Schéma et fonctionnement d'un vibrateur électronique

Voici le schéma du vibrateur électronique (qui ne chauffe pas à plus de 40 °C en utilisation en charge) :

Vibrateur électronique : un schéma performant

Les comparateurs (U1a et U1b) sont un LM358 alimenté entre la masse et la tension d'alimention (de 6 à 12 V).

L'oscillateur du vibrateur est basé sur un ampli op comparateur (montage multivibrateur). R1 et C1 définissent la fréquence d'oscillation. L'alimentation est simple (single supply) et donc la résistance R2 qui doit être connectée à Vcc/2 est ici connectée à la masse via un condensateur C2. C2 doit être grand pour présenter une tension quasi continue mais pas trop grand pour ne pas créer un temps d'établissement trop long. 1 uF est ici un bon compromis. Pour garantir un rapport cyclique à 50 %, l'astuce de C1 est d'éviter de créer un point milieu à Vcc/2, mais surtout - et c'est là toute l'astuce - de se positionner à la tension moyenne de sortie du comparateur, indépendamment de l'écart entre les tensions +Vsat et +Vcc, ainsi qu'entre -Vsat et la masse. Les avantages de cette astuce sont donc les suivants :

Les tensions de déchets sont très différentes sur un comparateur à collecteur ouvert ou sur un classique LM358.

Un ajustement fin est créé par l'ensemble D1, R3, D2, R4 et P1. Le potentiomètre P1 permet un réglage fin. Comment régler le rapport cyclique à précisément 50 % ? Nous allons le voir plus bas avec l'équilibre des courants dans les Mosfets.

La fréquence d'oscillation doit être proche ou légèrement supérieure à celle du vibrateur mécanique que l'on remplace. Elle peut être un peu plus élevée pour réduire le courant primaire dans le transformateur, mais si on la choisit trop élevée (mettons vers 300 ou 400 Hz), un bruit significatif se fait entendre dans les vibrations du transformateur et dans le haut-parleur en sortie de l'ampli. La fréquence du vibrateur électronique est donc un compromis. Ici, la fréquence est fixée à 130 Hz environ.

Les pertes de commutation dans les Mosfets sont négligeables à des fréquences aussi faibles. Ce n'est pas un argument qui compte pour le choix de la fréquence. Pour ceux qui sont familiers avec les alimentations push pull à découpage, le vibrateur fonctionne 1000 fois plus lentement qu'un push pull du type MAX253, SG3525 ou TL494 !

Le vibrateur électronique possède deux transistors commandés en opposition de phase. Pour créer le signal inversé, l'autre comparateur (celui de droite) est simplement utilisé. R8 et R9 créent un point milieu (qui n'a pas besoin d'être précis) sur l'entrée non inverseuse. La dynamique de sortie est compatible avec la dynamique d'entrée du comparateur de droite. Si cela n'est pas respecté, des signaux de sortie non maîtrisés peuvent se produire et pour le vibrateur, ce serait périlleux, voire mortel.

Un temps mort entre la conduction des transistors Mosfet est prévue pour éviter une conduction simultanée transitoire et pour absorber la différence des temps de conduction (rapport cyclique pas tout à fait égal à 50 %). Le temps mort doit être supérieur à l'écart des durées de conduction des Mosfet. Cela permet d'éviter une saturation du transformateur à cause d'une composante continue qui apparaîtrait dans son primaire. Le temps mort laisse le temps au transfo de se démagnétiser sur un cycle, c'est donc lui qui offre la marge d'erreur acceptable sur le rapport cyclique qui ne peut jamais être de 50 % exactement.

La résistance Rdson des Mosfet tend aussi à compenser légèrement un déséquilibre. Le Mosfet le plus passant aura tendance à s'échauffer davantage et sa résistance Rdson augmentera. Ainsi, la tension aux bornes du demi-primaire concerné sera un tout petit peu plus faible et la magnétisation sera elle aussi un tout petit peu réduire. Avec une résistance Rdson de 10 mOhms (0,01 Ohm), cette compensation est négligeable.

Le temps mort est crée par R7 et C3. La tension de grille du Mosfet chute très vite (conduction de T1) et monte "lentement" (charge de C3 via R7). La charge de grille du Mosfet et le plateau Miller sont à négliger à des fréquences de 130 Hz.

Le vibrateur ici fonctionne en 6 Volts. Les grilles sont commandées en 6 Volts. Le choix des Mosfets se fait selon différents critères :

L'essentiel est qu'une tension de 4 Volts garantisse déjà une bonne conduction du Mosfet. Par exemple, le classique IRF3710 ne laisse passer que 10 A à VGS = 4,5 V alors que le DMT10H010LK3 laisse déjà passer 25 A à seulement 3,5 V sur sa grille. Ce dernier transistor est donc un excellent candidat :

Transistor du vibrateur électronique : 10 mOhms max et Vgsth faible

Présentée sous un autre angle, la caractéristique électrique du Mosfet DMT10H010LK3 :

Transistor DMT10H010LK3 du vibrateur électronique

Ici, le DMT10H010LK3 supporte 100 Volts et 52,7 A à Vgs = 4,5 V.

Les performances sont bien meilleures que l'ancestral 2N3055.

Voici donc le fonctionnement détaillé du vibrateur électronique. Passons maintenant aux mesures.

Voici la maquette du vibrateur utilisé dans un ampli Bouyer ST3 qui s'alimente en 6 Volts :

Vibrateur électronique : maquette avec oscillateur et Mosfet

Détails du vibrateur électronique

On mesure les tensions de grille et de drain sur le vibrateur électronique alimenté en 6 Volts et relié au transfo :

Mesure des courants et tension dans le vibrateur électronique à Mosfets

Tension de drain et de grille sur le vibrateur

La fréquence est de 200 Hz environ. L'alimentation est de 6 Volts et le transfo n'est pas chargé au secondaire. La tension Vds monte à 12 Volts quand le Mosfet est ouvert à cause du transfo : c'est le fonctionnement classique du push pull. Aucune surtension n'est observable. Les condensateurs en parallèle avec le primaire ont été supprimés sur l'ampli Bouyer ST3. S'ils étaient peut-être utiles avec le vibrateur mécanique, ils sont néfastes avec le vibrateur électronique. Les courbes sont présentées sans ces condensateurs.

Lorsque le rapport cyclique n'est pas de 50 % précisément, les courants crête dans les deux Mosfets sont différents :

Rapport cyclique pas tout à fait égal à 50 % : un déséquilibre visible

Une branche atteint 620 mA tandis que l'autre atteint 950 mA. On joue sur le potentiomètre P1 jusqu'à obtenir égalité des courants crêtes dans les deux Mosfets.

La fréquence est diminuée à 110 Hz environ pour maximiser la montée du courant dans chaque demi période (4,5 ms environ). L'ajustement se fait précisément :

Rapport cyclique égal à 50,0 % : un équilibre atteint

Lorsqu'on modifie la tension d'alimentation ou la fréquence, il faudra réajuster le potentiomètre de rapport cyclique.

Si on augmente la fréquence à 300 Hz, le courant crête diminue fortement, mais un bruit audible se fait entendre à la sortie de l'ampli et dans le transformateur :

Courant crête réduit avec une fréquence plus élevée (300 Hz)

Si vous n'avez pas d'oscilloscope pour ajuster les courants, vous pouvez utiliser des mesures continues avec un voltmètre en position "DC" :

Mesurer la tension DC aux bornes du primaire du transfo (entre les drains des Mosfets). Le voltmètre doit afficher quelques mV. Ajuster alors le rapport cyclique tel qu'il y ait 0 mV DC entre les drains des Mosfets. Cela fait l'hypothèse que les résistances DC des bobinages sont égales. Cette supposition est raisonnable sachant que le nombre de spires des deux demi primaires est identique et que la circonférence des spires est quasi égale.

On peut aussi ajuster le rapport cyclique en mesurant le courant absorbé par le vibrateur électronique. On mesure à la sortie de l'alimentation 6 V le courant. Les alimentations de laboratoire ont souvent cette mesure intégrée. Ajuster le potentiomètre pour minimiser la consommation : l'équilibre est alors atteint, ce qui se traduit par la consommation minimale (de l'ordre de 0,7 A à 6 V)

On utilise le transfo pour alimenter l'ampli Bouyer ST3. Le secondaire est redressé avec deux diodes 1N4007 (qui remplacement la redresseuse 6X4). La tension de sortie est plus élevée et atteint 350 Volts environ à 6 Volts d'entrée parce que la chute de tension dans la diode 1N4007 est beaucoup plus faible (0,7 V) qu'aux bornes du redresseur 6X4 (50 à 100 V environ). En charge, le courant est bien plus élevé :

Courant dans les Mosfets du vibrateur en charge : 3,5 A environ

La consommation de l'ampli, au repos, avoisine 4,6 A à 6 V. Le supplément de 1,1 A est dû aux filaments des différents tubes.

Le vibrateur mécanique d'origine ressemble à ceci :

Vibrateur mécanique de l'ampli Bouyer ST3 : en panne

De nombreux appareils électriques ou équipements électroniques, conçus à l'origine pour fonctionner à partir de courant alternatif, doivent fréquemment fonctionner lorsqu'une telle source d'énergie n'est pas disponible, comme dans installations automobiles, marines et aéronautiques. Le courant alternatif est également difficile à obtenir dans les collectivités rurales et pour le fonctionnement des équipements portatifs. Dans la plupart de ces conditions, il y a généralement du courant continu disponible à partir de batteries.

Des générateurs, des moteur, des dynamos et des vibrateurs ont été utilisés avec succès dans le commerce pour fournir une liaison électrique entre ces sources d'alimentation en courant continu et l'équipement électrique. Ceci est accompli par l'un de ces équipements pour convertir le courant continu en courant alternatif. Il peut être utilisé en courant alternatif ou redressé pour fournir une tension continue différente à l'équipement.

Le poids, le fonctionnement silencieux et le faible coût du système d'alimentation du vibrateur ont été les principales raisons de sa large acceptation.

Application des vibrateurs

Les applications des vibrateurs incluent l'alimentation en courant continu des amplificateurs radio et audio pour les tensions de plaque des tubes, d'écran et de polarisation; CA ou CC basse tension pour l'alimentation du filament (heater) du tube électronique, le fonctionnement des relais, etc. Les tensions d'entrée nominales généralement rencontrées sont 3, 6, 12, 24 et 32 volts pour les batteries. Lorsque des batteries de stockage sont utilisées, le type de circuit de charge et la présence d'un système de régulation de tension, s'il est utilisé, établiront la tension de fonctionnement réelle et détermineront la plage de tension d'entrée sur laquelle l'équipement doit fonctionner de manière satisfaisante.

Fonctionnement du vibrateur

Le mécanisme de vibration est essentiellement un interrupteur vibrant, conçu et construit de manière à fonctionner automatiquement à une fréquence continue prédéterminée par action électromagnétique, et ainsi contrôler périodiquement l'ouverture et la fermeture rapide d'un ou plusieurs circuits électriques.

Le système vibreur peut être conçu pour agir comme un générateur de courant alternatif ayant la même fréquence que celle du vibrateur.

Contacts d'un vibrateur démonté

Vibrateur : zoom sur les contacts

La différence fondamentale entre une tension issue du vibrateur et celle d'un moteur-générateur ou dynamo réside dans la forme de l'onde de tension produite.

Tension de sortie du vibrateur : carrée et non sinus

La sortie d'un générateur de courant alternatif rotatif a une forme d'onde essentiellement sinusoïdale, dans laquelle la valeur instantanée de la tension varie en continu et n'a pas de discontinuités apparaissant pendant le cycle complet. La valeur efficace de la tension est de 71 % de la valeur crête, tandis que la valeur moyenne est de 64 % (2/pi) de la valeur crête. La sortie d'un système vibrateur du type couramment utilisé a une forme d'onde qui diffère considérablement de l'onde sinusoïdale. Dans sa forme idéale, il consiste en une onde de forme rectangulaire dans laquelle la hauteur des parties horizontales au-dessus ou au-dessous de l'axe zéro est déterminée par la tension continue d'entrée moins la chute de tension, et les parties verticales représentent une inversion instantanée de tension accomplie par une opération instantanée équivalente de l'action de commutation du vibrateur. Dans sa forme pratique, un intervalle de temps défini s'écoule entre l'ouverture d'un ensemble de contacts et la fermeture de l'ensemble opposé, appelé intervalle de temps "hors contact". Cela produit une discontinuité dans la forme d'onde, pendant laquelle la tension appliquée est réduite à zéro.

Pour diverses raisons de production et d'exploitation, cette valeur de temps « hors contact » représente une partie appréciable de la durée totale d'un cycle. Si le temps « hors contact » est trop court, de petites variations se produisant dans la fabrication du vibrateur entraînent une trop grande variation des performances de fonctionnement avec le transformateur (rapport cyclique trop différent de 50 %). De plus, de petites variations résultant de l'usure normale pendant le fonctionnement entraîneront des changements rapides de performances et une diminution de la durée de vie du vibrateur. Si le le temps "hors contact" est trop important par rapport au temps total, l'efficacité temporelle est réduite, avec une réduction de l'efficacité globale et de la sortie. Par conséquent, le temps "hors contact" est généralement compris entre 10 et 30 % du temps de cycle total. La partie restante du cycle, pendant laquelle les contacts sont établis, le temps de "contact" totalise donc de 70 à 90 % du cycle complet et c'est ce que l'on appelle le ''efficacité temporelle'' du vibrateur.

La valeur de crête de l'onde alternative développée par le système de vibration est la tension de la batterie moins la chute. La valeur efficace est la valeur maximale multipliée par la racine carrée de l'efficacité temporelle exprimée.

Exemple : avec un temps de contact de 80 %, la valeur efficace est de 89,4 % de la tension de batterie.

Plus le rendement temporel du vibrateur est élevé, plus la tension efficace appliquée au primaire du transformateur sera donc élevée.

Les vibrateurs sont toujours utilisés pour piloter le primaire d'un transformateur. Le primaire est à point milieu et connecté de manière à ce que le flux de courant contrôlé par le vibrateur produise un flux magnétique alternatif dans le noyau du transformateur. Étant donné que ce transformateur est une charge inductive connectée au circuit de courant continu via les contacts du vibrateur, des tensions induites élevées seraient générées à chaque ouverture et fermeture des contacts à moins que certaines solutions soient appliquées. Ces tensions induites élevées, si elles ne sont pas contrôlées, pourraient non seulement provoquer une rupture de l'isolation, mais entraîneraient également de graves arcs électriques au niveau des contacts du vibrateur et raccourciraient ainsi la durée de vie du vibrateur.

Pour contrôler ces tensions induites pendant l'intervalle "hors contact" du vibrateur, il faut connecter un condensateur de la valeur appropriée à travers l'un des enroulements du transformateur. Cette valeur de capacité se combine avec l'inductance effective de l'enroulement du transformateur pour former un circuit résonant, qui est mis en oscillation à chaque ouverture des contacts. En sélectionnant correctement la valeur de condensateur pour correspondre aux caractéristiques du transformateur et du vibrateur, l'oscillation résultante peut être amenée à remplir la fonction utile d'inverser la tension induite de sorte qu'elle coïncide avec la tension appliquée au transformateur par la fermeture des contacts du vibrateur sur le demi-cycle suivant.

Condensateurs dans l'ampli Bouyer ST3

Tolérance et accord entre vibrateur, transformateur et condensateur

Cette interdépendance du vibrateur, du transformateur et du condensateur de synchronisation dans la production de performances satisfaisantes et d'une bonne durée de vie du vibrateur fait que les données de conception de l'alimentation électrique du vibrateur, y compris les composants eux-mêmes, doivent être soumises au fabricant du vibrateur pour analyse avant que le vibrateur ne soit approuvé pour une utilisation dans l'alimentation électrique. On ne peut pas utiliser un vibrateur sans connaître le transformateur qu'il va piloter.

Les tolérances et les variations qui sont habituellement permises dans la fabrication et le test des transformateurs de courant alternatif ordinaires sont inacceptables lorsqu'elles sont appliquées aux transformateurs pilotés par vibrateur. De même, les tolérances et les caractéristiques de claquage de tension des condensateurs de temporisation doivent être soigneusement sélectionnées pour assurer des performances satisfaisantes lorsqu'elles sont utilisées dans des alimentations de vibrateurs. Les vibrateurs eux-mêmes sont soumis à des tolérances de fabrication, ainsi qu'à certains changements au cours de leur vie en raison de l'usure, et toutes ces variations, combinées, doivent être soigneusement prises en compte lors de la conception de l'alimentation.

Mot de la fin

Ce schéma de vibrateur électronique utilise des Mosfets modernes qui s'échauffent très peu et son rapport cyclique finement ajustable permet un fonctionnement optimal à une fréquence elle aussi réglable légèrement supérieure à 100 Hz.