Transformateur de Tesla (ou Tesla coil) La petite histoire Comprendre simplement Domaines de présence Son interprétation dans l'avenir Les références Mais encore …

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©Kevin Eldregde

La petite histoire  Up Page Origine, raisons, hasard Certains amateurs ont pu créé des prototypes permettant des éclairs de 2 à 5 mètres. D'autres, sont devenus professionnels et construisent des modèles pour les musées, les effets spéciaux au cinéma et dans la publicité, les démonstrations en plein air (décharges de 20 à 30 mètres).   La réalisation de générateurs "artisanaux", à très haute tension (1 000 000 Volts) et à très hautes fréquences (50 - 150 kHz), sont susceptibles de décharges électriques spectaculaires (3 à 30 mètres). Les tensions extrêmes mises en jeu nécessitent une grande rigueur dans les montages et le respect absolu de sécurité. Il n'existe pas de seconde chance.

Comprendre simplement  Up Page Principes de fonctionnement Nikola Tesla a obtenu une double élévation de tension en bénéficiant, d'une part du rapport de transformation lié à l'inégalité du nombre de spires entre le bobinage du primaire et le bobinage du secondaire, et d'autre part du coefficient de surtension qui caractérise un circuit réglé sur la fréquence de résonance.   Rapport de transformation L'alimentation est assurée par un transformateur élévateur de tension (5 à 30 kHz), à fréquence industrielle (50 où 60 Hz selon les pays), qui charge un condensateur (main capacitor) à travers la bobine primaire (primary coil) formant, avec la distance d'éclatement, le circuit de puissance résonant. La bobine du secondaire (secondary coil) du transformateur Tesla est placée verticalement sur la bobine primaire, ce qui permet l'induction.   Elle a été précisément construite pour que son inductance, son impédance et la capacité de l' électrode du sommet (top load) forment un circuit résonant dont la fréquence est justement celle du circuit primaire. Les tensions au sommet de la bobine secondaire et de l'électrode terminale peuvent atteindre facilement des centaines de milliers, voire des millions de volts, à hautes fréquences et relativement en basse intensité. Lorsque la longueur de l'étincelle de décharge dépasse 1 mètre, l'installation devient spectaculaire.   Un éclateur de commutation (spark gap) "mécanique" (statique ou rotatif) est utilisé pour gérer le cycle de charge et de décharge oscillant du condensateur, ce qui implique de très fortes intensités. La création de l'arc (quenching) est essentielle au fonctionnement.   Les pulsations d'énergie viennent du circuit primaire. Ce circuit est composé du transformateur d'alimentation à haute tension, du condensateur principal, de l'éclateur-commutateur et de la bobine primaire. Ensemble, ces éléments forment une sorte d'oscillateur rudimentaire. Voilà ce qui se produit: le transformateur charge le condensateur jusqu'à ce que le voltage soit suffisamment élevé dans l'éclateur pour qu'un arc le traverse. Quand l'arc survient, l'énergie accumulée dans le condensateur est déchargée dans l'inductance primaire. L'inducteur génère alors un champ magnétique lorsque l'énergie du condensateur circule à travers lui. Le champ magnétique finalement s'effondrera et laissera en retour s'écouler l'énergie revenue dans le condensateur. Cette action de va-et-vient continue jusqu'à ce qu'il ne reste plus assez de voltage pour traverser l'éclateur.   Coefficient de surtension Fréquence de résonance Pour que la bobine résonne, l'énergie pulsée doit lui être communiquée au bon moment et à la bonne fréquence. Une bonne analogie est celle de la balançoire: il faut pousser brièvement et à un moment précis. Une autre est celle de la cloche: les coups de marteau sur la cloche ne doivent être ni trop forts (ça casse), ni trop appuyés (ne résonne pas). L'ajustement de la fréquence de résonance du circuit à la fréquence d'alimentation, dépend du montage RLC (résistance - inductance - capacité) que l'on monte dans le circuit secondaire. La composante résistive (R) est la résistance du fil du secondaire à la fréquence de résonance (Lω pour une inductance, 1/Cω pour une capacité, et R pour une résistance pure). La composante inductive (L) est l'enroulement matériel qui résulte du nombre de spires, du diamètre et de la longueur de la bobine. La composante capacitive (C) est composée de plusieurs valeurs isotopiques (plaques virtuelles d'un condensateur composé de la surface de l'enroulement du secondaire et de l'électrode terminale).   La fréquence d'oscillation est déterminée par la valeur du condensateur et celle de l'inducteur primaire. Ensemble, ils forment ce qu'on appelle un circuit résonant parallèle. Du couplage entre les deux circuits dépendra le pourcentage d'énergie (k = coefficient de couplage) qui sera transféré du circuit primaire au circuit secondaire. Si k = 0,3 30% de l'énergie du circuit primaire sera transféré au secondaire. Si les rafales d'énergie du primaire ont la même fréquence que la fréquence du secondaire, l'énergie transférée par le champ magnétique du primaire commencera par s'accroître dans l'enroulement secondaire. Comme un laser, cette énergie grandit et s'amplifie elle-même jusqu'à ce qu'il y ait un voltage incroyable édifié au sommet du bobinage, qui se dissipera dans l'air sous forme d'éclairs électriques.

Domaines de présence  Up Page Schéma électrique La THT (Très Haute Tension) provient du transformateur élévateur de tension à fréquence industrielle (50 ou 60 Hz). Le condensateur CS, l'éclateur ES et les selfs de chocs SC2 protègent le transformateur d'alimentation. Le condensateur C a sa valeur entre 0,001 et 0,15µF avec une tension d'utilisation de 40 à 50 kV. Les places de l'éclateur-commutateur E et du condensateur de puissance C peuvent être interverties. Le bobinage primaire L1 est composé de 5 à 20 spires de fil de cuivre de 8 à 12 mm de diamètre. Le bobinage secondaire L2 est fait de 800 à 1000 spires de fil de cuivre émaillé de 0,5 à 1 mm de section (diamètre ou surface ?). L'électrode terminale T est une sphère ou un anneau toroïdal métallique.

Son interprétation dans l'avenir  Up Page Le rassemblement des composants Le transformateur élévateur de tension Il transforme la tension du secteur 220 V - 50 hz en très haute tension THT 5 kV à 30 kV. Sa puissance est capitale pour la longueur des décharges. Des transformateurs pour enseigne lumineuse ( en France ils sont limites à 10 kV -100 mA soit 1 kVA) appaires mis en parallele, peuvent être utilisés avec succès. Des transformateurs de four à micro-ondes peuvent être mis en série-parallèle pour atteindre un voltage et un courant convenables. Les transformateurs de distribution monophasés ( pole pigs ) sont quasi -introuvables en France alors que les américains peuvent s'en procurer pour 300 $ (14,4 kV - 5 ou 10 KVA).   Un autotransformateur variable puissant (220 V - 20 à 50 A) permet de régler le voltage du primaire. Neuf, il est excessivemement cher. Il faut donc les rechercher dans des usines de galvanoplastie, les éclairages de théâtre.   Le condensateur de puissance (main cap), ce modèle à décharge pulsée (Mawell, NLW, Plastic Capacitors) est un composant difficile à trouver et il est cher (300 à 500 $ US) mais il est possible de le construire. Il doit supporter une charge électrique considérable et donc avoir une tenue en tension de 3 à 4 fois supérieure à la tension d'alimentation. Il est préférable, pour nune meilleure tenue en tension, de placer plusieurs unités en série-parallèle.

Les références  Up Page Réseau Pepe Source   Pourquoi ce site Je crois que, si les êtres humains que nous sommes ne parviennent pas toujours à évoluer comme ils le souhaiteraient _à s'épanouir professionnellement, sentimentalement et sexuellement (ce que j'appelle les trois pôles d'intérêts) c'est parce qu'il y a des barrages qui entravent leur désir d'accéder à un rêve inachevé. Je pars du principe que tout est possible, à condition de s'entourer de gens qui nous poussent à croire en nous.   Contribuer au Réseau Pepe Ce site est avant tout une encyclopédie ouverte à l'imagination et au savoir, où chacun(e) d'entre vous peut participer. Si vous avez envie de partager une passion, ou si vous sentez le besoin de vous exprimer sur un point précis, je vous invite à m'adresser un e-mail (adresse électronique accessible sur ma page d'accueil).

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