Plasma speaker
haut-parleur à éclairs

Vous avez certainement remarqué qu'après un éclair, on entend généralement du tonnerre. Le bruit intense du tonnerre est issu de l'élévation de température extrêmement importante due à la décharge électrique qui échauffe l'air pratiquement instantanément.

Eh bien ici, on va se servir de cet effet : on va s'arranger pour effectuer des décharges électriques avec une fréquence qui sera liée au son que l'on veut produire.

Il ne s'agira pas de faire un lien analogique, car tenter de produire un éclair de puissance directement proportionnelle au niveau du signal analogique d'entrée sera très compliqué à réaliser, déjà qu'on aura du mal à produire un simple arc électrique.

On va plutôt faire comme un amplificateur de classe D : on transforme le signal analogique en PWM, autrement dit en impulsions de plus ou moins grande largeur. Du coup, les impulsions de sortie sont toujours de la même hauteur = notre futur éclair. Sauf que l'on va quand même jouer, à l'aide de la largeur d'impulsion, sur l'énergie qui sera stockée et libérée dans notre bobine, in fine la hauteur du signal.

Comment produire un arc électrique ?

Il s'agit de produire une tension suffisamment élevée pour qu'une sorte de pont électrique se forme entre deux électrodes à l'air libre.

Grosso-modo, la tension de claquage de l'air à température ambiante est de l'ordre de 1000 volts par millimètre les puristes auront des valeurs plus précises, mais on veut juste savoir de quoi on parle.

Pour faire un modeste arc de 1 centimètre, il va falloir générer une dizaine de kV (kilovolt), voilà qui n'est pas usuel pour l'amateur.

Il se trouve que l'on générait une trentaine de kV dans nos anciens téléviseurs cathodiques couleur (un peu moins pour le noir et blanc). Pour cela, la méthode la plus classique consiste à utiliser une bobine, avec d'un côté quelques tours d'enroulement, et de l'autre vraiment beaucoup de tours. C'est un peu pareil dans les voitures à moteur à explosion à essence (pas diesel) où il faut produire un arc électrique sur la bougie : on utilise également une bobine.

On appelle ces générateurs haute tension des convertisseurs flyback. Z'avez qu'à regarder sur wikipedia pour avoir plus de détails.

Oubliez l'attirail de la diode/capacité/résistance à droite.

Ce qui est important, c'est que l'on établit un courant dans la bobine primaire n1 qui possède un faible nombre de tours (par exemple une dizaine, voire un seul), ce qui provoque une induction magnétique dans le cœur ferrique. Puis on coupe brusquement (et le brusquement est important) le courant. L'énergie stockée dans le cœur est alors relâchée du côté du bobinage secondaire, et comme le nombre de tours est très élevé, genre 10 000, alors on obtient une tension 1000 fois plus élevée (c'est le ratio du nombre de tours en première approximation).

L'interruption du courant est très importante. Si on ne l'interrompt pas, eh bien il ne se passe rien, sauf que vous consommez un courant important.

Et si vous diminuez gentiment le courant dans la bobine, graduellement, et bien il ne se passera pas grand-chose non plus. L'énergie magnétique stockée va se libérer tout aussi graduellement, et on n'aura pas l'effet escompté.

Z'avez qu'à regarder sur wikipedia pour avoir plus de détails.

Du coup, pour avoir un montage qui soit efficace, il nous faudra un interrupteur extrêmement efficace, qui coupe le courant en un rien de temps, avec une répétition suffisamment rapide. On peut faire ça avec un MOSFET dit de puissance, rapide à couper le courant, et avec une résistance (dite R_on) lorsqu'il est conducteur aussi faible que possible, mais qui ne sera jamais nulle.

Malheureusement, on va devoir faire passer un courant de l'ordre de l'ampère, et même avec une petite résistance R_on, et bien notre MOSFET va dissiper une puissance non négligeable, autrement dit il va beaucoup chauffer, il faudra le refroidir sinon il claquera. Gros radiateur et ventilateur en perspective.

Mais le principe de base est là, et c'est quasiment le circuit que je vais utiliser.

Il vous faudra récupérer un transformateur HT d'une télévision, et là, repérer les bobinages qui sont souvent compliqués. How to Find the Primary and the Secondary Coils of a FlyBack Transformer devrait vous aider, et au moins vous montrer à quoi ça ressemble. Aussi sur flyback transformer / Wikipedia.

Il existe déjà des circuits générant du PWM, par exemple le TL494, dont on trouvera la datasheet sur le site de Texas Instruments, laquelle datasheet explique par le menu comment marche le circuit. Sauf que c'est un peu compliqué car ce circuit n'est pas fait spécialement pour notre objectif.

Pour commencer, ce circuit va nous générer des impulsions régulières à la fréquence que l'on désire afin de bien piloter le flyback. Pour cela on place un potentiomètre de 10kΩ sur l'entrée de commande RT (broche 6) de l'oscillateur.

On pourra également jouer sur le rapport cyclique en ajoutant un second potentiomètre sur l'entrée DTC (broche 4).

Avec les valeurs choisies, on va pouvoir régler entre 9.5 et 200 kHz, et le rapport cyclique entre 1 et 99%. Ce sera suffisant pour être dans l'audible (20 kHz max).

Nous allons moduler le PWM avec notre signal son analogique en jouant sur la fréquence de l'oscillateur : on additionne le signal sonore sur le contrôle RT à travers une capacité pour bloquer le continu. D'autres solutions sont possibles, c'est le plus simple que j'ai trouvé.

On ne se servira pas des autres entrées, et on utilise la génération interne de la référence 5 volt pour fixer les entrées inutilisées.

On doublera la fréquence de sortie en utilisant les deux sorties, et deux MOSFET qui seront reliés ensemble. Mais on pourrait ne se servir que d'une seule sortie, essayez vous-même.

La sortie attaque le primaire du flyback, pour ceux qui ont mal suivi.

J'alimente tout avec le 19 volt de mon alimentation de PC portable. Mais bon, vous pouvez aussi séparer l'alimentation du primaire et l'augmenter.

J'ai récupéré un transformateur flyback sur un vieux téléviseur couleur, et réalisé le primaire moi-même ça se voit non ?

J'ai réalisé le driver sur une carte à trous, je n'ai pas fait de circuit imprimé vu que j'allais en réaliser qu'un seul, et que j'allais certainement griller des composants, on ne manipule pas des hautes tensions et fort courants impunément...

Avec cela, on aura notre générateur d'arc électrique basique, dont on pourra jouer sur la fréquence et le rapport cyclique, et observer l'effet sur la consommation de courant, vu que j'ai ajouté un bête ampèremètre en série sur l'alimentation.

J'ai monté mes MOSFET sur un gros radiateur refroidi avec un ventilateur, tellement je suis méfiant pour éviter de les cramer.

Pour l'alimentation, j'ai récupéré une alimentation de PC, qui délivre du 19 volts (les constructeurs ont fini par converger sur cette valeur), avec un courant suffisant.

J'ai tout monté sur un support ad-hoc, afin de manipuler facilement tout ça en limitant les risques de brûlures et d'électrisation. Mais bon, il faut faire gaffe avec ça, méfiez-vous !

Eh oui, inutile de vous enquiquiner, on peut facilement acheter des appareils prêts à fonctionner, et en Bluetooth par-dessus le marché.

Il s'agit souvent d'une bobine Tesla pilotée de manière adéquate par une puce qui permet de se connecter en Bluetooth, ce qui est assez remarquable vu que l'on produit quand même de la haute tension, des éclairs, et que ça n'a pas l'air de perturber la réception.

Vous trouverez diverses versions sur le web, moins cher chez les Chinois comme d'habitude. On le trouve sous divers vocabulaires, avec les traducteurs automatiques sur de l'anglais approximatif écrit par un chinois...

Vous verrez vite qu'il n'y a pas tant de modèles différents, le plus compliqué étant de trouver un prix pas dément et une livraison dans un temps raisonnable. Et méfiez-vous des sites chinois où le prix indiqué n'est pas celui de l'appareil convoité.

• Une version à l'ancienne, avec un bobinage classique (pénible à réaliser soi-même du reste) :

• Une version plus sophistiquée, où la bobine est réalisée directement sur un circuit imprimé, et elle est donc toute plate :

• On trouve aussi des kits à quelques euros à monter soi-même (mais sans le bluetooth, c'est plus simple de connecter un câble).

A côté de l'expérimentation avec de la musique, vous pourrez aussi jouer avec la très haute tension et faire quelques expériences de physique amusante, genre allumer un néon, faire tourner une tige, etc...

Quelques liens vers des sites ou documents plus ou moins intéressants :

• Massless tout ce que vous voulez savoir à propos de ce sujet hormis les horribles détails techniques, par exemple l'historique et les divers types de haut-parleurs.

Les réalisations techniques plus ou moins détaillées :

• Scott M. Baker fit un plasma speaker très similaire au mien, avec une vidéo (youtube) où on remarquera que l'intensité sonore augmente quand la longueur de l'arc augmente, ce qui est logique.
• Plasma speaker (Instructable). Le même type de montage.
• 555 Audio Modulated Flyback / Kaizer Power Electronics (Tesla Coils, High Voltage and Electronics)
• Plasma Speaker II / Civilpedia contient de bons conseils, après avoir cramé du MOSFET.
• Make a High Voltage Plasma Arc Speaker / Make: (à base de 555)
• (2013) Design and Evaluation of Electronic Circuit for Plasma Speaker / Daniel Severinsen and Gourab Sen Gupta. Un papier avec des essais pour tester la fidélité, ainsi qu'un rappel que cela existe depuis 1957, au moins. Et des références pour ceux qui veulent creuser.
• Flyback Driver Circuits / Lone-oceans Laboratories. Pas vraiment du plasma speaker, mais ce site décrit comment faire un driver pour flyback, et contient aussi plein de ressource sur les bobines de Tesla (Tesla coil).

Sites "haut-parleur chers" :

• Plasma speaker / Jordan Colburn
• The Plasma Tweeter Home
• Lansche Audio / CORONA Plasmahochtöner
• Acapella avec leur très chers ion speakers

Sites commerciaux (et débrouillez-vous par vous-même pour décider si c'est bien) :

• Plasma Speaker Kits / Eastern Voltage Research offre un joli choix de kits.
• Bluetooth Version Music Tesla Coil Plasma Speaker / StirlingKit plusieurs choix de kits assez communs
• MINI Music Tesla Coil Plasma Speaker Plasma Loudspeaker Tesla Wireless Transmission DIY Kits

Aliexpress, Banggood et autres chinois ont une offre pléthorique des mêmes matériels. Pareil sur Amazon ou Ebay. A vous de chercher le plus économique et sérieux, bonne chance car on voit souvent des tarifs de voleurs.