Guide de réalisation d'un Plasma Speaker

Cet article vous permettra de réaliser une enceinte plasma, c'est l'occasion d'aborder plusieurs notions d'électronique intéressantes.

Vue d’ensemble

:!: Attention, la présentation du montage suivant va vous amener à manipuler des composants produisant un phénomène physique qui n’est pas sans risque, l’arc de plasma est créer par une différence de potentiel de plusieurs milliers de Volts, certains composants du montage sont malmenés et peuvent se détériorer violement, le courant débité par les sources de puissance est tout sauf négligeable. Si votre connaissance en électronique et électricité n’est pas suffisante, je vous demanderai de ne pas réaliser cette expérience. :!:

 Vue montrant les forts courants entrant dans le dispositif

Principe

Le principe du plasma speaker est le suivant, on crée un arc de plasma en ionisant de l’air entre deux électrodes. Pour ce faire nous créons une très grande différence de potentiel entre ces électrodes avec un transformateur Flyback. Une fois cet arc établi, on le fait vibrer de sorte à créer un son à la manière d’une corde de guitare.

Comme pour les instruments, pour obtenir un meilleur son il faut une caisse de résonnance et pour obtenir des sons graves il faut un arc de grandes dimensions. Avec le montage proposé nous pourrons réaliser un arc de dimensions moyennes produisant très fidèlement les aigus mais incapable de produire des basses.

Composants

Pour créer l’arc de plasma il faut un Transformateur Flyback pour élever très fortement la tension. Cependant il faut encore faire fonctionner ce transformateur particulier. La commande du transformateur modulé par le son, est réalisée par le circuit « Driver Transformateur Flyback». Ensuite un Mosfet à pour rôle de transformer ce signal de commande en un signal de puissance.

Ainsi les principaux composants sont :

  • TL494 : Circuit Intégré se chargeant de générer un signal de commande, il faut l’acheter (pas cher). Datasheet : http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/c/0hoe562z3844z85q9ppxcz3t33ky.pdf (12/01/2010)
  • Transformateur Flyback : Composant à récupérer dans un vieil écran CRT.
  • Mosfet : Composant le plus fragile du montage, avant de trouver le bon candidat (celui qui ne cramera pas en 2 secondes), il va falloir chercher. On en trouve de très bon dans les écrans CRT (il faut lire la référence sur les composants qui ressemblent à des Mosfet et chercher le Datasheet sur internet). Les Schémas sont faits avec IRF540 (5€ pièce !) mais le meilleur Mosfet que j’ai utilisé, le IRF630, je l’ai trouvé en quelques exemplaires dans chaque écran CRT que j’ai démonté.
  • Autres composants : Ce sont des composants standards que l’on trouve un peut partout. Personnellement je les ai acheté pour environs 5€ chez un revendeur pas très honnête… Liste :
    • Condensateurs : 200uF (ou 220uF) électrolytique, 47nF, 100nF, 10nF Céramiques
    • Résistances : 2.2Kohms, 10 ohms en 1/4W
    • Potentiomètres : 10Kohms, 22Kohms
    • Diode rapide : UF4007 ou autre diode rapide
    • Un jack audio
    • Des fils
    • Une alimentation 12V pour le TL494
    • Une source PUISSANTE de 12 à 40V pour le Flyback (Pour éviter de cramer les Mosfet il est préférable d’avoir une source de moins de 20V, l’intensité délivré est proche de 4A)
    • Une plaque test
    • Un bon dissipateur thermique

Schéma électrique global

 Schéma électrique du Plasma Speaker.

Circuit Driver Transformateur FlyBack

 Influence du son dans le montage.

Circuit sans influence du son

Le TL494 produit un signal créneau dont on peut régler la fréquence avec le potentiomètre de 22k et le rapport cyclique avec le potentiomètre de 10k. En sortie, sur la patte 9 ce composant est incapable de fournir un courant. D’ailleurs lorsque la tension observée sur la grille du Mosfet ne ressemble plus à un créneau c’est que celui-ci est grillé.

Je vous conseille de faire vos tests d’arc sans connecter le son et de régler le rapport cyclique à 50% pour avoir toutes les chances de votre coté pour obtenir un arc de plasma sans griller de Mosfet.

Influence du son

La question qui vient après cette première partie est : Comment le son se superpose au signal de commande du Flyback ?

On remarque en fait que le Jack est connecté sur la partie du circuit qui commande le rapport cyclique du signal de commande. Et en effet lorsqu’on le regarde à l’oscilloscope le signal on voit le rapport cyclique changer (très rapidement) au rythme de la musique qui est jouée.

Mosfet et diode

 Montage MOSFET et diode plongé dans l'huile liquide.

Remarques générales

Dans ce montage le Mosfet est très mal traité, majoritairement car il lui est demandé d’entrer en conduction et de se bloquer à une fréquence élevée et avec un courant le traversant important, mais aussi car lors de l’arrêt du montage, l’inductance que représente l’enroulement primaire du transformateur Flyback induit une surtension au borne du Mosfet, d’ou la diode de roue libre en parallèle. Une fois le problème de surtension réglé, il reste un problème de surchauffe.(On voit la diode de roue libre sur la photo)

Résoudre le problème de surchauffe

Plusieurs solutions sont envisageables, j’en ai testé 2 avec moins et plus de succès.

  • Refroidissement par dissipateur thermique à air : on en trouve souvent sur les Mosfet, j’ai testé cette solution en ajoutant un ventilateur d’ordinateur mais ceci n’empêche pas la surchauffe.
  • Refroidissement à eau : on fait courir autour du Mosfet un tuyau dans lequel on fait circuler de l’eau froide, cette solution semble adaptée mais je ne l’ai pas testée.

 Bain d'huile liquide

  • Refroidissement à bain d’huile : on plonge le Mosfet avec un petit dissipateur thermique dans un bain d’huile froide (huile de tournesol convient très bien), comme l’huile n’est pas un bon conducteur du tout on n’a aucun problème de court-circuit et un échange de chaleur optimal. Pour une meilleure efficacité j’ai ajouté dans la cuve un ventilateur pour brasser l’huile.

Transformateur FlyBack

Détermination de l’enroulement secondaire

Un fois démonté de l’écran CRT il faut trouver les pattes qui composent l’enroulement secondaire que nous connecterons aux électrodes. Une borne de l’enroulement est connue, il s’agit du gros fil bien isolé qui sort par le dessus du transformateur. Pour trouver l’autre borne il faut connecter une source de tension à la première borne et chercher une patte dans les différentes qui sont sous le transformateur, ou il y a un potentiel par rapport à la masse de la source.

Je me suis rendu compte que cette patte ne suffisait pas, en effet en connectant seulement cette patte il est très difficile de produire un arc et lorsque je produisais les plus beaux arcs, un éclair se faisait entre la patte que j’avais connectée et une autre patte. J’ai donc décidé de connecter ces deux pattes ensembles et les arcs étaient alors beaucoup plus simples à obtenir et beaucoup plus stables. J’ai aussi remarqué que les pattes inférieures qui correspondent à la seconde borne de l’enroulement secondaire sont souvent les mêmes d’un transformateur à un autre. construction_reglable.jpg

Remarques pratiques

Pour faire les électrodes de simples clous suffisent, il faut juste faire en sorte que l’espacement soit réglable

Le transformateur est composé d’enroulements qui sont autant d’inductances. Comme les inductances sont des réservoirs de courant lorsque vous mettez votre circuit hors tension veillez à décharger le transformateur en court-circuitant les différentes pattes inférieures du transformateur. J’ai appris à mes dépends (petit coup de jus) l’intérêt de cette manœuvre.

Article réalisé par Marc Antoine SAVOYAT

12 janvier 2010