Schéma et fonctionnement d’un vibrateur électronique

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 et ancestral 2N3055 — qui génère de nombreuses pertes sous forme de chaleur. Le schéma présenté ici a la prétention de limiter la température du boîtier des composants à 40 °C grâce à un choix de MOSFET performants à (très) basse tension.

Voici le schéma, avec des explications détaillées du fonctionnement, ainsi que des mesures des tensions et des 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 de 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 des 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 étaient en effet facilement endommagés par des surintensités ou des courts-circuits. L’anche elle-même pouvait subir une fatigue du métal et perdre sa capacité à établir et à 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

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

Vibrateur électronique : un schéma performant

Fonctionnement du vibrateur électronique : pourquoi il est astucieux

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

Oscillateur à rapport cyclique de 50 % : une astuce

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 µF est ici un bon compromis. Pour garantir un rapport cyclique de 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 :

• Pas besoin de créer un point à Vcc/2
• Garantie d’un rapport cyclique proche de 50 %, même si les tensions de déchet sont différentes

Les tensions de déchet 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 MOSFET.

Choix de la fréquence du vibrateur électronique

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 MOSFET 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 1 000 fois plus lentement qu’un push-pull du type MAX253, SG3525 ou TL494 !

Commande inversée pour le push-pull

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.

Commande des transistors MOSFET et temps mort

Un temps mort entre la conduction des transistors MOSFET est prévu 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 entre les 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 RDS(on) des MOSFET tend aussi à compenser légèrement un déséquilibre. Le MOSFET le plus passant aura tendance à s’échauffer davantage et sa résistance RDS(on) 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 réduite. Avec une résistance RDS(on) de 10 mΩ (0,01 Ω), cette compensation est négligeable.
Le temps mort est créé 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 de Miller sont à négliger à des fréquences de 130 Hz.

Choix des MOSFET du vibrateur électronique

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

• tension VDS : 40 Volts minimum
• Résistance RDS(on) < 10 mΩ (0,01 Ω)
• Tension de seuil de grille VGS(th) : 2 V max

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 mΩ max et VGS(th) faible
Présentée sous un autre angle, voici 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 celles de l’ancestral 2N3055.
Voici donc le fonctionnement détaillé du vibrateur électronique. Passons maintenant aux mesures.

Mesures des courants et tensions dans le vibrateur électronique

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

Mesures à l’oscilloscope sur le vibrateur électronique

Fonctionnement du vibrateur avec le transfo

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 de la tension dans le vibrateur électronique à MOSFET

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.

Ajustement du rapport cyclique à 50 % exactement

Lorsque le rapport cyclique n’est pas précisément de 50 %, les courants de crête dans les deux MOSFET 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 l’égalité des courants de crête dans les deux MOSFET.
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 de crête diminue fortement, mais un bruit audible se fait entendre à la sortie de l’ampli et dans le transformateur :

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

Ajustement du rapport cyclique à 50 % sans oscilloscope

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 MOSFET). Le voltmètre doit afficher quelques mV. Ajuster alors le rapport cyclique de telle sorte qu’il y ait 0 mV DC entre les drains des MOSFET. 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).

Vibrateur électronique en charge

On utilise le transfo pour alimenter l’ampli Bouyer ST3. Le secondaire est redressé avec deux diodes 1N4007 (qui remplacent le redresseur 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 MOSFET 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.

Vibrateur d’origine dans l’ampli Bouyer ST3

Le vibrateur mécanique d’origine ressemble à ceci :

Vibrateur mécanique de l’ampli Bouyer ST3 : en panne

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 les 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 moteurs, 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. Cela 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, d’écran et de polarisation des tubes ; le courant alternatif ou continu basse tension pour l’alimentation du filament (heater) du tube électronique, le fonctionnement des relais, etc. Les tensions d’entrée nominales généralement rencontrées sont de 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 rapides d’un ou de 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 d’une dynamo réside dans la forme de l’onde de tension produite.

Tension de sortie du vibrateur : carrée et non sinusoïdale

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 ne présente pas de discontinuités pendant le cycle complet. La valeur efficace de la tension est de 71 % de la valeur de crête, tandis que la valeur moyenne est de 64 % (2/pi) de la valeur de 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 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 l’« 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 ne 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 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 du condensateur pour l’adapter 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’ils sont utilisés 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 MOSFET 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.