Filtrage d'un moteur piezo

A quoi sert la bobine dans les moteurs piézos ? Dans les gros moteurs piézos en plastique, on peut en effet apercevoir une bobine à l'intérieur. Quel est son rôle et comment parvient-elle à augmenter la puissance et le rendement du moteur piézo pour produire davantage d'aigus ? Si cette bobine peut donner l'illusion un court instant d'un moteur à compression traditionnel basé sur une bobine mobile mais sans aimant, la bobine qui loge dans le moteur piézo a un rôle de filtrage, mais une astuce essentielle offre tout de même, avec subtilité, de quoi éveiller l'intelligence curieuse de technique. Le rôle de la bobine est en réalité double. Quelques explications dans la suite de cet article.

Voici donc un moteur piézo démonté pour la compréhension du fonctionnement et du rôle de la bobine à l'intérieur.

Illustration simple de la piézoélectricité

La piézoélectricité est la propriété d'un matériau à faire apparaître une tension lorsqu'on le déforme et réciproquement de se déformer lorsqu'on applique une tension à ses bornes. L'illustration ci-dessous montre comment un ensemble équilibré (cristal) en charges se polarise par une déformation :

Illustration simple de la piézoélectricité

On voit que lors de la déformation, on a deux charges positives et une seule négative dans la moitié gauche et deux charges négative et une seule positive dans la moitié droite. Un déséquilibre est apparu dans cet hexagone déformé (qui représente un cristal fait d'atomes de silicium et d'oxygène).

Moteur d'aigus piézo et bobine de filtrage

Un moteur d'aigus piézo avec bobine a été démonté pour saisir le rôle de cette mystérieuse bobine. On commence par démonter le moteur d'aigu piézo :

Moteur d'aigu piézo à bobine : démontage

On voit la partie piézoélectrique classique d'un tweeter mais branchée à la bobine :

Moteur d'aigu piézo à bobine

La partie piézoélectrique est un petit disque collé à la membrane et connecté par ses deux faces.

Moteur d'aigu piézo et bobine vus de côté

La bobine du moteur piézo est démontée (elle est ici décollée de la structure en plastique). La bobine possède 3 bornes (une borne intermédiaire d'où partent deux fils). Avec le condensateur, la bobine démontée ressemble à ceci :

Bobine et condensateur de filtrage du tweeter piézo

Le condensateur, l'entrée et la sortie de la bobine (qui possède 3 bornes) sont connectés de la façon suivante :

Filtrage par bobine du tweeter piézo

Comment la bobine du moteur piézo fonctionne-t-elle ?

Schéma du filtrage du tweeter piézo par bobine

Quel est le schéma électrique de la bobine du moteur piézo ? La bobine possède un point milieu connecté à l'entrée via le condensateur et la sortie de la bobine est connectée à la partie piézoélectrique. Le schéma de filtrage du moteur piézo figure ci-dessous :

Schéma du filtrage du moteur piézo avec la bobine

Fonctionnement du filtrage : transformateur élévateur

Inductance de filtrage : mesures

Le rôle de la bobine, représentée sur le schéma par L1 et L2 est double.

La bobine sert de filtrage passe haut avec le condensateur C1. L1 et L2 agissent comme un transformateur élévateur de tension.

Si le couplage magnétique entre L1 et L2 était parfait (coefficient de couplage égal à 1), il s'agirait d'un autotransformateur qui élève d'un facteur 10. L2 possède 9 fois plus de spires que L1. Au total, il y a 10 fois plus de spires entre les extrémités de la bobine (aux bornes du tweeter piézo) que dans L1.

La mesure des inductances donnent :

L1 : 120 uH, 5 Ohms

L2 : 10 mH, 46 Ohms

L1 + L2 (extrémités) : 12 mH, 51 Ohms

Il n'y a pas une simple addition des valeurs de L1 et L2 parce qu'il y a un couplage entre L1 et L2. En revanche, les résistances série des bobinages s'additionnent simplement (résistance en série).

Couplage magnétique dans la bobine

Le couplage existe entre les inductances L1 et L2. Pour estimer le couplage, on court-circuite les extrémités (là où est branché le tweeter piézo) et on mesure l'inductance aux bornes de L1 :

• si L1 n'a pas changé (120 uH), c'est que L2 n'a aucune influence. Le couplage est nul.
• si L1 vaut 0 : le couplage est parfait. L1 et L2 se comportent comme un transformateur idéal et le court-circuit d'une bobine est parfaitement "visible" depuis l'autre.

En pratique, on mesure ici pour L1 une valeur de 20 uH. Il s'agit donc d'une valeur intérmédiaire qui indique la qualité du couplage magnétique.

Impédance du tweeter vue au primaire

l'impédance du tweeter piézo est par nature très élevée et vaut environ 100 nF. Si le couplage magnétique entre L1 et L2 était parfait, l'impédance du tweeter vue en parallèle avec L1 serait divisée par le carré du rapport de transformation. Le tweeter apparaîtrait comme ayant une impédance 100 fois plus faible, soit une capacité de 10 uF environ (capacité équivalente 100 fois plus grande).

Etant donné que l'impédance d'un tweeter piézo est très grande (1 kOhm à 1 kHz), on peut la diviser par 100 par le biais de ce transformateur (L1 et L2). En ordre de grandeur, le dimensionnement est correct.

En pratique, le couplage n'est pas parfait et l'impédance vue de l'entrée est un compromis complexe d'inductance, de capacité, de résistance série des bobines (de L1 et de L2 ramené à L1) et des éléments que forment l'impédance réelle d'un tweeter piézo.

Condensateur de filtrage C1

Nécessité du condensateur de filtrage

Le condensateur de filtrage C1 a pour but d'éviter que la tension issue de l'ampli (la tension qui arrive sur l'enceinte) n'arrive sur L1. En effet, L1 ne peut supporter que quelques Volts à ses bornes. Si on suppose que la dissipation est limitée à 10 Watts et qu'à basses fréquences, l'impédance de L1 est négligeable (à 100 Hz, l'impédance de L1 ne vaut que 0,08 Ohm), seule la résistance de 5 Ohms compte.

Peu d'aigus dans la musique

En considérant l'effet Joule et la loi d'Ohm, la tension maximale à ses bornes vaut donc 7 Volts. Or une puissance de 200 Watts dans une enceintes de 8 Ohms correspond à une tension de 40 Volts. Il faut donc bloquer la majorité de la puissance et ne laisser passer que les aigus, ce qui fait C1.

On peut (et on doit pour dimensionner) considérer que dans la musique, il n'y a pas beaucoup d'aigus et que C1 va bloquer la majorité des fréquences. Il est raisonnable de considérer que sur 40 Volts de musique, il n'y aura que quelques Volts qui seront aux bornes de C1. Si la totalité de la musique était concentrée dans les aigus, les tweeters de la plupart des enceintes grilleraient très rapidement !

Condensateur de filtrage du tweeter... polarisé

C1 est polarisé : une erreur de conception du tweeter (voir photos plus haut) ! Probablement C1 a été choisi polarisé pour des raisons économiques. Il est prudent de le remplacer par un condensateur non polarisé ou de supprimer complètement l'ensemble du filtrage (bobine et condensateur).

Rendu du moteur piézo

Le son qui sort du moteur piézo est le résultat d'un filtrage (par C1 et L1) puis d'une élévation de tension par le (mauvais) autotransformateur L1 et L2. Le rendu sonore est ainsi plus fort (meilleur rendement) que si la partie piézoélectrique était reliée directement sans bobine. Par ailleurs, la bande passante est limitée aux sons les plus aigus : le filtrage lié à C1 et L1 fonctionne.

La qualité sonore des aigus peut sembler moins fine que si la connexion de la partie piézo était directe. L'ensemble des composants (condensateur et bobine) augmente le rendement dans la bande passante mais semble aussi augmenter la distorsion et l'agressivité ressentie des aigus.

Suppression du filtrage du moteur piézo

On peut être tenté de supprimer complètement le filtrage prévu dans le moteur piézo et de remplacer ce filtrage par la simple résistance à ajouter en série avec le tweeter piézo :

Reconnexion directe du moteur piézo sans la bobine

Le but est ici d'éviter de mettre en péril le condensateur polarisé et de bénéficier d'un son plus juste et moins distordu, quoique non amplifié et donc avec un rendement plus faible.

Filtrage d'un tweeter piézo

Pour lever le doute sur le terme de "filtrage" d'un tweeter piézo :

Filtrer un tweeter piézo avec une résistance, pourquoi est-ce utile

Mot de la fin

Un moteur d'aigu piézo qui possède une bobine à l'intérieur a été démonté pour comprendre le fonctionnement. La bobine sert à la fois de filtrage et d'élévateur de tension comme un transformateur. Le but est d'augmenter la tension aux bornes du tweeter piézo et ainsi augmenter le rendement, mais probablement au détriment de la relative qualité sonore issue de ce piézo.