Le contenu de cet article a été extrait du document Résonateurs Tesla Modernes Haute Fréquence Solid State à Double Résonateurs, rédigé par Corentin DOUAY. Ce document est totalement obsolète et contient de nombreuses erreurs, il est néanmoins disponible sur le site du projet Hyperion, actuellement en remaniement. 

Le projet de résonateurs Tesla à haute énergie de classe Hypérion a été initié il y a plusieurs années en classe préparatoire aux concours d’ingénieurs, à l’époque formé de DOUAY Corentin (L2 GSAT – chef de projet), MEYER Antoine (L2 Physique) et MORENO Victor (L3 Physique). Il s’agit de construire un résonateur de nouvelle génération basé sur la double résonance magnétique asservie et avec du silicium, d’où l’appellation Solid State.

Au contraire d’un résonateur historique tel que pensée par Tesla lui même et générant un champ magnétique pulsé à partir d’un système accumulation – relâchement (Capacité THT – Éclateur) correctement accordé, la bobine de classe Hyperion exploite un système à base de semis conducteurs de puissance type IGBT en configuration pont en H. Ce système permet de se passer d’un éclateur, gourmand, instable et relativement compliqué à régler de part son aspect mécanique.

L’utilisation du découpage dans les applications de puissance n’est pas nouvelle et permet de travailler avec de petites quantités d’énergies, à haute fréquence. Ici nous exploitons le découpage pour alimenter une résonance magnétique, dans deux circuits couplés.

Commençons avec un bref récapitulatif de l’historique des résonateurs Tesla. Beaucoup trop de conneries circulent sur internet sur ces dispositifs, posons correctement les choses. Une bobine Tesla est un « simple » transformateur à résonance.

Bobine Tesla Historique – Spark Gap Tesla Coil – SGTC

On trouve beaucoup de schémas des premières bobines inventées par Tesla vers 1891, mais le schéma de principe est toujours le même :

Bobine Tesla Antique – SGTC

  • Élévation de tension par un premier transformateur d’une onde sinusoïdale
  • Accumulation d’énergie dans un condensateur THT – Souvent de construction empirique
  • Fermeture du circuit Condensateur – Bobine primaire par un éclateur
  • Une fois l’air au centre de l’éclateur ionisé, la capacité primaire est court circuit dans la bobine primaire et génère un puissant champ magnétique
  • Un petit courant issu de l’induction dans la bobine secondaire est observé à sa base
  • Ce petit courant se déplace de haut en bas de la bobine à sa fréquence propre. Pour ralentir la fréquence d’oscillation de ce petit courant dans le secondaire, on rajoute une électrode terminale appelé en général Tore, principale caractéristique visible des résonateurs Tesla.

On complète donc de cette façon un cycle, le but étant de régler convenablement l’inductance du primaire et la tension d’ionisation de l’éclateur (écartement des électrodes) pour accorder correctement les circuits résonants entre eux et obtenir de très grandes élévations de tension. Les plus grosses bobines utilisent toujours cet antique mode de fonctionnement purement lié aux propriétés physiques de la matière.

La grandeur extrême du facteur Q (deux systèmes quasi totalement LC) est telle qu’une variation de quelques Hertz de la stimulation entraîne de grandes baisses de performance, même si le dispositif antique est tout de même moins sensible aux variation de densité et de nature de l’environnement. Un rien dérègle l’accordage, par exemple une petite variation de densité dans le champ proche (présence ou non d’une électrode, présence d’un mur …) d’autant que les arcs peuvent être représentés par des capacités parallèles, tendants à désaccorder le système vers le haut du spectre.

Bobines Tesla à Semis Conducteurs – Solid State Tesla Coil – SSTC

Une bobine de classe SSTC (Solid State Tesla Coil) utilise des semis conducteurs de puissance pour remplacer l’éclateur et stimuler le circuit résonant primaire, permettant un réglage fin de la fréquence de stimulation et donc de l’énergie transféré au secondaire. La fréquence de résonance peut ainsi être atteinte bien moins difficilement qu’avec un accordage manuel, opération longue et fastidieuse des bobines antiques. Certains utilisent des Triac de forte puissance, d’autres de gros transistors de puissance capable d’encaisser le burst d’énergie, ou alors comme suivant avec un triac dont la gâchette est commandée par un tube à décharge.

Exemple à base de tube à décharges sans doute jamais concrétisé par son auteur mais illustrant parfaitement la mise en place d’un triac pour remplacer l’éclateur.

Un modèle de SSTC avancé, s’approchant de la classe DRSSTC (Double Resonant Solid State Tesla Coil) consiste à générer des créneaux rapides à la fréquence propre de la bobine secondaire, mais sans autre réglage particulier du circuit résonant primaire que l’accordage au secondaire manuel, une fois pour toute avant le démarrage. Dans cette configuration le condensateur primaire fait entièrement parti d’un système résonant, il est monté en série avec sa bobine primaire et sa fonction n’est plus de choquer le primaire avec un burst de courant. L’inverseur de puissance stimule donc le secondaire à travers le primaire via la résonance magnétique, et les deux systèmes forment un unique circuit résonant mais dont un seul est exploité à sa fréquence propre, le secondaire. 

La bobine Tesla de Luc Lasne (Professeur agrégé à l’université Bordeaux 1 et ancien élève de l’École normale supérieure de Cachan) utilise ce principe avec succès. Le professeur Luc Lasne a écrit un superbe papier sur les résonateurs Tesla il y a quelques années.

En contrepartie et pour ces deux systèmes les puissances commutables au primaire sont bien moindres que sur les modèles antiques, et on doit mettre en place un générateur de signaux assez stable et précis pour commander le dispositif de commutation. Il y a également d’autres inconvénients :

On y reviendra dans un autre article, mais la mise en place de ces deux circuits résonants couplés pose de gros soucis de frequency spliting. En gros on a un effondrement de la réponse fréquentielle avec l’apparition de deux pôles de part et d’autre de la fréquence de résonance commune. J’ai déjà commencé les simulations pour trouver une solution, c’est là que s’arrête mon travail pour l’instant :

Résultats des premières simulations de l’étude du phénomène de la séparation fréquentielle.

Bobines Tesla à Semis Conducteurs utilisant la Double Résonance – DRSSTC

Topologie de la bobine de classe Hyperion (DRSSTC).

La classe DRSSTC est la seule capable de rivaliser en puissance et longueurs d’arcs avec les bobines antiques, son secret est l’asservissement. Un senseur de courant est monté au primaire, et le système de commutation est asservis sur cette fréquence propre, formant un premier circuit résonant. Le primaire est ensuite accordé au secondaire et on exploite donc les deux circuits résonant en théorie au maximum de leurs facteurs de qualité, sous réserve de régler le soucis de la séparation fréquentielle.

Ce système n’a que des avantages :

  • Il est possible d’ajuster dynamiquement et très rapidement la fréquence de commutation
  • Possibilité de moduler la fréquence de commutation pour faire de la musique
  • Possibilité de se rapprocher d’une commutation ZCS (Zero Current Switching)

L’unique sans doute désavantage de cette méthode est essentiellement la complexité, la conception d’un contrôleur et de son inverseur de forte puissance à haute fréquence en asservissement est très complexe et fait appelle aux dernières technologies en matière de semis conducteurs de puissance. Ce n’est pas vraiment à la portée du premier ingénieur venu : ce système doit gérer une résonance asservie à une fréquence de 100 kHz dans un environnement électrique et magnétique très chargé, sous de forts courant.

Les bras de ponts sont en cours de développement sous l’appellation PONTS HYPERIONS :

Bras de pont de classe Hypérion – Performances nominales : 1kV,15A,100kHz – 25/10/2017

Les sources sont disponibles dans l’article, le reste provient de mon expérience personnelle et de la bible des résonateurs Tesla modernes par Daniel Mc Cauley : DRSSTC : Building The Modern Day Tesla Coil, sans oublier le livre de référence, les Notes de Colorado Spring par Nicola Tesla.

Dernière modification : 25/01/2018 – A suivre


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