jeudi 29 mai 2014

Allumer un néon avec une alimentation de 5 volt

Dans cet article j'explique comment utiliser la surtension générée dans une inductance lorsqu'on coupe subitement le courant qui y circule pour allumer une ampoule néon. Pour faire exception ce projet n'utilise pas de microcontrôleur mais une minuterie 555.

L'ampoule que j'ai utilisée est une A1B. D'après les spécifications du fabriquant elle consomme 300µA lorsqu'elle est en conduction.

circuit

Le transistor 2N5551 est un transistor haute tension capable de supporter une tension de 160 volt à son collecteur lorsqu'il n'y a pas de courant dans la base (Vceo). Pour l'inductance L1 j'ai utiliser une récupéré dans le circuit de démarrage d'un fluo-compact défectueux. J'ignore la valeur de cette inductance mais il est certainement supérieur à 1mH. Cette valeur n'est pas critique mais si elle est trop petite il n'y aura pas suffisamment d'énergie dans le champ magnétique pour allumer le néon. Vous pouvez tester le circuit avec différentes valeurs. Utilisez au moins 1mH.

R3 est utiliser pour limiter le courant et C3 amorti les fluctuations de tensions sur la borne supérieur de L1. R3 et C3 forment ensemble ce qu'on appelle un filtre passe-bas empêchant les fluctuations rapides dans le circuit L1-Q1 de passer dans l'alimentation.

La minuterie 555 est configurée en oscillateur astable avec une fréquence de sortie d'environ 12,5Khz et un rapport cyclique de 50%. La sortie du 555 alimente la base de Q1 à travers R2. Lorsque Q1 conduit le courant passe dans l'inductance L1 qui emmagasine cette énergie dans un champ magnétique. Puisque la sortie du 555 est une onde carrée, à la fin de la phase haute du cycle le transistor Q1 cesse de conduire subitement. Cette coupure brusque du courant traversant L1 a pour effet un effondrement rapide du champ magnétique ce qui génère une surtension oscillante au bornes de L1. Le cycle d'oscillation commence par la phase positive, donc sitôt que la tension sur le collecteur de Q1 dépasse la tension sur le condensateur C4 la diode D2 entre en conduction ce qui permet à l'énergie de L1 de se dissiper dans C4. Lorsque la tension au collecteur de Q1 redescend sous le niveau de C4, D2 cesse de conduire. Mais il y a encore de l'énergie dans L1 donc l'oscillation se poursuit dans le négatif. La diode D1, appelée diode d'amortissement, empêche cette énergie de passer à travers le transistor car lorsque le collecteur de Q1 deviens négatif la jonction base-collecteur devient conductrice mais D1 empêche cette énergie de passer à travers la jonction base-collecteur en la dirigeant vers le v- de l'alimentation.

Voici le voltage au collecteur de Q1. La sonde de l'oscilloscope est en mode 10x donc le voltage de crête est de 56 volts. La tension continue sur C4 est de 55,5 volts environ. Le néon entre en conduction à environ 50 volts.

oscillateur à relaxation

Au départ j'ai ajusté l'alimentation à 5 volts, pour ensuite la réduire progressivement. Vers 2,5 volts le néon commence à clignoter et si je continue à diminuer la fréquence du clignotement ralenti et finalement il s'éteint complètement.

Lorsque l'inductance n'a plus suffisamment d'énergie pour garder C4 à un niveau de tension suffisant pour garder le néon en conduction il s'éteint. Mais lorsqu'il est éteint il n'y a plus de courant qui y circule donc le condensateur C4 se recharge. Lorsqu'il atteint un niveau suffisant pour faire entrer le néon en conduction, ce dernier décharge C4. Le voltage auquel le néon s'éteint est plus faible que celui auquel il s'allume donc il reste allumer un certain temps avant de s'éteindre à nouveau. C'est ce qu'on appelle un oscillateur à relaxation. Il en résulte une onde triangulaire à la jonction D2-C4. Plus la tension de la l'alimentation est basse plus il faut de temps pour recharger C4 donc la fréquence diminue.

oscillation amortie

J'ai remplacé L1 par une petite inductance de 47µH et j'ai débranché D2 pour visualiser à l'oscilloscope le signal au collecteur de Q1. Voici ce que ça donne.

Le tracé en bleu est le signal à la sortie du 555. Lorsque le signal à la base de Q1 tombe à zéro on voit très bien l'oscillation amortie au collecteur. La tension de crête à crête du premier cycle de l'oscillation est d'environ 13 volts. J'ai modifié l'échelle de temps pour montrer le détail de l'oscillation amortie.

La période est d'environ 440nSec. La formule pour calculer la fréquence d'oscillation d'un circuit accordé est:
F=1/sqrt(2*PI*L*C). Donc pour connaître la valeur de C on a:
C=1/(4*PI^2*L*F^2)
C=1/(4*3,1415^2*47e-6*(1/440e-9)^2
C=1/4*9,8696*47e-6*5,2e12=104pF
104pF serait la capacitance parasite qui fait osciller L1.

Conclusion

Les inductances comme les condensateurs sont des accumulateurs d'énergie. Alors que les condensateurs accumulent l'énergie dans un champ électrique, les inductances l'accumulent dans un champ magnétique. Cependant alors que le champ électrique peut persister dans un condensateur, le champ magnétique lui n'est pas persistant, il s'effondre lorsque l'alimentation est coupée. Mais cette énergie doit se dissiper quelque part. S'il n'y pas de circuit pour la dissiper la tension monte rapidement aux bornes de l'inductance. En théorie cette tension pourrait devenir infinie. En pratique elle est limitée par la capacitance parasite qui existe à l'intérieur de toute inductance. L'inductance forme avec cette capacitance parasite un circuit accordé qui se met à osciller jusqu'à ce que toute l'énergie soit dissipée dans la résistance du bobinage. La tension maximale est atteinte lorsque toute l'énergie du champ magnétique a été transférée dans la capacitance parasite. Dans le circuit ci-haut l'oscillation est amortie très rapidement (1 demi-cycle) car elle est dissipée dans C4 et à travers D1.

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