Voici un schéma innovant pour réaliser un vibrateur électronique qui ne chauffe pratiquement pas. Pour remplacer un ancien vibrateur mécanique, une version électronique qui chauffe peu offre de nombreux avantages. On trouve en effet de nombreux schémas de vibrateurs électroniques basés sur des circuits auto oscillants qui présentent l’inconvénient de chauffer beaucoup. Cela est dû à la commande des transistors utilisés – souvent bipolaires, tel le classique ancestral 2N3055 – qui génèrent de nombreuses pertes sous forme de chaleur. Le schéma présenté ici a la prétention de limiter à 40 °C sur le boitier des composants grâce à un choix de Mosfet performant à (très) basse tension.
Voici le schéma avec explications de fonctionnement détaillées, mesures des tensions et courants en jeu dans le vibrateur électronique. Pour résumer, il s’agit d’un montage push pull à basse fréquence (100 Hz environ). Le défi principal est de garantir un rapport cyclique bien équilibré entre les deux transistors.
But du vibrateur dans les amplis à lampes
Le vibrateur permet de créer une tension alternative en commutant rapidement la tension d’une batterie 6 ou 12 Volts continus, telle que la batterie d’une voiture. Avec un transformateur élévateur de tension connecté à un vibrateur, on peut créer une tension élevée de 300 ou 400 Volts continus pour alimenter un ampli à lampes. Le schéma est le suivant :
batterie (6 V DC) -> vibrateur -> transformateur élévateur -> redresseur et filtrage
Les vibrateurs ont été utilisés pour alimenter des amplis à lampes dans les voitures où les batteries fournissaient du 6 Volts (puis du 12 Volts). Ils étaient logés dans des boîtiers métalliques pour limiter le bruit rayonné et augmenter l’efficacité du filtrage. L’alimentation par vibrateur convenait si bien à cette application qu’elle a mené l’électronique mobile presque jusqu’à la fin de l’ère des amplis et radios à lampes.
Le principal problème des vibrateurs était la panne de la partie mécanique : les vibrateurs étaient facilement démontables de leur base enfichable. Les contacts sont en effet facilement endommagés par des surintensités ou des courts-circuits. L’anche elle-même peut subir une fatigue du métal et perdre sa capacité à établir et rompre le contact de façon fiable. Néanmoins les avantages du vibrateur en ont fait un choix raisonnable pour l’électronique pendant plus de trente ans.
La fin de l’ère des vibrateurs correspond à la fin de l’autoradio haute tension lui-même. Les transistors étaient présents au milieu des années 1950, mais mal adaptés à la radiofréquence. Les vibrateurs étaient encore utilisés pour les émetteurs mobiles où la haute tension était nécessaire, mais l’objectif le plus pratique était l’adaptation à l’alimentation basse tension sur batterie. Ainsi, dans les derniers jours de l’électronique à tubes, une gamme spéciale de tubes d’autoradio a été développée pour fonctionner à partir d’une alimentation d’anode (de tube) de 12 Volts, avec un transistor de puissance dans l’étage de sortie audio pour développer quelques watts dans un haut-parleur.
Schéma du vibrateur électronique qui ne chauffe pas
Fonctionnement du vibrateur électronique : pourquoi il est astucieux
Oscillateur à rapport cyclique 50 % : une astuce
- Pas besoin de créer un point à Vcc/2
- garantie d’un rapport cyclique proche de 50 % même si les tensions de déchets sont différentes
Choix de la fréquence du vibrateur électronique
Commande inversée pour le push pull
Commande des transistors Mosfet et temps mort
Choix des Mosfets du vibrateur électronique
- tension VDS : 40 Volts minimum
- Résistance Rdson < 10 mOhms (0,01 Ohm)
- Tension de seuil de grille Vgsth : 2 V max
Mesures des courants et tensions dans le vibrateur électronique
Mesures à l’oscilloscope sur le vibrateur électronique
Fonctionnement du vibrateur avec le transfo
Ajustement du rapport cyclique à 50 % exactement
Ajustement du rapport cyclique à 50 % sans oscilloscope
Vibrateur électronique en charge
Vibrateur d’origine dans l’ampli Bouyer ST3
Les vibrateurs dans leur contexte
Courant continu vs courant alternatif
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.
bjr est ce qu on peut mettre des mosfets a la place des bipolaires