Deuxième expérience : Multiplicateur de tension cascade, 6 mars 2015

          Après avoir résolu le problème de la source d'énergie, passons à l'étude de l'adaptation de cette énergie : nous cherchons à accélérer des particules chargées dans un champ électrique, cela requiert une différence de potentiel importante, nous devons donc élever la tension fourni.

Nous le savons, cela est possible en "convertissant" les ampères en volts, au regard de la puissance électrique (P = U*I) qui reste idéalement constante.

Pour obtenir une tension plus élevé que la tension d'entrée, nous choisirons d'étudier le système du multiplicateur de tension cascade.

Schéma électrique d'un multiplicateur de tension cascade à 2 étages

Source : Wikipedia.org_Multipicateur_de_tension

          Pour comprendre plus en détail le fonctionnement d'un tel circuit, je vous laisse vous référer à la page Wikipedia précédemment cité. Pour être concis, nous noterons que ce système permet de multiplier la tension d'entrée par 2*n, avec n le nombre d'étage du multiplicateur. Nous remarquerons que nous avons besoin d'autant de condensateurs (et de diodes) que nous souhaitons multiplier la tension d'entrée (par exemple : 4 condensateurs et 4 diodes pour multiplier la tension par 4 comme pour notre schéma). Aussi, si ce système nécessite un signal alternatif en entrée, c'est bien un signal continu (et multiplié) que nous obtiendrons en sortie.

Nous voulons obtenir une tension de 1000V environ (valeur choisit après étude de plusieurs documents traitant de l'accélération de particule chargé, en particulier le projet mené par le MIT sur des propulseurs ioniques de très petite taille, mon étude s'appuie en bonne partie sur ce projet). Il est donc de notre intérêt d'utiliser une tension initiale la plus élevée possible. En utilisant 4 piles 9V en entrée, nous obtenons une tension de 4*9 = 36V. Nous considérerons dans un premier temps que le hacheur nous permettra d'obtenir une tension de +36V puis -36V.

Nous reverrons probablement cette hypothèse à la baisse dans des études ultérieurs. Quoi qu'il en advienne, nous considérerons pour l'instant cette hypothèse comme acceptable. 1000/36 = 28 : la tension doit être élevé 28 fois, nous devrons donc utiliser 28 condensateurs, 28 diodes pour un multiplicateur à 14 étages. Ces composants seront choisit comme possédant une tension nominale de 2*36 = 72V pour supporter la tension d'un étage (critère de choix découlant des informations de l'article Wikipedia).

          Notre expérience consistera à étudier l'impact de l'utilisation d'un signal carré en entré de ce circuit, et la fréquence de ce signal . En effet, notre source d'énergie fournissant une tension continue, il nous sera plus simple d'obtenir un signal carré depuis celle-ci qu'un signal sinusoïdal (utilisation d'un hacheur de tension). Le hacheur de tension sera étudié ultérieurement, l'expérience avec les valeurs propre à notre système aussi. Pour le moment, le système que nous étudions est un multiplicateur de tension cascade à 2 étages, donc quadrupleur de tension. Nous utiliserons 4 condensateurs de 220nF, 4 diodes Zener 5,6V, et un GBF réglé en mode signal carré, d'amplitude 1V et avec un offset de 500mV (soit un signal variant de -500mV à +500mV), rapport cyclique à 50% (autant de temps passé en positif qu'en négatif). Expérience mené également dans un laps de temps réduit, elle a été réalisé avec les composants à proximité et sera reconduite plus précisément dans un second temps.

GBF à gauche : signal carré amplitude 1V, offset 500mV, fréquence élevée (supérieure à 1000Hz).
Oscillo à droite : signal de sortie (entre la masse et la sortie 4US) de 2V

Circuit électrique mis en oeuvre, soumis au signal GBF décrit précédemment
Multimètre dont les fils sont branchés à la masse et à la sortie 4US

Expérience identique mais avec une fréquence faible (ici de 20Hz)
Une image de l'oscillo serait non représentative, le signal étant instable (non constant)

           Nous retiendrons donc de cette expérience qu'une fréquence élevée (supérieure à 500Hz par exemple) est bénéfique dans l'utilisation d'un multiplicateur de tension cascade, et qu'alors nous obtenons un signal de sortie de 2V pour l'oscillo, (1,7 pour le multimètre) en sortie du quadrupleur de tension, avec un signal d'entrée de (+-)0,5V. Les résultats sont donc encourageants. En revanche pour une fréquence basse (inférieure à 20Hz) le système s’effondre et on obtient un signal instable et une tension moins importante. Le multimètre nous affiche, pour une fréquence de 20Hz, une tension moyenne de 0,8V.

Je précise que cette expérience a été mené avec les mesures de sécurité de rigueur, et que je décline toutes responsabilités quant aux déroulement des expériences qui en seraient inspirées.

À très bientôt