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Les principes du fonctionnement
C'est un transformateur électrique à deux bobinages concentriques couplés-accordés , à noyau d'air, alimenté avec un circuit de puissance oscillant , qui génère de très hautes tensions transitoires à "moyenne" fréquence ( le plus souvent entre 80 et 200 kHz) , par résonance en 1/4 d'onde.
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 au primaire et au secondaire, et d'autre part du coefficient de surtension qui caractérise un circuit réglé à résonance.
- L'alimentation est un transformateur élévateur de tension (5 - 30 kV) , à fréquence industrielle ( 50 ou 60 Hz ), qui va charger un condensateur à travers la bobine primaire formant , avec la distance d'éclatement, le circuit de puissance résonant.
- Un éclateur de commutation * mécanique * ( statique ou rotatif) est utilisé pour gérer le cycle charge et décharge oscillante du condensateur qui implique de trés fortes intensités . Le soufflage de l'arc est essentiel au fonctionnement. Les versions les plus récentes utilisent des circuits électroniques.
- La bobine secondaire du transformateur de 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 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 moyenne fréquence et relativement basse intensité. Lorsque la longueur de l'étincelle de décharge dépasse 1 mètre l'installation devient spectaculaire ( voir l'installation du Palais de la Découverte à Paris),
Les transformateurs de Tesla sont des transformateurs résonants: cela implique qu'il existe une fréquence spécifique où ils opèrent - la fréquence de résonance . Cette fréquence n'est pas universelle et dépend de la construction du bobinage secondaire - un montage LCR complexe.
- La composante inductive (L) est l'enroulement matériel lui-même et résulte du nombre de spires , du diamètre et de la longueur de la bobine.
- La composante capacitive (C) est composée de plusieurs valeurs isotropiques ( plaques virtuelles d'un condensateur composé de la surface de l'enroulement secondaire et l'électrode terminale).
- La composante resistive (R) est la resistance du fil du secondaire à la 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 ni trop forts ( ça casse) , ni trop appuyés (ça ne résonne pas).
Les pulsations d'énergie viennent du circuit primaire. Ce circuit est composé du transformateur d'alimentation haute tension , du condensateur principal haute tension , de l'éclateur-commutateur et de la bobine primaire. Ensemble, ces éléments forment un une sorte d'oscillateur rudimentaire. Voila 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'inducteur primaire. L'inducteur primaire 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.
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 2 circuits dépendra le pourcentage d'énergie ( k = coefficient de couplage) qui sera transféré du circuit primaire au secondaire. Si k = 0.3, 30 pour 100 de l'energie du circuit primaire sera transférée 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'accroitre dans l'enroulement secondaire. Comme dans 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.
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| L'éclateur est en parallèle avec le secondaire de l'alimentation THT , ce qui protège le transformateur élévateur de tension. La décharge ferme le circuit primaire et entraine, par induction, une résonance en 1/4 d'onde dans la bobine secondaire au sommet de laquelle le tore se comporte comme un élément de condensateur. |
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| Le condensateur principal est en parallèle avec le secondaire de l'alimentation THT , La décharge ferme le circuit primaire et entraine, par induction, une résonance en 1/4 d'onde dans la bobine secondaire au sommet de laquelle le tore se comporte comme un élément de condensateur. |
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| Circuit symétrique avec 3 bobines. C1 et C2 doivent avoir la même valeur. Les enroulements primaire et secondaire permettent l'élévation de la tension. L'oscillation amortie est transmise par un conducteur linéaire à l'enroulement tertiaire qui se comporte comme une antenne ( extra-coil ) . Ce schéma représente le «Magnifier» qui a été utilisé par Nikola Tesla à Colorado Springs. |
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| Condensateurs C1 et C2 et « driver » du «Magnifier» ( Phto Richard Hull) |
- 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 limités à 10 kV -100 mA soit 1 kVA) appairés mis en parallèle, peuvent être utilisés avec succés. 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 sont quasi-introuvables en France .
- Un autotransformateur variable puissant ( 220 V -220 V @ 20-50 A) permet de régler le voltage du primaire.
- Le condensateur de puissance : le modèle à décharge pulsée (Maxwell, NLW, Plastic Capacitors) est un composant difficile à trouver et cher. Il doit supporter un stress électrique considérable et donc avoir une tenue en tension de 3 à 4 fois supérieure à la tension d'alimentation. Il est préférable, pour une meilleure tenue en tension, de placer plusieurs unités en série -parallèle.
- Les condensateurs MMC : plutôt que de construire laborieusement de gros condensateurs en feuille d'alu / polyéthylène/huile de transfo, on peut utiliser de longues chaines séries-parallèles de nombreux petits condensateurs (Multi Mini Condensers) , axiaux ou radiaux, en polypropylène.La mise en série permet d'obtenir une bonne tenue en tension. La mise ne parallèle permet d'atteindre la capacité voulue. Par exemple : 600 condensateurs Philips KP/MMKP 376 de 0.022 µF @ 1600 v CC -> 30 chaines de 20 condensateurs soit une totalité de 33 nF @ 32000 V CC (soit 28000 V AC).Voir le site Hammer au Danemark. Marques recommandées : Cornell-Dubilie 940C ou WIMA Type FKP Film/Foil Snubber ou WIMA Type MKP Film/Foil Snubber ou Philips Type KP/MMKP 376 ou Exox-Rifa Type PHE-426 ou Exox-Rifa Type PHG-491 ou UPE, Type THY.
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- Les supports des bobinages : le bobinage primaire est donc un tube de cuivre recuit de 8 à 12 mm , enroule en spirale d'Archimède. La bobine peut être plate -en galette-, ou en cône inversé ( s'évasant). Les spires sont maintenues séparées sur une forme en contreplaqué vernis au polyuréthane, par des rayons en polyéthyléne taillés dans une planche à découper .
- Le bobinage secondaire utilisé comme support un tube en PVC .L'inductance doit être élevée : de 400 à 1200 spires. La longueur *du bobinage* ne doit pas dépasser 5 fois son diamètre :classiquement 500 mm pour 100 mm , ou 150 cm pour 600 cm , 200 cm pour 700 cm , 250 cm pour 800 cm.Il faut donc choisir le diamètre du fil de cuivre émaillé pour remplir ces conditions. Le PVC doit être préparé pour éviter les pertes énergétiques sous forme de châleur. Il est poncé , séché , verni intérieurement et extérieurement avec du polyuréthane ou une peinture époxy à deux composants. Après bobinage , les enroulements sont vernis sur 2 à 4 couches. Le tube est scellé à ses deux extrémites par des disques de plexiglas collés à l'époxy (Araldite®), ou vissé avec des vis en nylon.
- L'éclateur-commutateur : il sert à maintenir une distance d'éclatement et au soufflage de l'arc. Ouvert, il permet la recharge du condensateur. Fermé, lorsque le plasma d'ions métalliques traverse la distance d'éclatement, il permet la décharge oscillante dans le circuit primaire. Pour souffler les ions et permettre la reprise du cycle il faut disposer d'une structure solide qui dissipe bien la température.
- L'éclateur statique est formé de 6 à 8 tubes de cuivre de 30 mm de diamètre et 150 mm de long, ranges parallèlement et espacés de 0,7 mm.Un ventilateur ou une turbine ou un moteur d'aspirateur permet le déplacement de l'air entre les tubes, le *soufflage* (quenching ) des arcs et le refroidissement de l'ensemble.
- L'éclateur rotatif est un disque en composite verre-époxy portant 8 a 20 électrodes. Il tourne à grande vitesse entre 2 ou 4 électrodes fixes en tungstène.Le moteur électrique peut être asynchrone ou à balais. Il faut appliquer des règles de sécurité à ce type d'éclateur, les électrodes ( en acier, en tungstène ) pouvant être transformées en projectiles.
- L'électrode terminale : L'extrémité supérieure est reliée à l'électrode terminale. l'extrémité inférieure du bobinage secondaire est relié a la terre . L'expérience prouve qu'un toroïde métallique offre plusieurs avantages sur la sphère et surtout fait office d'écran électrostatique protégeant les dernières spires. Il diminue aussi la fréquence de résonance du secondaire et permet l'obtention d'arcs plus longs.Sa fabrication est facile avec de la gaine extensible en aluminium (utilisée dans le bâtiment pour la ventilation ou le chauffage), ou avec du drain en plastique recouvert de bandes d'aluminium auto-adhésives.
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| Légende : Extra coil d'un «Magnifier» (remarquer le tube en cuivre d'alimentation à droite ) |
Le système à 3 bobines ou * Magnifier* : un progrès est réalisé par Nikola Tesla lorsqu'il construit un système à 3 bobines. Le troisième enroulement , ou extra coil se trouve en dehors du champ magnétique pulsé. Il est pose verticalement, a distance des enroulements primaire et secondaire qui font office d'élévateur de tension classique ( driver coils ) . Il est alimente a sa base, par une ligne électrique qui part du sommet de l'enroulement secondaire.Il est coiffé de l'électrode de décharge en forme de tore. Il résonne librement car il ne subit pas l'influence magnetique inductive du primaire.Richard Hull est venu un expert en ce domaine en relisant les notes de Nicolas Tesla ( Colorado Springs Notes ).La longueur des éclairs atteint 9 a 10 fois la hauteur du bobinage de l'extra coil !
Pour construire un MAGNIFIER il faut obtenir : un couplage étroit entre le primaire et le secondaire, un excellent soufflage des arcs au commutateur et un bon calcul des impédances du secondaire et de l'Extra Coil (tertiaire).
- le couplage dans les MAGNIFIERS doit être étroit. L'enroulement hélicoïdal vertical du primaire doit s'accompagner d'une très, très, très, bonne isolation pour éviter des courts-circuits avec le secondaire. Le couplage serré entre les 2 enroulements du driver réduit un peu le coefficient de surtension dans le secondaire, mais a son sommet , par construction , du courant au 1/8 d'onde pourra être prélevé pour alimenter la base du tertiaire.
- Un excellent soufflage de l'arc est nécessaire car le couplage serré entre des 2 bobines du driver entraine plus de contraintes dans le commutateur . L'énergie doit être contenue dans le secondaire. Un mauvais soufflage pourra faire refluer l'énergie dans le circuit primaire. L'utilisation d'un commutateur rotatif à grande vitesse permet de diminuer les temps de soufflage et d'augmenter l'efficacité du driver.
- Les impédances du secondaire et du tertiaire doivent être bien calculées. La sortie en 1/8 eme d'harmonique du secondaire doit alimenter la base du tertiaire pour qu'il résonne dans son 1/4 d'onde. Le secondaire doit donc être construit avec une impédance et une inductance basses . Le secondaire du MAGNIFIER n'est donc pas construit comme celui du résonateur Tesla classique.Le rapport entre la hauteur du bobinage et du diamètre de la bobine est de l'ordre de 2 / 1. Le câble est épais et bien isolé ( 1,5 a 2,5 mm de diamètre , isolation plastique PVC ou SILICONE). Sa fréquence de résonance ne doit pas être trop basse : entre 400 et 500 kHz pour les modèles moyens. Le tertiaire du MAGNIFIER est le résonateur proprement dit. Il est bobine de manière compacte pour une inductance élevée : fil de cuivre émaillé de 0,6 mm à spires jointives.L'électrode de décharge doit faire tomber la fréquence de résonance entre 200 et 250 khz.
Progression des idées
Le calcul seul ne permet pas de prédire les résultats. La qualité et la synergie des composants sont primordiales. Le couplage entre le primaire et le secondaire dépend de relations complexes entre l'architecture du commutateur, du mode de soufflage de l'arc et de l'inductance des 2 bobinages.
Pour l'amélioration de la performance ( la longueur des éclairs) la théorie de la résonance en 1/4 d'onde semble un peu ébranlée. Richard Hull a montre qu'il faut considérer l'association bobinage secondaire et électrode terminale comme un tout fonctionnel. Ici interviennent facteurs électrostatiques. La longueur des décharges est toujours augmentée, pour un bobinage secondaire donne, par l'augmentation des dimensions de l'électrode terminale. Bien sûr ce changement doit s'accompagner d'une augmentation de la puissance de l'alimentation pour vaincre la résistance à la rupture dans l'air. L'histoire des 25 dernières années montre l'augmentation régulière des dimensions : des sphères metalliques de 15 à 20 cm de diamètre remplacent les pointes des résonateurs d'antan. Dans les années 70 Bill Wysock découvre un nouveau standard : l'électrode torique.Sans changer la longueur du fil du secondaire on peut abaisser la fréquence de résonance en jouant uniquement sur la capacitance. La charge capacitive que représente l'électrode terminale abaisse la fréquence de résonance du systeme (secondaire + tore). Le voltage dépend de l'inductance seule. Pour obtenir des éclairs plus grands il faut charger , avec cette tension ,la capacitance la plus grande possible. La tension de rupture dans l'air dépend de la taille , de la forme , de l'environnement de l'électrode terminale ( attentions aux pointes qui précipitent la rupture).Pendant le fonctionnement du transformateur Tesla, la ionisation de l'air autour du tore, les éclairs etc..( nuage ionisé ) augmentent les dimensions apparentes de l'électrode de décharge mais aussi court-circuitent le secondaire.
Le mécanisme exact de la formation de longs éclairs est encore indéterminé. En forçant plus de courant dans le canal ionisé de la décharge il semble possible de l'allonger. Un fonctionnement en échelle télescopique peut-être évoqué: lorsqu'un canal de ionisation est engendre et maintenu par un fort courant, il peut être allongé par une judicidieuse décharge dans l'éclateur du circuit primaire.
Dans les anneées 1988-1990, Richard Hull change le circuit de puissance : on peut remplacer, avec du gain, un primaire de 3 -5 spires et un gros condensateur par un primaire de 10-15 spires avec un condensateur beaucoup plus petit. Il faut se rappeler que Nikola Tesla arrivait à créer des décharges de 30 - 40 m avec un condenstaur de 0.15 µF !
Bibliographie
Nicolas Tesla - Colorado Springs Notes 1899-1900-, A. Marincic, Nolit , 1978,1984
Richard Hull - The Tesla Coil Builder's Guide to The Colorado Springs Notes of Nicolas Tesla -1996
Vidéo de Finn Hammer
Liens
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| Tesla Downunder | Site canadien riche en photos et expériences | |
| Samuel Rosset | Textes en français et en anglais | |
| Site radio amateur F1ETS | Textes en français et en anglais | |
| Richie Burnett | Site anglais très complet | |
| Marco Denicolai | Projet Thor | |
| Daniel McCauley | http://www.easternvoltageresearch.com/ | |
| Kurt's lightning studio | Tesla coiler Suisse . A voir absolument ! | |
| Terry Black III | Très belles réalisations | |
| Hammer's Tesla Pages |
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| Teslathons | ||
| Ed Wingate's 2003 Teslathon | Des centaines de photos de bobines Tesla | |
| D.C. Cox 2004 Teslaton | Des centaines de photos de bobines Tesla | |
| Ed Wingate's 2005 Teslathon | Des centaines de photos de bobines Tesla | |
| Ed Wingate's 2006 Teslathon | Des centaines de photos de bobines Tesla | |
Gust MEES
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Félicitations
Félicitations pour la médaille et surtout et aussi pour le contenu bien présenté avec de la créativité.
J'ai voté max, 5*.
Bonne continuation et bien amicalement.
Gust
Philippe Michon
Inviter en tant qu'auteur
superbe knol