Réalisation d'une boule à plasma avec une ampoule à incandescence

Bonjour à tous, aujourd'hui je vous propose de réaliser une boule à plasma à partir d'une ampoule à filament classique.

Voici une petite vidéo du rendu final :

Cette vidéo n'est pas la mienne, il s'agit d'une vidéo d'un Youtubeur ayant réalisé ce projet.

Eh oui, nous allons (encore) nous amuser à faire des éclairs :P

Ce projet implique de travailler avec de la très haute tension (de l'ordre du kV). Une extrême prudence est donc mise. Ne réalisez pas ce projet seul ou si vous ne vous en sentez pas capable.

Avant de commencer, voyons un peu plus en détail ce qu'est une boule à plasma et comment ça fonctionne.

1. Fonctionnement d'une boule à plasma

Sans plus attendre, voici le portrait de la star du jour :

Une boule à plasma, est composé d'une sphère creuse en verre dans laquelle se trouve un gaz noble sous basse pression (classiquement du néon). En son centre se trouve une petite boule pleine jouant le rôle d'électrode à laquelle une forte tension électrique alternative est appliquée (de l'ordre du kV). Sa fréquence est fixe et comprise entre 10kHz et 60kHz.

La sphère de verre, quant à elle, est au potentiel de l'air environnant, c'est à dire quelque chose proche de 0V.
Du fait de la forte tension qui lui est appliquée, l'électrode centrale va ioniser le gaz, ce qui va entraîner des décharges électriques entre ladite électrode et les parois de la sphère.
Si la tension appliquée à l'électrode centrale est suffisamment élevée pour vaincre la tension de claquage du gaz, un arc électrique va alors se former entre la sphère de verre et l'électrode.

Lorsque l'on touche la sphère, on accroît localement le couplage capacitif de l’environnement à la sphère de verre, faisant ainsi chuter l'impédance du système à l'endroit du contact. Il en résulte que le courant (de déplacement et de conduction) est plus élevé et donne lieu à une décharge électrique plus intense.

Selon le gaz, ou mélange gazeux utilisé, la couleur des éclairs varie. A titre informatif, voici les couleurs que l'on peut obtenir selon le gaz utilisé :

Gaz	Couleur
Hélium	Bleu-pourpre, jaune-orange
Néon	Rouge-orange
Argon	A de basses tension la couleur est pourpre-lavande et à des hautes tensions orange
Krypton	Gris, jaune
Xénon	Bleu
Air	Pourpre très profond avec pointe bleu-rose. Des pressions plus élevées forment les flammes faibles, de plus basses pressions forment un nuage tout comme l'hélium
Azote	Pourpre
Dioxyde de carbone	Blanc
Mercure ou vapeur de métal	Ultraviolet extrêmement dangereux pour les yeux et invisible. Bleu à de basses tensions et vert en hautes tension
Aluminium	Vert-bleu
Oxygène	Bleu clair-vert
Plasma	Anneau vert

Voici de manière simplifiée comment fonctionne une lampe à plasma.

2. Réalisation de la boule à plasma

2.1 Le globe

Comme nous ne sommes pas capables de réaliser une sphère de verre remplie de gaz noble, nous allons utiliser une ampoule à incandescence (à filament). Eh oui, les ampoules classiques sont remplies le plus souvent d'un gaz noble, ça nous arrange bien !
De plus, le filament en son centre fera office d'électrode, nous avons donc tous les éléments de notre sphère.

Les ampoules à faible puissance sont le plus souvent remplies de vide, ça ne nous intéresse pas. A partir de 60W (environ) on a l'assurance qu'elles sont remplies avec un gaz noble (généralement du néon), préférez-donc ces dernières.

La partie réalisation va ici consister à concevoir un circuit électronique nous permettant d'obtenir une tension alternative suffisamment élevée pour générer de beaux arcs électriques.

2.2 Le circuit électronique

Voici donc le schéma électrique que je vous propose d'utiliser aujourd'hui :

Ce montage s'articule autour d'un oscillateur carré ici réalisé à l'aide d'un montage à base de NE555 câblé en astable. Pour plus de détails à ce sujet, je vous renvoi vers un précédent tuto.
Afin de pouvoir adapter la fréquence et le rapport cyclique du signal, deux potentiomètres sont utilisés en lieu et place des résistances, elles, à valeur fixe. De cette manière, vous pourrez adapter ces deux paramètres afin d'obtenir les meilleurs arcs électriques possibles.

Vous pouvez très bien utiliser un autre montage pour votre oscillateur, j'ai par exemple utilisé un Arduino Uno pendant mes tests. Pour ceux qui auraient déjà réaliser un Plasma Speaker, vous pouvez l'utiliser pour votre boule à plasma.

Vous noterez l'utilisation d'un driver, ici le TC4429, placé entre la grille du MOSFET et la sortie du montage oscillateur. En effet, ce dernier ne délivre pas un signal des plus propres. J'entends par là que les temps de montée et de descente sont trop "longs" ce qui n'est pas bon du tout pour la santé du pauvre IRF540.
Le driver va se charger de délivrer un signal bien droit afin de piloter convenablement notre MOS. Concrètement, en son absence, le MOSFET risque de chauffer au point de partir en fumée.

Pensez bien à placer un dissipateur thermique sur votre MOSFET afin de le refroidir car il va (beaucoup) chauffer.

Autre point intéressant lorsque l'on consulte la datasheet de l'IRF540 : la diode interne en anti-parallèle du MOS. Il s'agit d'une diode de protection, appelée également diode de roue libre.

De quoi le MOSFET est-il protégé ?

La charge branchée en sortie du MOS est le primaire d'un transformateur, une bobine donc. Il faut savoir qu'une inductance (bobine), s'oppose aux variations de courant, comme le montre la formule définissant la tension à ses bornes :

$$V_L(t) = \dfrac{L \times di(t)}{dt}$$

où $L$ est la valeur de l'inductance en Henri et $\dfrac{di(t)}{dt}$ est la dérivée du courant, soit concrètement la variation de courant par unité de temps.

Mettons quelques valeurs sur ces termes pour bien comprendre ce qui se passe.

Application numérique :
Imaginons que le primaire de notre transformateur ait une inductance de 100mH, que notre signal soit un carré de fréquence 20kHz, soit une période de 50µs et que le courant max circulant soit de 3A. La variation de courant sera donc de $3 - 0 = 3A$. En injectant le tout dans la formule initiale, on obtient :

$$V_L = \dfrac{100.10^{-3} \times 3}{50.10^{-6}} = 6000 V$$

A chaque alternance de notre signal, un pic de tension de 6000V apparaît ! Et qui se trouve en première ligne ? Le MOSFET ! D'où l'importance de le protéger par une diode placée en anti-parallèle. De cette manière, les pics de tension sont renvoyés dans la bobine, protégeant ainsi l'IRF540.

Il s'agit là d'une explication assez sommaire mais elle permet de comprendre les mécanismes mis en jeu.

2.3 Le transformateur

Afin d'élever la tension d'alimentation (initialement de 12V), nous allons utiliser un transformateur élévateur.

Plusieurs choix s'offrent à vous :

1. Utiliser un THT DC récupéré dans une vieille TV cathodique
2. Utiliser un THT AC récupéré dans une (très) vieille TV cathodique
3. Utiliser un transformateur récupéré dans un alimentation de PC

2.3.1 THT à sortie DC (DC flyback)

Il va vous falloir une bobine de fils de cuivre de diamètre 0.22mm (environ) et un THT, on en trouve dans les écrans cathodiques (vieilles TV & écrans d'ordinateur). Voici à quoi ça ressemble :

Ce qui nous intéresse, c'est la ferrite autour de laquelle le transformateur est bobiné. Cette ferrite se compose de deux morceaux, le plus souvent collés entres eux et maintenus par une bague de serrage en métal. Pour la récupérer, retirez d'abord la bague de serrage et plongez ensuite votre THT dans de l'eau bouillante quelques minutes afin de ramolire la colle et pouvoir séparer les deux morceaux.

Voici ce que vous devez obtenir :

Vous pouvez remarquer qu'un côté de la ferrite est de forme cubique et l'autre de forme cylindrique où nous bobinerons respectivement le primaire et le secondaire.

Nous allons maintenant passer au bobinage du secondaire. Pour se faire, je vous recommande de ne pas bobiner directement sur votre ferrite mais d'utiliser un tube en plastique aux bonnes dimensions que vous pourrez enlever et remettre à votre guise. Essayez de bobiner directement sur la ferrite, vous allez vite comprendre l'utilité du tube en plastique ;)

En ce qui concerne le bobinage, faites un allez-retour du tube avec le fils puis recouvrez de scotch d'électricien. Recommencez ainsi de suite jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de place une fois la bobine autour de la ferrite.

Le scotch sert à éviter que des arcs ne se forment entre les différentes couches de fils de la bobine. Si cela arrivait, vous n'obtiendriez aucun arc en sortie de votre transfo et vous devriez tout recommencer.

Pourquoi on n'utilise pas le THT en l'état ? Ca serait quand même plus pratique que le démonter pour le rebobiner ensuite, non ?

Pour que notre boule à plasma fonctionne, elle a besoin d'une haute tension alternative or, ce genre de THT possèdent un redresseur en interne (montage de Cockcroft-Walton pour ceux que ça intéresse), ils délivrent donc une tension de sortie continue. Voilà pourquoi nous devons bobiner nous-même notre transformateur.

Finalement, voici le transformateur avec le secondaire en place :

Il ne vous reste plus qu'à bobiner une dizaine de tours sur la section cubique de la ferrite pour former le primaire. Utilisez un fils émaillé d'environ 1mm de diamètre.

2.3.2 THT à sortie AC (AC Flyback)

Ce type de THT ne possèdent pas de redresseur en interne, ils délivrent donc une tension de sortie alternative. Ils sont donc tout indiqués dans notre cas. Si vous avez réussi à mettre la main dessus, vous pouvez l'utiliser directement pour votre boule à plasma.
Contentez-vous de bobiner une dizaine de tours autour de la ferrite extérieure pour former votre primaire.

2.3.3 Transformateur de récupération

Pour la troisième solution, vous pouvez utiliser un transformateur comme celui-ci :

Commencez par couper les fils soudés aux pattes du transfo, puis, doucement, poussez la bobine vers l'extérieur pour l'extraire. Vous pouvez également plonger le transfo dans de l'eau bouillante pour ramolire la colle et faciliter l'extraction.
Le but ici est de récupérer l'espèce de tube en plastique autour duquel le fils du transfo est bobiné.

Vous pouvez constater que des séparations sont présentent entre les différents étages du tube. Elles ont le même rôle que le scotch dans le cas du THT DC, c'est à dire empêcher que des arcs ne se forment entre les différentes couches de fils.

Retirez le fils de cuivre présent (mais conservez-le, il pourra vous servir pour votre primaire) et commencez à bobiner avec le fils de ∅0.22mm.
Voici une vidéo très instructive qui vous fera sûrement gagner du temps quant au bobinage de ce type de transfo, voyez plutôt :

Recouvrez le tout de scotch afin d'améliorer l'isolation.

2.4 Branchements & crachstest

Tous les éléments sont maintenant opérationnels de manière individuelle, il ne reste plus qu'à relier tout ce petit monde :

Maintenant que tout est branché, vous pouvez effectuer votre premier test, mais attention les doigts !

Si tout se passe bien, vous devriez voir des éclairs à l'intérieur de votre ampoule, comme dans une lampe à plasma classique.

Si vous entendez un sifflement sans voir d'éclairs, vous y êtes presque. Il vous suffit d'ajuster les potentiomètres de l'oscillateur jusqu'à ce que des éclairs apparaissent dans votre ampoule.

Si malgré cela vous ne voyez toujours pas d'éclairs, c'est sans doute que votre tension de sortie n'est pas assez élevée. Il vous faut soit augmenter la tension d'entrée soit rebobiner votre transformateur...

3 Mise en boite

Maintenant que l'on sait que tout fonctionne, il ne reste plus qu'à faire une belle boite pour y placer circuit et transfo. Et pour fixer l'ampoule, je vous conseil d'utiliser une douille, ça sert quand même à ça à la base :P

Sources : [1] [2] [3]

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