Emission électronique ferroélectrique

Piezoelectric Transformer

Non-linear Analytical Model

Surface potential distribution

Plasma discharge

2D plasma model

High permittivity

Dielectric barrier discharge

Ferroelectric electron emission

Résumé

Si l'utilisation des transformateurs piézoélectriques se bornait jusqu'alors à l'alimentation ou la protection de dispositifs électriques, ils sont aujourd'hui envisagés pour la génération de décharges plasma directement à leur surface. Les propriétés remarquables de ces générateurs piézoélectriques en font une alternative intéressante aux dispositifs conventionnels, notamment par la simplicité de mise en œuvre. La surface du transformateur constitue à la fois le support de décharge et l'élément élévateur de tension réduisant significativement l'encombrement des dispositifs. En outre les gains en tension de ces transformateurs sont remarquablement élevés et permettent d'obtenir des décharges pour des tensions d'alimentation n'excédant pas quelques volts. Ces avantages peuvent répondre avantageusement à certains problèmes rencontrés dans les procédés plasmas dont l'implantation dans les processus industriels, bien qu'elle soit en constante amélioration, est parfois confrontée à des problèmes de mise en œuvre d'enceintes complexes, rendant le procédé couteux ou inadapté aux conditions opératoires. L'objet de cette thèse porte sur l'étude fondamentale d'un transformateur piézoélectrique de type Rosen dédié à la génération de décharges électriques. Plus particulièrement, ce travail s'attèle au développement d'un modèle analytique permettant de mieux appréhender les limites de ce procédé innovant, ainsi qu'une meilleure compréhension du comportement des décharges plasma face aux spécificités de ce transformateur et de son matériau. Pour ce faire l'étude se consacre en première partie à la caractérisation du transformateur piézoélectrique hors décharge à partir de ses bornes, puis à l'extension d'un modèle analytique afin d'appréhender la distribution du potentiel électrique à sa surface. Le développement d'un dispositif expérimental permettra la mesure du potentiel ainsi que la discussion du modèle. Dans un second temps l'étude s'attache au comportement du transformateur piézoélectrique en décharge. La distribution de potentiel à présent connue constitue une donnée d'entrée nécessaire à l'étude de la dynamique de décharges dans ces différentes configurations. Les phénomènes à l'œuvre dans ce processus de génération étant complexes, l'étude est conduite suivant différentes étapes. Tout d'abord en passant par l'étude des propriétés des céramiques ferroélectriques au travers d'une décharge à barrière diélectrique plan-plan. Ensuite la dynamique des décharges est abordée par modélisation numérique suivant trois configurations différentes. Ces cas d'études conduisent à des régimes de décharges différents pouvant faire l'objet de mise en application future. Bien que le problème soit sous l'hypothèse d'un couplage faible, les résultats ont corroborés les observations expérimentales et ont permis de mieux comprendre l'influence des hautes permittivités et de la distribution du potentiel sur l'évolution spatio-temporelle de ce procédé.

Nowadays piezoelectric transformers are not only used to supply or protect electrical devices, but also to generate plasma discharges directly on their surface. The remarkable properties of these piezoelectric generators make them an interesting alternative to conventional devices, especially the simple implementation. The surface of the transformer constitutes both the discharge support and the voltage elevator component reducing significantly the bulk of the devices. Besides the transformers' gain voltage are remarkably high and permit to generate discharges for low voltage supply not exceeding a few volts. These advantages respond to some problems met in the plasma processes of which the establishment in industrial processes - in constant improvement - is sometimes confronted to problems of chambers implementations, making this process expensive and not adequate to the operating conditions. The purpose of this thesis focuses on the fundamental studies of a Rosen piezoelectric transformer dedicated to the generation of electrical discharges. In particular, this work tackles the development of an analytical model allowing to improve the understanding of the limits of this innovating process, as well as a better comprehension of the plasma discharges behavior face with transformer and material features. In order to do this the first part of the study is devoted to the characterization of the piezoelectric transformer without discharge, then the extension of the analytical modeling in order to comprehend the distribution of surface electrical potential. The development of an experimental device will allow the potential measurement and the discussion of the model. In a second part the study focuses on behavior of the piezoelectric transformer in discharge. The potential distribution known today constitutes a necessary input data for the study of the discharge dynamic in different configurations. The complexity of the phenomena implemented in this process of generation requires to conduct the study following different steps. First of all, by the study of ferroelectric ceramic features through a dielectric-barrier discharge. Then the discharges dynamic is approached by numerical modeling following three different configurations. This cases conduct to different discharge regimes that can be the subject of future application. Even if the problem is under the hypothesis of a weak coupling, the results confirmed the experimental observations and permitted to understand better the influence of high permittivity and of the potential distribution on the saptio-temporal evolution of this process.