1 000 000 VOLTS

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TRANSFORMATEUR TESLA  / TESLA COIL


Transformateur Tesla de Kurt Schraner ( Switzerland ) - Photo tous droits réservés

Ce site est créé pour aider à la realisation de générateurs * artisanaux * à très haute tension et à hautes fréquences (50 - 150 kHz) , susceptibles de décharges électriques spectaculaires .

Le générateur est le transformateur Tesla (
Tesla Coil en anglais ).

Mise en garde : les tensions extrêmes mises en jeu nécessitent une grand rigueur dans les montages et le respect absolu des règles de sécurité. Il n'existe pas de seconde chance.


Ce hobby a engendré des centaines de sites qui proposent de magnifiques photographies ( voir les liens en fin de page ) . En France les amateurs restent peu nombreux.

Ces sites permettent de mener à bien les montages et les expériences en allant directement à l'essentiel : rassemblement des composants , assemblage , réglage, photographies , films , réunions d'amateurs ( Teslatons) .

Certains amateurs ont pu créer des prototypes permettant des éclairs de 2 à 5 mètres ! D'autres sont devenus professionnels et construisent des modèles pour les musées , les effets speciaux au cinéma et dans la publicité, les démonstations en plein air ( Décharges de 20 a 30 mètres).

1) les principes du fonctionnement du transformateur Tesla:

C'est un transformateur électrique à deux bobinages concentriques couplés-accordés , à noyau d'air, alimenté avec un circuit de puissance oscillant , qui génère de trés hautes tensions transitoires à "haute" fréquence, par résonance en 1/4 d'onde. L'inventeur , Nikola  Tesla ( 1856 - 1943 ) , est l'objet d'une véritable vénération aux USA et a de nombreux adeptes dans le monde entier.

Nicola Tesla le 17 juin 1901
Photo dédicacée " A mon illustre ami, Sir William Crookes"

Tesla a obtenu une double élévation de tension en bénéficiant d'une part du rapport de transformation lie a l'inégalité du nombre de spires au primaire et au secondaire, et d'autre part du coefficient de surtension qui caractérise un circuit réglé à résonance.

L'alimentation est un transformateur élévateur de tension (5 - 30 kV) , à fréquence industrielle ( 50 ou 60 Hz ), qui va charger un condensateur (main capacitor) à travers la bobine primaire ( Primary coil) formant , avec la distance d'éclatement, le circuit de puissance résonant.

Un éclateur de commutation (Spark gap) * mécanique * ( statique ou rotatif) est utilisé pour gérer le cycle charge et décharge oscillante du condensateur qui implique de trés fortes intensités . Le soufflage de l'arc (quenching) est essentiel au fonctionnement.

La bobine secondaire (Secondary coil) du transformateur de Tesla est placée verticalement sur la bobine primaire ce qui permet l'induction. Elle a été précisement construite pour que son inductance , son impedance et la capacité de l'electrode du sommet (Top load) forment un circuit résonant dont la frequence est justement celle du circuit primaire. Les tensions au sommet de la bobine secondaire et de l'electrode terminale peuvent atteindre facilement des centaines de milliers , voire des millions de volts à haute fréquence et relativement basse intensité. Lorsque la longueur de l'étincelle de decharge depasse 1 mètre l'installation devient spectaculaire ( voir la * petite* installation du Palais de la Decouverte a Paris)

Les TT sont des transformateurs résonants: cela implique qu'il existe une fréquence specifique où ils opèrent - la fréquence de résonance . Cette fréquence n'est pas universelle et dépend de la construction du bobinage secondaire - un montage LCR complexe. La composante inductive (L) est l'enroulement matériel lui-même et résulte du nombre de spires , du diamètre et de la longueur de la bobine. La composante capacitive (C) est composée de plusieurs valeurs isotropiques ( plaques virtuelles d'un condensateur composé de la surface de l'enroulement secondaire et l'électrode terminale). La composante resistive (R) est la resistance du fil du secondaire à la fréquence de résonance.

Pour que la bobine résonne, l'energie pulsée doit lui être communiquée au bon moment et à la bonne fréquence . Une bonne analogie est celle de la balançoire : il faut pousser brièvement et à un moment précis , une autre est celle de la cloche : les coups de marteau sur la cloche ni trop forts ( ça casse) , ni trop appuyés (ça ne résonne pas).

Les pulsations d'énergie viennent du circuit primaire. Ce circuit est composé du transformateur d'alimentation haute tension , du condensateur principal haute tension , de l'éclateur-commutateur et de la bobine primaire. Ensemble, ces éléments forment un une sorte d'oscillateur rudimentaire. Voila ce qui se produit : le transformateur charge le condensateur jusqu'à ce que le voltage soit suffisamentélevé dans l'éclateur pour qu'un arc le traverse. Quand l'arc survient , l'énergie accumulée dans le condensateur est dechargée dans l'inducteur primaire. L'inducteur primaire génère alors un champ magnetique lorsque l'energie du condensateur circule à travers lui. Le champ magnétique finalement s'effondrera et laissera en retour s'ecouler l'énergie revenue dans le condensateur. Cette action de va-et-vient continue jusqu'a ce qu'il ne reste plus assez de voltage pour traverser l'éclateur.

La fréquence d'oscillation est déterminée par la valeur du condensateur et celle de l'inducteur primaire. Ensemble, ils forment ce qu'on appelle un circuit resonant parallele.

Du couplage entre les 2 circuits dépendra le pourcentage d'énergie ( k = coefficient de couplage) qui sera transferé du circuit primaire au secondaire. Si k = 0.3, 30 pour 100 de l'energie du circuit primaire sera transferée au secondaire.

Si les rafales d'énergie du primaire ont la même fréquence que la frequence du secondaire, l'energie transferée par le champ magnétique du primaire commencera par s'accroitre dans l'enroulement secondaire. Comme dans un laser, cette energie grandit et s'amplifie elle-même jusqu'a ce qu'il y ait un voltage incroyable édifié au sommet du bobinage, qui se dissipera dans l'air sous forme d'éclairs électriques.

Transformateur Tesla de Charles Brush ( VoltNet)
DECHARGES EN AIR

2) le schéma électrique :


La THT provient du transformateur élévateur de tension à frequence industrielle ( 50 ou 60 Hz). Le condensateur CS , l'éclateur ES et les selfs de choc SC2 protègent le transformateur d'alimentation. Le condensateur C a sa valeur entre 0,001 et 0,15 µF avec une tension d'utilisation 40 a 50 kV. Les places de l'éclateur -commutateur E et du condensateur de puissance C peuvent être interverties. Le bobinage primaire L1 est composé de 5 a 20 spires de tube de cuivre de 8 a 12 mm de diamètre. Le bobinage secondaire L2 est fait de 800 à 1000 spires de fil de cuivre émaillé de 0,5 à 1 mm de section. L'électrode terminale T est une sphère ou un anneau toroïdal métalliques.
Circuit classique et composants pricipaux du transformateur de Tesla

3) Le rassemblement des composants :

 Le transformateur élévateur de tension : il transforme la tension du secteur 220 V - 50 hz en trés haute tension THT 5 kV a 30 kV. Sa puissance est capitale pour la longueur des décharges. Des transformateurs pour enseigne lumineuse ( en France ils sont limités à 10 kV -100 mA soit 1 kVA) appairés mis en parallele, peuvent être utilisés avec succés. Des transformateurs de four à micro-ondes peuvent être mis en serie-parallele pour atteindre un voltage et un courant convenables. Les transformateurs de distribution monophasés ( pole pigs ) sont quasi -introuvables en France alors que les americains peuvent s'en procurer pour 300 $ (14,4 kV - 5 ou 10 KVA).

Pole Pigs
Autotransformateur POWERSTAT
Transformateurs elevateurs de tension
Reglage du voltage de la THT

 Un autotransformateur variable puissant ( 220 V -220 V @ 20-50 A) permet de régler le voltage du primaire. Neuf c'est cher 
( Powerstat , Variac ,Staco, TRS, Belotti). Il faut les rechercher dans des casses , dans les usines de galvanoplastie, les éclairages des theatres.

 Le condensateur de puissance  ( main cap ): le modèle a décharge pulsée (Maxwell, NLW, Plastic Capacitors) est un composant difficile à trouver et cher (300 a 500 $ US ) mais il est possible de le construire. Il doit supporter un stress électrique considerable et donc avoir une tenue en tension de 3 à 4 fois supérieure à la tension d'alimentation. Il est préferable, pour une meilleure tenue en tension, de placer plusieurs unites en série -parallele. 

Type SP Type D Type P
Maxwell
Maxwell
Maxwell

 Les condensateurs MMC :  plutot que de construire laborieusement de gros condensateurs en feuille d'alu / polyéthylène/huile de transfo, on peut utiliser de longues chaines séries-parelleles de nombreux petits condensateurs (Multi Mini Condensers) , axiaux ou radiaux, en polypropylène.La mise en série permet d'obtenir une bonne tenue en tension. La mise ne parallele permet d'atteindre la capacité voulue. Par exemple : 600 condensateurs Philips KP/MMKP 376  de 0.022 µF @ 1600 v CC -> 30 chaines de 20 condensateurs soit une totalité de 33 nF @ 32000 V CC (soit 28000 V AC).Voir le site Hammer au Danemark. Marques recommandées : Cornell-Dubilie 940C  ou  WIMA Type FKP Film/Foil Snubber  ou WIMA Type MKP Film/Foil Snubber ou Philips Type KP/MMKP 376 ou Exox-Rifa Type PHE-426 ou Exox-Rifa Type PHG-491 ou UPE, Type THY.Voire aussi les sites de Gary Lau et Terry Fritz.

 Les supports des bobinages : le bobinage primaire est donc un tube de cuivre recuit de 8 a 12 mm , enroule en spirale d'Archimède. La bobine peut être plate -en galette-, ou en cone inverse ( s'évasant). Les spires sont maintenues séparées sur une forme en contreplaqué vernis au polyuréthane, par des rayons en polyéthyléne taillés dans une planche à découper  ;-)

Le bobinage secondaire utilisé comme support un tube en PVC .L'inductance doit être élevée : de 400 à 1200 spires. La longueur *du bobinage* ne doit pas dépasser 5 fois son diamètre :classiquement 500 mm pour 100 mm , ou 150 cm pour 600 cm , 200 cm pour 700 cm , 250 cm pour 800 cm. Au dela respecter un rapport inferieur ou egal a 1:3.Il faut donc choisir le fil de cuivre emaille pour remplir ces conditions. Le PVC doit etre prepare pour eviter les pertes energetiques sous forme de châleur.Il est poncé , séché , verni intérieurement et exterieurement avec du polyurethane ou une peinture epoxy à deux composants.Apres bobinage , les enroulements sont vernis sur 2 à 4 couches. Le tube est scellé à ses deux extrémites par des disques de plexiglas collés à l'epoxy (Araldite®), ou vissé avec des vis en nylon..

L'éclateur-commutateur  ( Spark gap ): il sert à la distance d'éclatement et au soufflage de l'arc. Ouvert, il permet la recharge du condensateur. Fermé, lorsque le plasma d'ions métalliques traverse la distance d'éclatement, il permet la decharge oscillante dans le circuit primaire. Pour souffler les ions et permettre la reprise du cycle il faut disposer d'une structure solide qui dissipe bien la temperature.

 L'éclateur statique ( cylindrical gaps) est formé de 6 à 8 tubes de cuivre de 30 mm de diametre et 150 mm de long, ranges parallelement et espacés de 0,7 mm.Un ventilateur ou une turbine ou un moteur d'aspirateur permet le déplacement de l'air entre les tubes, le *soufflage*  (quenching ) des arcs et le refroidissement de l'ensemble.

 L'éclateur rotatif  (rotary spark gap ) est un disque en composite verre-époxy portant 8 a 20 électrodes. Il tourneà grande vitesse entre 2 ou 4 électrodes fixes en tungstene.Le moteurélectrique peut etre asynchrone ou à balais.Il faut appliquer des régles de securité à ce type d'éclateur, les électrodes pouvant être transformées en projectiles.

 Ces deux type d'éclateurs peuvent etre utilisés en serie pour les fortes puissances.Il faut noter qu'aucun dispositif électronique à semi-conducteur ne peut rivaliser actuellement, avec ces dispositifs à ce niveau de voltage et de courant. 

12 electrodes de tungstene
8 electrodes de tungstene
Eclateur rotatif ( Rotary spark gap)
Eclateur rotatif ( Rotary spark gap)

 L'électrode terminale : (top toroid capacitance)  L'extremite superieure est reliée à l'électrode terminale. l'extremite inférieure du bobinage secondaire est relié a la terre . L'experience prouve qu'un toroïde metallique offre plusieurs avantages sur la sphere et surtout fait office d'ecran electrostatique protegeant les dernieres spires. Il diminue aussi la frequence de résonance du secondaire et permet l'obtention d'arcs plus longs.Sa fabrication est facile avec de la gaine extensible en aluminium (utilisee dans le bâtiment pour la ventilation ou le chauffage), ou avec du drain en plastique recouvert de bandes d'aluminium auto-adhesives.

Synergie des composants : Resonateur Tesla NEMESIS de Richard Hull
(Photo Richard Hull tous droits reserves)

Le système à 3 bobines ou * Magnifier*  : un progres est réalisé par Nikola Tesla lorsqu'il construit un système à 3 bobines. Le troisieme enroulement , ou extra coil se trouve en dehors du champ magnetique pulse. Il est pose verticalement, a distance des enroulements primaire et secondaire qui font office d'elevateur de tension classique  ( driver coils ) . Il est alimente a sa base, par une ligne electrique qui part du sommet de l'enroulement secondaire.Il est coiffe de l'electrode de decharge en forme de tore. Il resone librement car il ne subit pas l'influence magnetique inductive du primaire.Richard Hull est venu un expert en ce domaine en relisant les notes de Nicolas Tesla ( Colorado Springs Notes ).La longueur des eclairs atteint 9 a 10 fois la hauteur du bobinage de l'extra coil ! Voir aussi le site de Bert Pool.

Pour construire un MAGNIFIER il faut obtenir : un couplage etroit entre le primaire et le secondaire, un excellent soufflage des arcs au commutateur et un bon calcul des impedances du secondaire et de l'Extra Coil (tertiaire).

- le couplage dans les MAGNIFIERS doit etre etroit. L'enroulement helicoïdal vertical du primaire doit s'accompagner d'une tres, tres, tres, bonne isolation pour eviter des courts-circuits avec le secondaire. Le couplage serre entre les 2 enroulements du driver reduit un peu le coefficient de surtension dans le secondaire, mais a son sommet , par construction , du courant au 1/8 d'onde pourra etre preleve pour alimenter la base du tertiaire.

- Un excellent soufflage de l'arc est necessaire car le couplage serre entre des 2 bobines du driver entraine plus de contraintes dans le commutateur .L'energie doit etre contenue dans le secondaire. Un mauvais soufflage pourra faire refluer l'energie dans le circuit primaire.L'utilisation d'un commutateur rotatif a grande vitesse permet de diminuer les temps de soufflage et d'augmenter l'efficacite du driver.

- Les impedances du secondaire et du tertiaire doivent etre bien calculees. La sortie en 1/8 eme d'harmonique du secondaire doit alimenter la base du tertiaire pour qu'il resonne dans son 1/4 d'onde. Le secondaire doit donc etre construit avec une impedance et une inductance basses .Le secondaire du MAGNIFIER n'est donc pas construit comme celui du resonateur Tesla classique.Le rapport entre la hauteur du bobinage et du diametre de la bobine est de l'ordre de 2 / 1. Le cable est epais et bien isole  ( 1,5 a 2,5 mm de diametre , isolation plastique PVC ou SILICONE).Sa frequence de resonance ne doit pas etre trop basse : entre 400 et 500 kHz pour les modeles moyens.Le tertiaire du MAGNIFIER est le resonateur proprement dit. Il est bobine de maniere compacte pour une inductance elevee : fil de cuivre emaille de 0,6 mm a spires jointives.L'electrode de decharge doit faire tomber la frequence de resonance entre 200 et 250 khz.

Photo du Magnifier d'Ed Wingate
Driver and equidrive circuit of Richard Hull's magnifier
Drver et extra coil (Photo Steve Cole)  
MAGNIFIER de Richard HULL
MAGNIFIER de Ed WINGATE

4) Progression des idees, ameliorations theoriques et materielles :

   Le calcul mathematique ( voir les sites de Matt Behrend), seul, ne permet pas de predire les resultats. La qualite et la synergie des composants sont primordiales.Le couplage entre le primaire et le secondaire depend de relations complexes entre l'architecture du commutateur, du mode de soufflage de l'arc et de l'inductance des 2 bobinages.

   Pour l'amelioration de la performance ( la longueur des éclairs) la theorie de la resonance en 1/4 d'onde semble un peu ebranlee. Richard Hull a montre qu'il faut considerer l'association bobinage secondaire et electrode terminale comme un tout fonctionnel.Ici interviennent facteurs electrostatiques. La longueur des decharges est toujours augmentee, pour un bobinage secondaire donne, par l'augmentation des dimensions de l'electrode terminale.Bien sur ce changement doit s'accompagner d'une augmentation de la puissance de l'alimentation pour vaincre la resistance a la rupture dans l'air.L'histoire des 20 dernieres annees montre l'augmentation reguliere des dimensions : des spheres metalliques de 15 à 20 cm de diametre remplacent les pointes des resonateurs d'antan.Dans les annees 70 Bill Wysock decouvre un nouveau standard : l'electrode torique.Sans changer la longueur du fil du secondaire on peut abaisser la frequence de resonance en jouant uniquement sur la capacitance.La charge capacitive que represente l'electrode terminale abaisse la frequence de resonance du systeme (secondaire + tore). Le voltage depend de l'inductance seule. Pour obtenir des eclairs plus grands il faut charger ,avec cette tension ,la capacitance la plus grande possible.La tension de rupture dans l'air depend de la taille , de la forme , de l'environnement de l'electrode terminale ( attentions aux pointes qui precipitent la rupture).Pendant le fonctionnement du transformateur Tesla, la ionisation de l'air autour du tore, les eclairs etc..( nuage ionise ) augmentent les dimensions apparentes de l'electrode de decharge mais aussi court circuitent le secondaire. 

  Le mecanisme exact de la formation de longs eclair est encore indetermine.En forcant plus de courant dans le canal ionise de la decharge il semble possible de l'allonger.Un fonctionnement en # echelle telescopique #  peut etre evoque: lorsqu'un canal de ionisation est engendre et maintenu par un fort courant, il peut etre allonge par une judicidieuse decharge dans l'eclateur du circuit primaire.

Dans les annees 1988-1990, Richard Hull (TCBOR) change le circuit de puissance : on peut remplacer, avec du gain, un primaire de 3 -5 spires et un gros condensateur par un primaire de 10-15 spires avec un condensateur beaucoup plus petit. Il faut se rappeler que NicolasTesla arrivait a creer des décharges de 30 - 40 m avec un condenstaur de 0.15 µF !G usually employ 4 spinning electrodes.

5) Bibliographie :

Nicolas Tesla - Colorado Springs Notes 1899-1900-, A. Marincic, Nolit , 1978,1984 ( disponible chez amazon.com )

Corum J.F et Corum K.L - A Physical interpretation of the Colorado Springs Data - , 1984, Tesla Centennial Symposium, E.A. Rauscher and T.Grotz editors.

Corum J.F et Corum K.L - Class Notes : Tesla Coils and the Failure of Lumped-Element Circuit Theory - 1999

D.C.Cox - Modern Resonance Tranformer - Design Theory - © 1984,Tesla book Company P.O.Box 121873 Chula Vista, CA 91912

Richard Hull - The Tesla Coil Builder's Guide to The Colorado Springs Notes of Nicolas Tesla -1996

Malcolm Watts - Like lightning ? - Electronic World - Wireless World - march 1995 , pp 190 -195

Liste des ouvrages sur N. Tesla de 21st Century Books: http://www.tfcbooks.com/booklist.htm

6) Liens (mise à jour 2007)  :

Liens vers les autres sites du transformateur Tesla
Web Page Adresse
Tesla Web Ring Anneau de 200 sites Tesla coils
Tesla Downunder
Site canadien riche en photos et expériences
Tesla Coil Mailing List http://www.pupman.com/ Des millers de contributions
Antonio Carlos M. de Queiroz Designing a Tesla Magnifier
Charles Brush http://www.voltnet.com/
Tesla Systems Research Site professionnel ( Shows , TV )
Astroman Tesla Magnifier System (article de Richard Hull)
Samuel Rosset
Textes en français et en anglais
Richie Burnett Site anglais très complet
Alan Sharp Site anglais très complet
Tesla Technology Research (Bill Wysock) Site professionnel ( Shows , TV ). Gros magnifiers.
Marco Denicolai
http://www.elisanet.fi/dncmrc/
Daniel McCauley http://www.easternvoltageresearch.com/
Kurt's lightning studio Tesla coiler suisse . A voir absolument !
Terry Black III Tres belles realisations
Greg's Garage Tesla Coil Site Site tres riche, tres rigoureux
Hammer's Tesla Pages Guides de construction. Programmes telechargeables
Teslathons
Ed Wingate's 2003 Teslathon
Des centaines de photos de bobines Tesla
D.C. Cox 2004 Teslaton Des centaines de photos de bobines Tesla
Ed Wingate's 2005 Teslathon Des centaines de photos de bobines Tesla
Ed Wingate's 2006 Teslathon Des centaines de photos de bobines Tesla
Site francais
Site radio amateur F1ETS Fabrication pas à pas d'un résonateur Tesla
Programmes telechargeables
WinTesla 5.0.0 Calculs tres complets
Composants / Parts
HIVOLT condensers Condensteurs THT Londonderry - Irlande

Revision 07-03-2008

 ACCUEIL (RUHMKORFF)   |   VAN DE GRAAFF  |    CASCADE GREINACHER  |   GENERATEUR DE MARX

PAGE GENERATEUR DE FELICI  

1999, 2008 © Lyonel Baum