Electronique > Réalisations > Alimentations > Alimentation THT 002

Dernière mise à jour : 29/01/2012

Voir ausi Alimentations THT - Bases

Présentation

Le présent exercice, pardon, le présent montage, produit des impulsions de THT (très haute tension) de façon régulière et répétée. Il s'appuie sur l'utilisation d'un transformateur élévateur de tension, couplé à un transistor de puissance qui coupe à intervalles réguliers, le courant dans le primaire du transformateur. Une alimentation similaire mais plus simple et faisant usage d'un relais à la place du transistor de puissance, est présentée à la page Alimentation THT 003.

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 et du transistor de puissance utilisés, peut atteindre quelques milliers de volts (voire 10 KV), mais sous un courant faible et durant un temps très bref, et donc avec une énergie (en joules) faible. Ca choque si on y touche (vous savez peut-être quelle sensation on peut ressentir), 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

Le principe de base est très simple. On laisse circuler un courant continu dans le primaire d'un transformateur, et l'on coupe brutalement ce courant en ouvrant un interrupteur. Cet interrupteur peut être manuel, c'est à dire actionné par vos soins, ou être de type électronique, thyristor ou transistor de puissance. Il peut aussi s'agir d'un relais électromécanique.

alim_tht_base_001a

Au moment où l'interrupteur s'ouvre, il se produit une forte et brêve surtension aux bornes de la bobine primaire du transformateur, dû à l'extra-courant de rupture créé à cet instant. Quelques dizaines ou quelques centaines de volts peuvent être observés à cet instant sur le primaire du transformateur. Du fait du facteur d'amplification du transformateur, lié au rapport du nombre de spires entre primaire et secondaire, une impulsion de très haute tension est produite sur l'enroulement secondaire. Si par exemple l'enroulement primaire du transformateur comporte 30 spires et que l'enroulement secondaire en comporte 3000, le rapport d'amplification est de l'ordre de 100, et à une impulsion de 20 V au primaire correspondra une impulsion de 2000 V au secondaire. Si vous actionnez l'interrupteur de façon répétée, vous produirez des impulsions de THT répétées. Et si maintenant vous remplacez l'interrupteur manuel par un élement de commande électronique et automatique, vous obtenez un générateur d'impulsions THT autonome.

Remarques

Schéma

On peut voir d'après le schéma qui suit, que des composants finalement assez courants permettent parfois d'obtenir des choses fort sympathiques...

alim_tht_002

Oscillateur
Autour de Q1 et Q2...
A la base de tout, et pour disposer d'un montage autonome, il nous faut un oscillateur, qui délivre des impulsions répétées et régulières. Cet oscillateur est construit ici avec deux transistors NPN un peu quelconques, Q1 et Q2. Contrairement à l'oscillateur rectangulaire utilisé pour mon clignotant 004, les deux moitiés de l'oscillateur sont ici "déséquilibrées", la moitié gauche est active plus longtemps que la moitié droite. Si on insérait une LED en série avec la résistance R1, on la verrait s'allumer pendant un certain temps, s'éteindre brièvement et s'allumer à nouveau un certain temps, tout celà avec une périodicité de l'ordre de la seconde. La LED D1, qui est en série avec la résistance R4, montre quant à elle l'activité de la branche de droite, et à l'inverse de la LED qui serait en série avec R1, s'allume de façon très brêve toutes les secondes environ. Pourquoi ne pas mettre une LED en série avec R1, de façon permanente ? Juste pour économiser sur la consommation globale du montage, sachant que l'usage sur une batterie de 12 V est fort probable. La fréquence des impulsions est déterminée par la valeur données aux composants associés aux deux transistors Q1 et Q2. Si vous désirez une cadence plus rapide, il faut diminuer la valeur de C1 et de C2 à peu près dans le même rapport (par exemple 2,2 uF pour C1 et 470 nF pour C2). Pour une cadence plus lente, il faut augmenter la valeur de C1 et de C2 (par exemple 10 uF pour C1 et 2,2 uF pour C2). Nous disposons donc sur le collecteur de Q2, d'une impulsion brêve négative, puisque l'activité de la moitié droite de l'oscillateur se traduit par la mise en conduction (saturation) du transistor Q2. Cette impulsion est ensuite transmise au transistor Q3, qui joue un simple rôle d'inversion de polarité, car le transistor de puissance utilisé juste après demande une impulsion positive. Humpfff... mais alors, pourquoi ne pas utiliser la moitié gauche de l'oscillateur, qui produit déjà une impulsion positive ? Parce que le transistor de puissance nécessite un courant de commande incompatible avec le courant fourni par l'oscillateur, et qu'il faut l'amplifier. Alors tant qu'à ajouter un transistor, autant en prendre un qui occupe une autre tache, histoire de justifier encore un peu mieux sa place. Si la fréquence des impulsions vous semble trop élevée, vous pouvez la ralentir un peu en augmentant légèrement la valeur du condensateur C1, par exemple 6,8 uF ou 10 uF.

Tampon (ou buffer)
Autour de Q3...
Non encreur dans le cas présent, le transistor Q3 apporte une amplification de courant, et permet ainsi d'interfacer plus facilement l'oscillateur avec la partie haute tension. Cela pourrait-il toutefois fonctionner sans ce transistor Q3, en utilisant directement la sortie gauche de l'oscillateur (collecteur de Q1) ? Oui, cela peut fonctionner, si le transistor de puissance demande un courant de commande modeste. Mais la tension THT produite en fin de compte risque fort d'être sacrément amoindrie et moins "convaincante". Plutôt que d'utiliser un transistor darlignton pour la partie haute tension (autorisant un faible courant de commande), j'ai préféré utiliser un transistor NPN spécial haute tension très répendu et donc facilement approvisionnable, associé à un autre transistor de "moyenne" puissance, lui aussi très répendu, pour compenser sa faible sensibilité (son faible gain, devrais-je dire).

Section haute tension
Autour de Q4...
Cette section est composée de deux composants indispensables, qui sont un transformateur élévateur de tension (une bobine d'allumage de voiture par exemple), et un robuste transistor haute tension de type BU508 (que l'on trouve souvent dans les téléviseurs à écran cathodique pour la section balayage lignes) et qui joue le rôle d'interrupteur. Si l'on accèpte des pointes de tension un peu moindres sur la sortie THT, on peut remplacer ce transistor par un modèle BU806, un peu plus petit en taille et en prix, mais qui en contrepartie résiste moins bien aux surtensions et nécessite plus de protection. Les deux diodes zener de 160V cablées entre la base et le collecteur du transistor de puissance Q4 empêche la destruction dudit transistor, lors de son blocage. En effet, il se produit une forte surtension quand on coupe le courant qui circule dans l'enroulement primaire du transformateur TR1. Cela peut sembler être du luxe, puisque le BU508 est censé supporter une tension collecteur-émetteur de 700 V au moins, et que les impulsions présentes sur le collecteur de Q4 atteignent une valeur comprise entre 400 V et 500 V (sans protection exterieure additionnelle). Mais comme en l'absence de ces diodes zener, il arrive que le transistor Q4 lache (et oui, ce bon vieux BU508 si robuste même à une fréquence d'utilisation de 15625 Hz, peut rendre l'âme), j'ai préféré mettre une protection minimale. Je soupçonne la présence de très fortes pointes de tension à certains moments, mais comme je n'y connais rien en électronique, je ne sais pas l'expliquer. En résumé, vous pouvez utiliser pour Q4 :
- soit un BU508, avec deux (ou trois) diodes zener de 160 V en série, cablées entre base et collecteur, pour limiter la tension à 320 V (ou 480 V si trois diodes) entre ces deux électrodes.
- soit un BU806, avec deux diodes zener de 160 V en série, cablées entre base et collecteur, pour limiter la tension à 320 V entre ces deux électrodes, et une autre diode zener de 160 V (une troisième diode de type 1N5384) entre émetteur et collecteur du même transistor, qui ne supporte pas en cet endroit une tension supérieure à 200 V.
La diode D4 permet d'absorber les pics de tension négatifs (quelques dizaines de volts) qui se produisent sur la base du transistor Q4 lors de chaque impulsion. Le condensateur C3, qui absorbe une partie de l'extra-courant de rupture, doit avoir une tension de service d'au moins 400 V, ou de 630 V si vous décidez d'utiliser un BU508 avec trois diodes zener de 160 V entre base et collecteur.

Choix du transformateur haute tension
Attention si vous utilisez un transformateur de récupération dont vous ne connaissez pas les caractéristiques, vous pourriez fort bien endommager l'enroulement servant de primaire, par claquage. Mes premiers tests, qui remontent aux années 80, ont été réalisés avec des transformateurs d'alimentation classiques de type 220 V / 6,3 V, que je montais "à l'envers". Non seulement la tension de sortie (obtenue sur l'enroulement 220 V) était faible (seulement quelques centaines de volts), mais en plus, j'ai réussi à griller plusieurs transfos. Le plus simple est de récupérer une bobine d'allumage pour voiture ou un transformateur THT pour TV à tube cathodique, qui présentent tous deux des caractéristiques parfaites pour ce genre d'usage. Le dernier transfo THT que j'ai essayé est un DIEMEN HR 1AP1 récupéré dans un téléviseur de marque Sharp. A la suite des dernières manip que je lui ai fait endurer, ce transfo a comme qui dirait rendu l'âme... Pour info et pour ce transfo précis, alim +24 V sur broche 4 et commutation vers masse - au travers d'un transistor de puissance BU508 - sur broche 1, sachant que sur la deuxième photo qui suit, la broche 1 est celle en bas à gauche et la broche 10 est celle en bas à droite (attention, brochage pouvant différer pour d'autres modèles de transfos THT de marque DIEMEN).

transfo_tht_001a transfo_tht_001b transfo_tht_001c

J'ai appris il n'y a pas très longtemps qu'il était plus que souhaitable d'ajouter une résistance de valeur comprise entre 500 kO et 1 MO en série avec la sortie THT, pour limiter le courant qui circule dans le secondaire à une valeur non critique pour l'enroulement qui est composé d'un fil très fin. Personnellement, je préfère la bobine d'allumage, qui possède moins de fils et qui est plus pratique à installer dans un coffret.

transfo_tht_002a

Et pour info, on en trouve très facilement chez tout revendeur de pièces détachées pour voiture. Rien ne vous interdit d'aller faire un petit tour chez un ferrailleur ou dans une casse. Mais ne vous faites pas avoir pour autant, on trouve des bobines d'allumage neuves pour 20 euros (pour voitures Fiat notamment, pas obligé de prendre de la marque qui se paye forcement).

Pas assez de tension ?
La tension de sortie dépend essentiellement du transformateur THT utilisé et du transistor de puissance qui le commande. Si vous constatez que la tension de sortie au secondaire du transfo est un peu faiblarde, vous pouvez diminuer la valeur de la résistance R5, jusqu'à 100 ohms voire un peu moins. Cela n'est pas nécessaire si le transistor utilisé est de type BU806 qui est de type darlington, mais cela peut l'être si le transistor utilisé pour Q4 est de type BU508. Attention toutefois, pensez toujours au courant max de Q3 qui reste limité à quelques centaines de mA. Si vous voulez vraiment descendre plus bas la valeur de la résistance R5 (à quelques dizaines d'ohms par exemple), mieux vaut alors utiliser pour Q3 un transistor de puissance tel le darlington TIP122.

Version plus robuste

L'utilisation d'une bobine THT à très faible résistance ohmique primaire (qui peut descendre à 1 ohm voire moins) peut faire du mal au transistor de puissance Q4, qui est dimensionné pour quelques ampères au plus. L'utilisation d'un transistor plus costaud peut être requise, mais qui dit transistor de plus forte puissance, dit aussi courant de base plus important. Et si on reste avec un transistor bipolaire classique et non de type darlington, le courant de base nécessaire peut vraiment devenir important. Le schéma qui suit est une petite variation du premier, il utilise un transistor BUS13 en boitier TO3.

alim_tht_002b

Le BUS13 est capable de tenir 15 A en régime continu, avec un bon radiateur cela va de soi.

alim_tht_002b_bus13

En crête, il supporte des pointes de 30 A si ces dernières ne durent pas plus de 2 ms et qu'elles sont espacées d'au moins une seconde (ce qui laisse le temps à la puce de se refroidir). Mais même si nous partons avec la valeur max de 15 A, ça nous laisse tout de même une très bonne marge de manoeuvre. Pour pouvoir disposer d'un courant collecteur de 15 A, le courant de base doit atteindre 3 A environ. Ce n'est pas négligeable et il faut par conséquent un transistor driver qui demande peu de courant (pour ne pas surcharger l'oscillateur) et qui soit capable de débiter quelques ampères. Le choix du transistor intermédiaire Q3 s'est porté sur un darlington de puissance PNP de type TIP127, capable de fournir un courant collecteur de plusieurs ampères pour un courant de base de quelques dizaines de mA. Son "changement de position" par rapport au premier schéma est lié au fait qu'il s'agit d'un PNP et non plus d'un NPN. Autre petit changement : la pose de deux condensateurs chimiques de forte valeur (2 x 4700 uF) qui devront être positionnés au plus près du collecteur du transistor Q4. Ces deux condensateurs constituent une réserve d'énergie pour le courant assez intense à faire passer quand Q4 devient passant. Si vous disposez d'une bobine THT dont la résistivité ohmique du primaire est vraiment très faible (par exemple 0,3 ohm), vous pouvez essayer d'ajouter une résistance de faible valeur (disons un ohm) en série avec le primaire, pour limiter la pointe d'intensité qui passe dans le transistor de puissance. Cette résistance additionnelle apporte cependant un petit "amortissement" qui tend à diminuer la "force de frappe" de la bobine, et la tension de sortie peut être limitée (à essayer).

Prototypes

Ci-après, photo de Michel C. qui a réalisé avec succès ce générateur d'impulsions THT.

alim_tht_002_proto_mc_001a

Michel a modifié légèrement les valeurs de l'oscillateur pour accélerer un peu la cadence.

Circuit imprimé

Non réalisé.

Remarques diverses

J'ai retrouvé il n'y a pas très longtemps, le schéma d'un vieux système de cloture électrique, dont l'oscillateur était basé sur un NE555. Quoi de plus logique, allez-vous penser. Mais là n'était pas la curiosité. J'ai été surpris par le cablage du secondaire du transfo élévateur de tension, dont un fil allait vers la cloture (normal), et dont l'autre fil était relié sur le collecteur du transistor de commande, donc ni à la masse du montage, ni à la terre ferme. Avez-vous une idée de la raison d'une telle façon de faire ? Moi non, si ce n'est envisager une erreur de dessin, toujours possible.

Réponse de Samuel D. - 03/07/2009
Un géné à son potentiel et la référence. Dans les cas de la cloture et de votre schéma, le potentiel est le point haut du bobinage secondaire, et la référence est le point bas du bobinage secondaire. Vous reliez cette référence à la terre... c'est un choix... si vous etes sur batterie, votre alimentation est donc isolée entre primaire et secondaire. Pour la cloture dont le schéma vous a surpris, le choix de la référence est le collecteur ce qui permet de s'affranchir du lien à la terre (certaines alimentations référencent leur masse à la terre), pour par exemple ne pas remonter les perturbations via la terre... dans l'alimentation au autres appareils... En somme, c'est un choix qui dépends des parturbation des besoins en référence, en isolation etc...

Ce n'était donc peut-être pas une erreur de schéma. Merci pour cette explication, même si je ne l'ai toutefois personnellement pas très bien assimilée ;-).

Historique

29/01/2012
- Ajout photo prototype de Michel C.
23/10/2011
- Correction schéma : la borne "inférieure" de la bobine secondaire du transfo THT n'était pas reliée à la borne "inférieure" de la bobine primaire. Ce "retour" de masse / terre conduisait à des impulsions THT d'amplitude moindre que celles qu'on pouvait espérer.