Stroboscope à tube : étude, tests et mesures

Un stroboscope à tube repose sur des décharges régulières (dont on peut ajuster l'intervalle de temps entre deux décharges) d'un tube à éclat. Il s'agit d'amorcer la conduction d'un tube à éclat qui va quasi court-circuiter un condensateur chargé par la tension du secteur. Une pointe de courant a lieu et il ne faut pas que le secteur soit en court-circuit via le tube. Une résistance série de valeur suffisante doit être insérée avant ou après le pont de diodes. Le tube ne doit court-circuiter que le condensateur. Voyons donc le fonctionnement et les mesures sur ce prototype de stroboscope à tubes. Le schéma du stroboscope est également donné dans cet article.

Un stroboscope à tube génère des flashs à intervalles réguliers. Quelle est l'énergie réelle délivrée lors d'un flash ? Vaut-il mieux parler d'énergie en Joules ou de puissance en Watts pour un stroboscope ? On peut commencer par expliquer le schéma du stroboscope à tubes.

Schéma d'un puissant stroboscope à tube

Le montage du stroboscope ci dessous est étudié :

Schéma d'un stroboscope à tube

Il s'agit d'une conception faite sur mesure. Le condensateur C1 (réserve d'énergie pour le flash) se charge à travers R1 et D1. C'est lui qui stocke l'énergie qui sera délivrée dans le "flash" de la décharge dans le tube. Considérons C1 chargé à 320 volts environ, le petit condensateur C2 se charge à travers R2 et le potentiomètre P1. Lorsque la tension à ses bornes atteint 34 V, le diac entre en conduction et amorce le triac T1 qui devient passant. La tension aux bornes de C2 chute brutalement (C2 se décharge dans la gâchette de T1) à 23V environ. Puis C2 se recharge et un nouveau cycle commence.

Tension aux bornes de C2 pour P1 en butée (P1 en court-circuit)

C1 se décharge presque complètement lors de chaque flash du tube. Ci dessous, le courant traversant le tube à éclat du stroboscope et la tension aux bornes de C1 :

Courant dans le tube à éclat du stroboscope

Le courant dans le tube est mesuré à la pince de courant. Il atteint 100 A environ. En mesurant le courant sur un laps de temps plus court, on obtient :

Courant dans le tube à éclat du stroboscope

Le courant instantané dans le tube à éclat atteint 120 Ampères. Il s'agit ici d'un particulier où on observe une remontée du courant à 25 A environ. Cela est dû à la contribution du secteur pour le courant du tube. En effet, le flash coïncide avec l'alternance positive du secteur, le moment où la diode D1 conduit. La contribution du secteur est limitée par R1 qui évite ainsi un appel de courant trop grand. On observe ensuite que la tension aux bornes de C1 reste à 30 V environ. Il faut en effet attendre l'alternance positive suivante pour que C1 soit rechargée à nouveau. La recharge de C1 se fait en marches d'escalier.

Lorsque le courant s'est annulé dans le tube, la conduction cesse et le tube se présente à nouveau comme un circuit ouvert. Il faudra attendre l'amorçage suivant pour que le tube soit à nouveau conducteur.

Selon qu'une alternance positive du secteur coïncide avec l'instant du flash ou non, on obtient les courbes suivantes :

Flash sans la contribution de l'alternance du secteur

Flash avec la contribution de l'alternance du secteur (via R1 et D1)

La remontée du courant indique la coincidence de l'alternance positive du secteur avec le flash. On remarque que le courant dans le tube s'était presque annulé quand l'alternance positive est arrivée.

Dimensionnement de R1 pour charger le condensateur du stroboscope

R1 doit être assez faible pour recharger C1 entre deux flashs consécutifs mais assez grande pour limiter cet appel de courant (c'est le tube conducteur qui appelle directement le courant sur le secteur).

Le courant consommé au secteur est très irrégulier, et se présente ainsi :

La valeur crête vaut 325 V / R1. Sur cette courbe, le secteur a contribué au flash : l'alternance positive du secteur a rendu la diode passante pendant le flash.

Puissance, énergie, courant et tension dans le stroboscope à tube

La tension aux bornes de C1 vaut 325 V avant le flash et 30 V juste après.

Energie initiale contenue dans C1 = 0,5 x 220e-6 x 325² = 11,6 Joules

Energie finale contenue dans C1 : 0,5 x 220e-6 x 30² = 0,1 Joule

Energie du flash du stroboscope (libérée dans le tube) = 11,6 - 0,1 = 11,5 Joules

Il s'agit de l'énergie électrique absorbée par un flash (à cause du rendement lumineux du tube, l'énergie lumineuse est moindre).

Dans un circuit RC, stocker 1 Joule dans le condensateur entraîne une dissipation de 1 Joule dans la résistance aussi (quels que soient R et C !). Le rendement est ainsi toujours de 50 % très exactement. La présence de D1 ne fait que répartir dans le temps la charge de C1 et la dissipation dans R1.

Pour chaque flash, R1 devra dissiper 11,5 Joules; Or, il y a au maximum 4 flashs par seconde. En 1 seconde, R1 dissipe donc 4 x 11.5 J = 46J (46 W moyens)

On ne peut donc pas augmenter indéfiniment la vitesse des flashs.

Puissance moyenne dissipée par R1 : 46 W

Tension aux bornes du tube : 325 V (au début du flash)

courant crête du tube : 120 A

Résistance du tube amorcé : quelques Ohms

Consommation moyenne calculée : 92 W (= 2 x 46 W)

Conclusion sur le stroboscope à tube

L'étude de ce stroboscope met en évide des pointes de courant extrêment élevées (120 A) dans le tube à éclat. Il arrive que les flashs coincident avec les alternances positives du secteur, dans ce cas, le secteur contribue à alimenter le tube. On devrait donc en toute rigueur observer des flashs un peu plus puissants que d'autres dans ce stroboscope...

Dangers particuliers liés au tube du stroboscope

La tension d'amorçage du tube est de plusieurs kV ! C1 peut aussi rester chargée assez longtemps, donc laisser une tension dangereuse dans le stroboscope.