Voir ausi Alimentations THT - Bases
Présentation
Cette alimentation fait usage d'une bobine d'allumage de voiture et est conçue pour délivrer des impulsions de THT (Très Haute Tension) à partir d'une tension de 12 V provenant d'une batterie. La consommation moyenne est voisine de 100 mA, une batterie de 12 V / 40 Ah peut donc tenir environ 15 jours avant de devoir être rechargée. Contrairement aux alimentation THT 002 et alimentation THT 003 qui délivrent des tensions de quelques kV à 10 kV maximum, celle-ci est capable de délivrer des impulsions de valeur comprise entre 10 kV et 30 kV, selon la bobine d'allumage utilisée (il en existe tellement !).
Utilisations
Ce montage est destiné à montrer une façon de faire pour produire des impulsions de THT. L'amplitude des impulsions, qui dépend principalement du transformateur utilisé, peut atteindre quelques milliers de volts, mais sous un courant faible et durant un temps très bref, et donc avec une énergie (en joules) faible. Ca choque bien si on y touche et ce n'est pas dangeureux pour la majorité des humains, mais qui dit majorité sous-entend aussi l'existence d'une minorité...
Sans autorisation, vous ne pouvez utiliser ce type de montage que chez vous, et surtout pas pour faire des blagues à votre petite soeur ! Je suis très sérieux.
Avertissement
Ce montage peut être utilisé pour électrifier une cloture d'animeaux domestiques tels que vaches ou chevaux, mais pour celà, vous devez en avoir l'autorisation (renseignement auprès de votre mairie), et surtout disposer des écritaux à intervalles réguliers pour avertir les promeneurs que la cloture est electrifiée. Depuis les années 90, ce genre de montage ne peut plus être fabriqué et installé en mode "sauvage", la réglementation impose un marquage et des vérifications de conformités électriques (tension, puissance, rayonnements parasites, etc).
Les explications données ici s'adressent à des personnes ayant déjà une certaine connaissance de l'électronique, et devraient être assez claires. Cependant, si vous avez le moindre doute, ne tentez rien ! Je décline toute responsabilité en cas de problèmes résultant de mauvaises manipulations ! Il est question ici d'élements produisant une tension élevée, qui si elle n'est pas forcement toujours dangeureuse, peut néanmoins être très désagréable et choquante. Les précautions d'usage s'appliquent avant toute intervention.
Principe de base
Ici, nous avons affaire à une alimentation THT à décharge capacitive. Au lieu de commuter directement une tension de 12 V aux bornes de la bobine primaire du transfo THT, on commute une tension de 300 V environ, cette tension intermédiaire étant produite par un convertisseur DC/DC rudimentaire. Du fait que la tension primaire commutée dans la bobine est plus élevée et que le rapport de transformation de la bobine d'allumage reste le même (rapport 1:100, 1:200 ou 1:400), la tension de sortie l'est également. La commutation d'une tension continue de 300 V pouvant sur le long terme poser problème aux transistors traditionnels (bien que je sache qu'il existe des modèles HT qui tiennent le coup), un thyristor est utilisé pour assurer la fonction de décharge du condensateur (qui stocke la tension de 300 V) dans le primaire de la bobine d'allumage. Il faut dire aussi que mine de rien, un courant de pointe de plusieurs ampères ou de plusieures dizaines d'ampères transite dans l'élement de commutation (le thyristor) à chaque impulsion de THT produite. Et un bon thyristor, croyez-moi, ça peut être assez costaud.
Schéma
Le schéma est certes un peu plus compliqué que celui des autres générateurs THT visibles ailleurs sur ce site, mais il faut ce qu'il faut pour garantir l'amplitude élevée des impulsions THT.
Principe général de fonctionnement
Un convertisseur DC/DC (continu/continu) produit une tension continue voisine de 300 V à partir d'une basse tension de 12 V (batterie de voiture par exemple). Cette tension de 300 V charge un condensateur. Ce condensateur est à intervalles réguliers, brutalement déchargé dans le primaire d'une bobine d'allumage de voiture, ce qui se traduit sur le secondaire de la bobine par des impulsions de THT.
Convertisseur DC/DC - 12 Vdc vers 300 Vdc
Point l'idée ici de réaliser un convertisseur DC/DC parfait, avec un rendement du tonnerre. On utilise un transformateur d'alimentation tout ce qu'il y a de plus classique, modèle 230 V / 12 V (5 VA ou plus). Le transformateur TR1 est ainsi monté à l'envers, une des deux bornes de son enroulement "primaire" (ici enroulement 12 V) est reliée en permanence au +12 V alors que l'autre borne du même enroulement est commutée à la masse au travers du transistor de puissance Q1 (TIP3055, plus pratique à monter mécaniquement que le 2N3055). La cadence des commutations de la tension de 12 V dans le transformateur se fait au rythme des crénaux délivrés par l'oscillateur bâti autour de U1/NE555, via sa broche de sortie 3. Les résistances R3 et R4 peuvent sembler posséder une valeur bien faible, mais cela est requis pour assurer un courant de base suffisant pour Q1. Ainsi, même si le gain du transistor Q1 n'est pas au plus haut de sa forme, le transistor travaillera bien en régime bloqué / saturé. Mais qui dit courant de base plus élevé dit aussi échauffement plus important des résistances de base, c'est pourquoi il y en a deux et non une seule : la dissipation thermique est répartie et se fait mieux. Il faut dire que là, je tire un peu enseignement de mon régulateur simple pour moteur 003 analysé après 20 ans de service. La fréquence d'oscillation du premier NE555 (U1) étant comprise entre 3 kHz et 4 kHz, on ne peut pas vraiment dire que cela correspond au style du transformateur d'alimentation TR1 qui s'attend à recevoir du 50 Hz. Mais bon, le bon bougre accèpte tout de même de travailler, même si les signaux rectangulaires qu'on lui donne ressortent plus tout à fait sous la même forme. L'important est bien d'avoir un transfert d'énergie suffisant et de disposer d'une tension alternative d'environ 200 V à 230 V efficace au "secondaire" du transformateur TR1 (enroulement 230 V). Les quatre diodes D1 à D4 redressent le signal alternatif issu de TR1 pour le transformer en une tension (presque) continue de valeur voisine de 300 V, avec l'assistance des deux condensateurs C2 et C3 qui assurent le rôle de filtrage. La résistance R5 montée en série avec ces deux condensateurs permet de limiter le courant d'appel qui y circule quand ils sont déchargés, elle joue un rôle négligeable une fois que la machine est lancée. Les deux résistances R6 et R7 permettent de décharger rapidement C2 et C3 quand on coupe l'alimentation 12 V. On évite ainsi toute désagréable surprise au cas où nous viendrait cette détestable manie de mettre les doigts n'importe où. Si on considère le thyristor U2 dans son état bloqué (c'est le cas à 99,9% de son temps de travail), alors la tension de 300 V produite et disponible aux bornes de C2/C3/R5 peut tranquillement charger le gros condensateur C4 via le bobinage primaire du transformateur THT.
Génération des impulsions de THT
Mais comme le thyristor doit bien bosser un peu de temps en temps, il lui arrive d'être brusqué par une impulsion appliqué sur sa gachette (G) et de rendre d'un coup conducteur sa jonction Anode-Cathode (A-K). Quand cela arrive, le condensateur C4 se décharge brutalement au travers du thyristor et de l'enroulement primaire du transfo THT, et c'est à cet instant précis que se produit ce qui doit se produire : une jolie impulsion de THT en sortie du transfo TR2. Il ne reste qu'à automatiser l'excitation du thyristor pour entrer dans un monde parfait - pas besoin de rester à côté de la boîte cloture, il fait parfois frisquet la nuit et les vaches peuvent aussi faire peur. Pour cette réalisation, j'ai utilisé une bobine d'allumage VALEO 245081 (pour BMW 316-318-320-518-520-525-530-535) simplement à cause de son prix, qui est dans les moins chers du marché (30 euros).
On trouve des bobines d'allumage encore moins chères pour des mobylettes ou scooter (entre 15 et 30 euros) que je n'ai pas essayées.
Horloge de base
L'horloge de base rythme la cadence des impulsions de haute tension. C'est elle qui dit quand il faut décharger le condensateur C4 dans la bobine primaire au travers des jonctions A-K du thyristor. Point besoin de se compliquer la vie pour trouver un schéma convenant pour cet usage, là encore un NE555 est tout indiqué (bien entendu vous avez le droit d'opter pour un autre type d'oscillateur rectangulaire). Avec les valeurs choisies ici pour les composants satellite du second NE555 (R8, R9 et C5), la fréquence d'oscillation de U3 (mesurable au point marqué Osc2) est voisin de 0,5 Hz, soit un cycle toutes les deux secondes. Pour diminuer la cadence, il suffit d'augmenter la valeur du condensateur C5. La LED D6 indique par son clignotement le rythme des impulsions.
Remarques diverses
- Si vous regardez bien les bobines d'allumage pour voiture, vous constaterez qu'elles possèdent pour l'enroulement primaire une borne [+] et une borne [-]. Le fait de raccorder à la masse la borne [+] de la bobine primaire n'est pas une erreur : le condensateur C4 se charge en effet sous une tension continue, et l'armature la plus négative est bien celle qui est reliée à la masse à travers la bobine primaire.
- Le thyristor doit normalement peu chauffer, c'est pourquoi un petit dissipateur thermique lui suffit. Le modèle choisi peut être un peu quelconque mais évitez tout de même le gros modèle (10 A ou plus) qui demande un courant de gachette important, il pourrait fort bien ne jamais vouloir se déclancher. Un modèle de thyristor qui peut être déclanché avec un courant de gachette compris entre 0,5 mA et quelques mA est conseillé. Pour ma part j'ai utilisé un C122D de récupération (modèle 400 V / 8 A) qui a tenu bon pendant plusieurs heures et qui n'a quasiment pas tiédi. Ceci ne m'empêche pas de préconiser un modèle 600 V pour plus de sécurité.
- La consommation augmente un tout petit peu après chaque impulsion de THT, mais c'est tellement bref comparé au temps qui sépare deux impulsions qu'il me semble inutile de chercher à espacer plus les impulsions pour disposer d'une plus grande autonomie batterie. Une impulsion toutes les deux secondes me paraît être une cadence "standard" et correcte.
- Si le circuit doit coucher dehors, tous les composants doivent être choisis dans une gamme permettant un fonctionnement correct à températures extrêmes, entre -40 et +80 degrés Celcius. Il en va de la fiabilité du montage.
- Il existe un grand nombre de bobines d'allumage : des modèles classiques, des modèles "crayon", des modèles doubles où chaque bobine attaque en même temps deux bougies d'allumage... Toutes les bobines ont cependant un paramètre commun qui est le rapport de transformation. Ce dernier peut être de 1:100, 1:200, 1:400 par exemple. Pour l'application qui nous concerne ici, privilégiez un modèle dont le rapport est de 1:200 ou de 1:400. Les bobines de rapport 1:100 sont parait-il moins adaptées aux allumages assistés par électronique (transistorisés) et supportent moins les fortes crêtes d'intensité. Je ne suis pas spécialiste du domaine et ne saurais dire si cela est vrai ou non. Pour ma part, n'ayant pu remettre la main sur la bobine que je possédais étant môme, je suis simplement allé dans un centre auto (pas de casse à côté de chez moi) et ai choisi le modèle premier prix qui me semblait avoir une bonne tête.
Quid de l'énergie (en joules) ?
L'énergie développée est fonction de la tension de sortie, de l'intensité et du temps, on peut l'exprimer en Joules (J) ou en Ws (Watt.seconde).
E (J) = U (V) * I (A) * T (s)
Par définition, un joule correspond à l'énergie déployée pendant une seconde dans une résistance parcourue par un courant de 1 A et déployant à ses bornes une tension de 1 V (la résistance vallant donc 1 ohm).
Par exemple, si nous disposions d'une alimentation continue de 10 kV capable de débiter en permanence un courant de 2 mA, alors l'énergie disponible serait de :
E (J) = 10000 (V) * 0,002 (A) * 1 (s) = 20 Joules
Ca ferait beaucoup pour un pauvre petit doigt égaré.
Si pour autre exemple nous disposons d'une impulsion de 30 kV sous une intensité de 1 mA et qui ne dure que 1 ms, alors l'énergie serait de :
E = 30000 (V) * 0,001 (A) * 0,001 (s) = 0,03 Joules
A titre de comparaison, l'énergie déployée au niveau de l'étincelle d'une bougie d'allumage d'un moteur essence est généralement comprise entre 0,04 J (anciens systèmes d'allumage purement mécaniques) et 0,2 J (système avec allumage électronique). Pour une cloture électrique d'animaux, l'énergie dévellopée est de l'ordre du joule.
Pour l'électrificateur de cloture visible sur la photo ci-avant et prévue pour des chevaux, la tension de sortie est de 8 kV pour une énergie de 2,2 J, une impulsion toutes les secondes. Alimentation sur le secteur et non sur batterie 12 V.
Prototype
Plusieurs réalisés à gauche et à droite, un seul de mon côté.
Mon prototype
Réalisé sur plaque d'expérimentation à pastilles.
Dans un premier temps j'ai vérifié le bon fonctionnement des deux oscillateurs, sans connecter le transformateur d'alimentation ni le thyristor. La fréquence des deux oscillateurs n'était pas stable du tout et variait quand je touchais du doigt les circuits intégrés. Ca m'a rappelé un vieux souvenir et j'ai mis les condensateurs de 10 nF que j'avais oublié de câbler sur la broche 5 des NE555. Après cette petite correction tout allait bien. Le transistor de puissance TIP3055 chantait à la fréquence du premier oscillateur, comme il a l'habitude de le faire même sans charge derrière lui. Etape suivante, connexion du transformateur et vérification tension au "secondaire". 210 V alternatif (efficace), parfait pour poursuivre. Connection du gros condensateur 2,2 uF (oui, je sais, j'ai mis un 1 uF sur le schéma, mais je n'avais qu'un 2,2 uF en stock), du thyristor et de la bobine d'allumage. Comme à l'acoutumé petite angoisse au moment de la mise sous tension, j'ai réglé le limiteur de courant de l'alim secteur à 200 mA - le montage étant sensé consommer environ 100 mA. Et là bonne surprise, de superbes étincelles de plusieurs centimètres, bien chaudes et bien claquantes. Ca faisait longtemps que je n'avais pas fait un montage qui marche (pesque) du premier coup.
Vidéo de démonstration
Allez, une petite vidéo pour voir le montage à l'oeuvre.
Prototype de Michel
Les deux NE555 ont été remplacé par un NE556 (double NE555), voir schéma adapté de Michel.
Merci Michel pour ton retour et pour les photos !
Prototype de Patrick P.
Réalisé sur plaque prépercée puis ensuite mis au propre sur un beau circuit imprimé. Patrick a utilisé un transfo 230 V / 18 V pour l'élevateur de tension, afin de disposer d'une tension continue moindre au primaire de la bobine HT.
Typon proposé par Patrick
Merci Patrick pour les retours et pour le typon !
Tension de sortie trop élevée ?
Le circuit présenté ici délivre des impulsions dont l'amplitude est peut-être très supérieure à celle dont vous aimeriez disposer. Voici quelques propositions allant dans le sens d'une diminution de l'amplitude des impulsions de sortie, qui dépend avant tout de la valeur de la tension continue de 300 V qui charge le gros condensateur de 1 uF en série avec le primaire de la bobine THT.
- Le transformateur d'alimentation secteur utilisé ici est un modèle 230 V / 12 V / 500 mA dont le primaire (utilisé ici en secondaire) bénéficie d'une prise intermédiaire pour alimentation en 110 V. En utilisant la moitié du bobinage "primaire" de ce transfo, la tension alternative mesurée en sortie transfo n'était plus de 210 V mais de 90 V. Cette tension une fois redressée ne fait plus 300 Vdc mais 125 V, ce qui grosso-modo conduit à une amplitude moitié moindre en sortie THT. Autre solution côté transfo alim secteur, opter pour un modèle 15 V, 18 V ou 24 V au lieu d'un modèle 12 V.
- Si vous disposez d'un transformateur sans entrée 110 V ou si malgré son utilisation en 110 V l'amplitude des impulsions THT reste encore trop élevée, vous pouvez rendre ajustable la fréquence du premier oscillateur à NE555. Pour cela remplacer la résistance R2 par un potentiomètre de 100 kO monté en série avec une résistance fixe de 1 kO, et remplacez le condensateur C1 de 100 nF par un condensateur de 22 nF ou 47 nF. Ajuster ensuite lentement le potentiomètre jusqu'à ce que le transfo, par effet de mauvais rendement, délivre une tension plus faible.
- Vous pouvez aussi ajouter une résistance de faible valeur (quelques ohms à quelques dizaines d'ohms maximum) en série avec le primaire de la bobine THT, pour "amortir" le choc. C'est une solution qui fonctionne mais qui nécessite plusieurs tests pour déterminer la bonne valeur à donner à cette résistance additionnelle.
- Bien que n'ayant pas essayé, je pense que l'usage d'une bobine THT pour véhicule deux roues permettrait aussi une baisse assez sensible de l'amplitude des impulsions THT. Ce genre de bobine, plus petite et plus légère que celle du genre que j'ai utilisée, coûte de surcroit moins cher, les premiers prix se situent autour de 15 euros la bobine.
- Là non plus je n'ai pas fait d'essai ni de mesure, mais j'ai autrefois lu que certains bricoleurs plaçaient une résistance de forte valeur directement en sortie THT en vue de constituer un pont diviseur résistif avec le corps humain ou animal. En fait de résistance, il n'y en avait pas qu'une mais plusieurs montées en série (genre cinq ou dix résistances de 100 kO à 1 MO chacune).
Circuit imprimé
Non réalisé.
Historique
28/09/2014
- Ajout photos prototypes de Michel et Patrick P., que je remercie pour leurs retours !
29/01/2012
- Ajout voyant (LED D6) clignotant au rythme des impulsions.
20/11/2011
- Première mise à disposition.