26 octobre 2021

Multiplicateur de tension

Dans cet article, je vous présenterai le multiplicateur de tension que j’ai réalisé.

Mais avant toute chose, un warning s’impose : ⚠Ce projet utilise de la haute tension, de l’ordre de 10kV jusqu’à 100kV. A ne surtout pas reproduire chez soi sans connaissance des risques. Ne pas s’approcher de la sortie à moins de 60cm – risque d’arc électrique. Je décline toutes responsabilités.

Ce projet se compose de plusieurs parties : l’alime 19V, un oscillateur ZVS relié à un flyback AC (noté FBT), le multiplicateur de tension, et la mise à la terre, qui est obligatoire, le flyback pouvant flotter en HT, ainsi que le primaire (19V), et faire un arc électrique

L’alime 19V est issue d’un PC portable, et est une alime à découpage de type « Flyback » pour les moins puissantes, avec un secondaire flottant, relié au primaire par un condensateur Y1 (résiste à 8kV), et/ou une résistance comprise entre 20MΩ et 100MΩ, ou de type demi pont pour les PC gamer, avec un secondaire relié à la terre.

Le ZVS est un module multivibrateur qui permet de transformer le courant continu (ici 19V) en courant alternatif non régulé, grâce à une dizaine de composants. La sortie est parfaitement sinusoïdale à vide, car le primaire du transformateur (ici un flyback AC de 15kV) est en résonance avec les condensateurs du ZVS. De plus, le ZVS chauffe très peu, car les MOSFET sont en commutation douce (les MOSFET changent d’état à 0V), à l’opposé du « flyback NE555 », ou pire, du « 3 components flyback driver », ce dernier possédant un transistor BJT utilisé en régime linéaire, donc qui chauffe beaucoup. Le problème du ZVS est la chute de tension à la moindre charge, à cause de la baisse du facteur Q du circuit LRC.

Le multiplicateur de tension est composé de diodes et de condensateurs (et de résistances de protection en sortie, en option). J’ai pris comme composants des condos céramique de 1nF 30kV, et des diodes de 5mA 20kV, 2 en série pour avoir 1 diode 40kV 5mA. Une fois le tout assemblé, j’ai mis la cascade dans de la cire de paraffine pour l’isoler, car la paraffine a une tenue en tension de 10kV/mm, au lieu 1kV/mm pour l’air.

La tension de sortie du multiplicateur répond à la formule :

U(out)=Nstages \cdot Uin \cdot 2 \sqrt2

La racine de 2 vient du fait que Uin est une valeur efficace (notée RMS). En théorie, avec 10 étages et 10kV RMS (ampl. 14kV), le multiplicateur devrait sortir 280kV. En pratique, j’ai obtenu lors des premiers tests à peine 30-40kV, pour 2 raisons : 1) la mise à la terre directement en sortie du flyback a eu un effet de couplage avec le sol, créant une baisse de tension du flyback et gaspillant l’énergie. Un transfo 220V utilisé comme une inductance pour bloquer le courant alternatif et laisser passer le continu, ou une longueur de fil a suffi pour régler le problème et obtenir environ 100kV. (2) Le module ZVS possède une tension de sortie à vide qui est plus élevée que la tension en charge. A vide, le flyback avait une sortie de 15kV ampl., et le multiplicateur de tension, même à vide, suffit à faire baisser la tension du FBT, à cause de la faible impédance des condensateurs et des fuites de courant par effet couronne. Le mieux aurait été d’avoir un demi pont, qui permet d’avoir un flyback en «  »source de tension » ».

J’ai aussi fabriqué des multiplicateurs de tension plus petits

Ces 2 multiplicateurs de tension fonctionnent avec une tension d’entrée de 690V AC RMS à 1-2mA et 50Hz, et permettent d’obtenir en théorie près de 4kV, mais en pratique 3kV. Le plus petit est en fait plus une source électrostatique, car les condos de 150pF et de 1nF constituent une forte impédance à 50Hz, et donc laissent un courant très faible. Le second est un peu plus grand, et permet de délivrer un courant un peu plus élevé, et utilise des condos céramique bleus de 2.2nF, et condos MFP verts de 47nF, et des diodes 1N4007 / M7.

J’ai aussi fait un doubleur de tension avec 2 condos électrolytiques et 2 diodes, de manière anecdotique 😉

liens utiles

lien de la chaîne avec les vidéos : https://www.youtube.com/c/ElectroXa

fonctionnement d’une cascade de tension : https://fr.wikipedia.org/wiki/Multiplicateur_de_tension

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