Bobines

Calculateur de bobine Tesla : bobines, topload, couplage, accord

De la bobine secondaire à la batterie de condensateurs : l'outil calcule l'inductance, la capacité propre et la résonance, le couplage avec la bobine primaire et l'accord adapté. Les types sont comparés selon leurs différences et les composants éprouvés par la communauté.

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Abréviations et symboles de cette page (21)
SGTC
Spark Gap Tesla Coil : bobine Tesla avec éclateur comme interrupteur.
SSTC
Solid State Tesla Coil : bobine Tesla à semi-conducteurs (MOSFET ou IGBT) au lieu d’un éclateur.
DRSSTC
Dual Resonant Solid State Tesla Coil : SSTC avec un circuit primaire également accordé.
QCW
Quasi Continuous Wave : DRSSTC à impulsions longues et croissantes pour des étincelles droites.
VTTC
Vacuum Tube Tesla Coil : bobine Tesla avec un tube d’émission comme oscillateur.
NST
Neon Sign Transformer : transformateur haute tension pour tubes néon, à courant limité, p. ex. 10 kV / 30 mA.
MMC
Multi Mini Capacitor : batterie de nombreux condensateurs à film identiques montés en série et en parallèle.
LTR
Larger Than Resonant : condensateur primaire plus grand que la capacité résonante du transformateur, généralement environ 1,5 fois.
OCD
Over Current Detection : coupure en cas de surintensité dans le driver, protège les semi-conducteurs.
GDT
Gate Drive Transformer : petit transformateur qui commande les grilles des transistors avec isolation galvanique.
IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor : transistor de puissance pour tensions et courants élevés.
MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor : transistor à effet de champ, commandé par la tension sur la grille.
MIDI
Musical Instrument Digital Interface : données de commande musicale ; un interrupteur MIDI fait jouer des notes aux étincelles.
UD2
Universal Driver 2 de Steve Ward : carte driver répandue pour DRSSTC.
HF
Haute fréquence : courants et champs alternatifs à partir de quelques dizaines de kHz environ ; ici le plus souvent de 50 kHz à quelques MHz.
k
Coefficient de couplage entre deux bobines, de 0 à 1 : part du champ magnétique qui traverse les deux bobines.
Q
Facteur de qualité d’un circuit oscillant : 2π f L ÷ R. Élevé = faibles pertes, résonance étroite.
Lp, Ls
Inductance de la bobine primaire (p) et de la bobine secondaire (s).
Cp
Capacité du circuit primaire (condensateur primaire ou MMC).
λ/4
Quart de la longueur d’onde λ = c ÷ f (c = vitesse de la lumière). Une bobine secondaire résonne à la manière d’un radiateur quart d’onde.
Décharge (bang)
Un amorçage de l’éclateur ; l’énergie par décharge vaut ½ C U².
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1. Type

Les cinq types courants se distinguent par l'interrupteur de puissance, l'accord et le type d'étincelles. Sélection en haut, comparaison dans le tableau.

Type classique à éclateur : un transformateur haute tension charge le condensateur, l'éclateur le décharge brusquement dans la bobine primaire. Les circuits primaire et secondaire sont accordés sur la même fréquence, l'énergie passe de l'un à l'autre ; quand l'étincelle s'éteint, elle reste dans la bobine secondaire.

Composants éprouvés par la communauté

Transformateur pour enseignes néon (NST) avec éclateur de protection et filtre secteur ; MMC de condensateurs à film pour impulsions (souvent CDE 942C, 0,15 µF / 2 kV) ; bobine primaire en tube de cuivre ; éclateur statique multiple ou rotatif ; bobine secondaire en fil émaillé sur tube plastique, rapport d'aspect 4–6 : 1 ; tore en gaine aluminium flexible ; terre HF dédiée.

NST230 VSGCL1L2ToreTerre HFk
SGTC : le NST charge C, l'éclateur SG ferme le circuit C–L1 ; L2 avec tore, pied à la terre HF. Éclateur de protection et filtre secteur du NST non représentés.
SGTCSSTCDRSSTCQCWVTTC
Commutateuréclateur (statique ou rotatif)pont MOSFET ou IGBTpont IGBTpont + convertisseur bucktube d'émission (triode)
Accordprimaire et secondairesecondaire seulementprimaire et secondaireprimaire et secondaireprimaire (tank) et secondaire
Couplage k0,1–0,2plus serré qu'en SGTCproche du SGTC, un peu plus serréau-dessus de 0,4moyen
Fréquence50–400 kHz100 kHz–1 MHzgénéralement 40–150 kHzgénéralement au-dessus de 400 kHzquelques centaines de kHz
Étincellesbruyantes, ramifiées ; estimation selon Freaucontinues ou pulsées, plus courtestrès longues, jouables en MIDI« épées » droitesflammes silencieuses, onde continue
Avantagessimple, composants robustes, longues étincellessans éclateur, musical avec un interrupterplus longues étincelles du domaine amateur, jouableétincelles droites impressionnantessilencieux, onde continue possible
Inconvénientstrès bruyant, ozone, parasites radio, l'éclateur s'usesemi-conducteurs sensibles, étincelles plus courtes qu'en DRSSTCcomplexe, courants élevés, les erreurs détruisent les IGBTtype le plus exigeant, forte contrainte sur les semi-conducteurstension anodique élevée, tubes rares et chers, chaleur

2. Bobine secondaire et topload

Dimensions de la bobine secondaire et du topload. Le dessin à droite est à l'échelle.

mm
mm
mm
mm
mm
mm
Spires1000
Rapport d'aspect (longueur : diamètre)4,55 : 1
Inductance (Lundin)22 mH (Wheeler 21,9 mH)
Capacité propre (Medhurst)8 pF
Capacité du topload21,7 pF
Résonance sans topload379 kHz
Résonance avec topload197 kHz
Longueur de fil347 m (0,913 × λ/4)
Résistance DC / à la résonance34,4 Ω / 35,8 Ω
Facteur de qualité (théorique)761
U max0Terre HF
À l'échelle. Animation : tension sur la bobine secondaire en quart d'onde (0 en bas, maximum en haut).

3. Bobine primaire, couplage et accord

Spirale plate (0°), cône (p. ex. 20–30°) ou hélice (90°). Le couplage est calculé spire par spire à partir de l'inductance mutuelle.

mm
mm
mm
°
mm
nF
Inductance primaire (Wheeler)20,1 µH
Ø extérieur · hauteur · conducteurØ 33 cm · 3,47 cm · Conducteur 6,16 m
Coefficient de couplage k0,156
Capacité primaire nécessaire32,4 nF
L'énergie oscille entre primaire et secondaire
0100 %Transfert après 16,2 µs0 µs16,2 µs32,4 µs48,6 µs

3.2 oscillations jusqu'au premier transfert complet après 16,2 µs. Couplage plus serré = transfert plus rapide, mais l'éclateur doit alors s'éteindre plus vite.

4. Alimentation et batterie de condensateurs

Pour les bobines à éclateur : transformateur pour enseignes néon (NST), capacité adaptée et MMC de condensateurs individuels.

kV
mA
Hz
W
nF
V
×
Capacité résonante (NST)9,55 nF
Capacité LTR (éclateur statique)14,3 nF
Énergie par décharge1,43 J · à 14,1 kV crête
Montage MMC15 en série × 1 en parallèle = 15 pièces, 10 nF, 30 kV
Longueur d'étincelle (estimation selon Freau)≈ 74,8 cm

Formule

Secondaire : L = µ0 N² A K ÷ l (coefficient de Nagaoka K selon Lundin), comparaison Wheeler L = r² N² ÷ (9 r + 10 l). Capacité propre selon Medhurst C = 0,29 l + 0,41 r + 1,94 √(r³ ÷ l) (pouces, pF). Tore C = 2,8 (1,2781 − d ÷ D) √(π (D − d) d ÷ 4) (pouces, pF), sphère 4πε0 r. f = 1 ÷ (2π √(L C)). Primaire selon Wheeler : spirale r² N² ÷ (8 r + 11 w), cône √((L_hélice sin θ)² + (L_spirale cos θ)²). Couplage k = M ÷ √(Lp Ls), M d'après l'inductance mutuelle d'anneaux coaxiaux (intégrales elliptiques). NST : C_res = I ÷ (2π f U), LTR ≈ 1,5 C_res. Étincelle selon Freau ≈ 1,7 √P pouces.

Exemple

Tube 110 mm, bobinage de 50 cm en fil émaillé de 0,5 mm : 1000 spires, 22 mH, sans topload 379 kHz. Avec un tore 120 × 500 mm 197 kHz. Bobine primaire 8 spires en tube de 6 mm, diamètre intérieur 160 mm, cône 20° : 20 µH, k ≈ 0,16, 32 nF pour l'accord. Un NST 10 kV / 30 mA sur 50 Hz a une capacité résonante de 9,5 nF, LTR environ 14 nF.

Remarques

  • Toutes les formules sont des approximations pour des bobines isolées. Murs, sol, bobine primaire et étincelles décalent la résonance ; l'accord final se fait avec la prise sur la bobine primaire.
  • La formule du tore est empirique (±10–20 %). Pour des valeurs exactes, mesurez la fréquence : générateur de signaux sur la bobine, maximum cherché à l'oscilloscope ou avec une antenne.
  • Le facteur de qualité est théorique (cuivre et effet de peau). Mesuré, il est généralement bien plus faible à cause du mandrin, de l'émail et de l'environnement.
  • Couplage : SGTC généralement 0,1–0,2. Un couplage trop serré provoque des amorçages sur la bobine secondaire et une mauvaise extinction de l'éclateur.
  • Danger de mort : la tension secteur, le transformateur haute tension et les condensateurs chargés tuent. Équipez les condensateurs de résistances de décharge et court-circuitez-les avant chaque contact. Les étincelles HF brûlent et perturbent la radio et l'électronique ; à n'utiliser qu'avec une terre HF dédiée et loin des stimulateurs cardiaques et des appareils.