Un convertisseur pour ampoule fluorescente 20 W

Dans ces dernières années, j'ai habité un appartement qui dispose d'un garage suffisamment grand, que j'utilise entre autre comme rangement. Un des défauts de ce lieu est par contre le fait que un éclairage n'est pas installé et une prise électrique n'est pas disponible non plus. J'avais donc la nécessité de faire très attention à ne pas modifier les flancs de ma voiture à chaque fois que je m'en sers et je voulais voir ce que je faisais lorsque j'avais besoin de quelque chose stockée la bas.

Je me suis retrouvé à un certain point avec une batterie pour automobile qui commençait à souffrir pendant l'hiver et je l'ai substituée, en me disant qu'il était bien dommage de la jeter car elle conservait encore un peu de charge. J'ai donc commencé à imaginer à quelle fonction pouvais-je la destiner. Avec la grande diffusion des ampoules fluorescentes compactes, à faible consommation (et leur réduction des prix), j'ai décidé de réaliser un petit convertisseur capable d'alimenter une ampoule compacte de 20 W, pour résoudre le problème de l'illumination de mon garage.

Je rappelle qu'une ampoule fluorescente à basse consommation n'est rien d'autre qu'un tube à décharge à vapeurs de mercure basse pression, replié sur lui-même, afin d'obtenir un encombrement limité. Une décharge électrique provoque de l'émission ultraviolette qui est ensuite convertie par des phosphores en lumière visible. Et le néon c'est où ? Il n'est nulle part... Avec un certain abus de langage, on tend à appeler ampoules néon même ces dispositifs qui en réalité ne contiennent pas ce gaz. Une décharge dans du néon donne lieu à une couleur orange, comme l'on peut voir dans cet horloge qui utilise des tubes Nixie.

Une première tentative que j'ai faite a été de concevoir un circuit plutôt simple, mais pas pour cette raison facile à mettre à point. Il s'agit d'un oscillateur de type blocking, qui marche sur une fréquence de quelque centaine de kHz. Le tube à décharge a été obtenu à partir d'une ampoule de 20 >, à laquelle j'ai enlevé toute l'électronique et le boîtier.

Ce dessin peut être téléchargé aussi en format FidoCadJ en faisant click sur le nom du fichier : inverter_neon.fcd.

Le principe de fonctionnement est le suivant: une fois que le circuit est allumé, le MOSFET de puissance rentre en conduction (à travers du driver formé par le couple de transistors bipolaires NPN e PNP), grâce à la résistance de 3,9 kOhm. Le courant dans l'enroulement relié au drain commencera à monter, en provoquant une tension induite sur le deuxième enroulement de 3 spires. Cette tension sera reportée sur la grille, en poussant encore plus en conduction le MOSFET.

Le courant continuera à monter jusqu'à quand le noyau magnétique du transformateur ne commencera à montrer des phénomènes de saturation. Le courant dans le deuxième enroulement commencera à descendre plutôt brusquement. Le courant pilotée sur le drain sera donc réduit en proportion et fera diminuer encore plus la tension induite, jusqu'à quand on arrivera à un courant nul dans le premier enroulement et le cycle peut recommencer.

Le transformateur est en réalité formé par trois inducteurs couplés sur un seul noyau magnétique avec un entrefer. Le circuit se met donc à fonctionner en tant que convertisseur flyback et nous avons besoin de stocker une certaine énergie à chaque cycle dans le transformateur. Les bobinages sont enroulés sur un petit noyau à E + I en ferrite, avec section 6 mm x 6 mm et avec un entrefer de 1 mm.

Re résultat net est celui d'un oscillateur à relaxation et les très peu composants qui sont utilisés autour des transistors ont été rajoutés pour retoucher un peu la forme d'onde obtenue et augmenter le rendement. Un artifice intéressant est celui d'utiliser une inductance de 120 µH qui sature à environ 3/4 du courant max. par lequel elle est traversée. Cela permet d'obtenir un comportement qui permet d'obtenir des commutations plus rapides de la part du MOSFET, en réduisant la puissance dissipée pendant la commutation.

Quand l'ampoule est allumée et la décharge est stable, elle se comporte en pratique comme une charge resistive et le condensateur de 560 pF qui y se trouve en série permet d'obtenir une résonance à la fréquence de travail du convertisseur, grâce à l'inductance dispersée du secondaire du transformateur. Cela permet d'obtenir aux bornes de l'ampoule une tension presque sinusoïdale, de quelques centaines de volt, selon les conditions de fonctionnement, bien que la commutation du MOSFET soit de type ON/OFF. Juste après que l'on vient de fournir l'alimentation au circuit et l'ampoule n'est pas encore allumée, elle se comporte comme une charge capacitive et la tension peux dépasser les 1000 V, capable de faire démarrer la décharge sans avoir besoin de réchauffer les cathodes. La consommation avec une alimentation de 12,5 V est d'environ 1,5 A en conditions de fonctionnement stable.

Ce circuit a fonctionné de façon plus que satisfaisante pendant plusieurs mois et avec un bon rendement (c'est difficile de fournir des valeurs, car je ne suis pas bien équipé pour effectuer des mesures en haute tension). Le défaut principal du circuit est que si pour une raison ou pour une autre l'oscillateur ne démarre pas, on a le MOSFET qui se retrouve en conduction en provoquant un court circuit. La présence d'un fusible peut sauver le MOSFET d'une mort certaine. Cet élément est TOUJOURS essentiel dans les circuits à batteries capables de fournir des courants importants. Cela s'est produit lorsque l'ampoule (très sollicité pendant les tests et la mise à point) est arrivée à la fin de sa vie. Pour cette raison, lorsque j'ai changé l'ampoule, j'ai essayé de mettre au point un circuit moins critique.

La deuxième version de ce convertisseur est un circuit peut être moins intéressant, mais plus simple à mettre à point, conçu autour d'un oscillateur astable monté autour du classique NE555. La fréquence de travail est autour de 40 kHz et est donc beaucoup plus faible que dans la première version du circuit. Le potentiomètre R2 permet de faire varier le rapport cyclique de l'oscillateur et donc contrôler la puissance électrique envoyée à l'ampoule.

Ce dessin est disponible en format FidoCadJ en téléchargeant le fichier inverter_neon_v2.fcd.

Nous nous retrouvons à la sortie du NE555 le circuit de pilotage du MOSFET Q3, formé par les transistors Q1 et Q2 en configuration push-pull. Cette solution est importante, car pour assurer un bon rendement au circuit il faut pomper un courant considérable dans la grille du MOSFET pendant les commutations.

Comme nous avons vu pour la première version du circuit, pendant le démarrage la tension sur le secondaire est impulsive et peut arriver à des valeurs crête qui dépassent le chilovolt en faisant démarrer rapidement la décharge. Si l'on assistait à des phénomènes d'auto-oscillation du MOSFET, on peut rajouter une résistance de l'ordre de 10  Ohm en série entre le circuit de pilotage et la grille.

Une particularité de ce circuit est le fait que le primaire du transformateur est formé par seulement trois spires. Ce fait demande une certaine attention aux câblages, qui doivent être très courts entre l'enroulement, le MOSFET et le condensateur C4, qui doit être du type à basse résistance équivalente série (ESR) car il est assez sollicité. J'ai donc basé mon montage sur un petit dissipateur en aluminium, de dimension adaptée à s'occuper de 6 ou 7 W de dissipation (le circuit en réalité en dissipera un peu moins, mais il est toujours mieux de prendre de la marge, surtout si le tout est placé dans un boîtier fermé). Sur le dissipateur, j'ai donc fixé le MOSFET, le transformateur, le condensateur C4 et le simple oscillateur que j'ai monté sur un morceau de plaque à trous universelle. Le tout est ensuite fixé à l'intérieur d'un petit boîtier qui contient aussi le fusible et l'interrupteur pour allumer le système. Si le circuit doit être utilisé de façon continuative, il est mieux de percer la boîte, afin de permettre une circulation libre de l'air. Dans mon cas, je n'ai pas percé la boîte, car le circuit sera utilisé rarement pour plus que quelques minutes.

A côté, on voit un particulier du circuit, côté soudures. D'après ce que je peux lire sur pas mal de groupes de discussion, il me semble que pas mal de gens dernièrement considèrent peu les circuits montés sur des plaques universelles. En réalité, s'ils sont montés avec soin, il sont suffisamment fiables et très compactes. On voit bien que j'ai enroulé les bobinages du transformateur sur un support en carton. Pour éviter des problèmes avec l'effet de peau, j'ai utilisé pour le primaire une tresse de quatre fils de cuivre émaillé. Au même temps, j'ai utilisé le même support pour visser le MOSFET au dissipateur et aussi maintenir le circuit en place à une distance constante. L'on peut très bien ne pas isoler le MOSFET du dissipateur, mais faites attention aux courts circuits potentiels et pour cette raison j'ai fait attention à isoler les contacts du porte-fusibles monté sur le panneau antérieur. Comme je disais tout à l'heure, il faut toujours être très attentifs avec les circuits à batterie pour éviter les incendies.

Voici le circuit monté sur son support. Une vis permet de garder tout en position et le potentiomètre pour régler la puissance est bien accessible. Les réglages sont à effectuer en surveillant avec attention la consommation de façon que soit comprise entre 2 A et 2,5 A. Une puissance envoyée à l'ampoule trop faible est dangereuse, car l'ampoule peut risquer de ne pas démarrer. Une luminosité violette en correspondance des électrodes de l'ampoule est normale pendant l'allumage, à condition qu'elle dure moins qu'une seconde. Cette lumière est en fait produite par un plasma qui pulvérise lentement les électrodes en réduisant le rendement de l'ampoule. On peut étudier un système pour réchauffer les électrodes (comme c'est fait dans l'électronique qui est vendue avec), mais ce serait pour la troisième version du circuit...

29 aout 2010 - Simone Giubilo a réalise plusieurs exemplaires de ce circuit et m'a contacté pour que je puisse publier ici les photos qu'il m'a envoyées. Il avait besoin de ce circuit pour éclairer les repas sur la plage pendant les soirs d'été. Simone a tout d'abord réalisé une version adaptée à une seule ampoule. Ce prototype fonctionnait correctement, bien que le transformateur réalisé sur un toroïde chauffe probablement à cause de la saturation pendant une partie du cycle de fonctionnement. La deuxième utilise trois transformateurs pilotés par trois mosfets pour pouvoir allumer au même temps trois ampoules. Pour pouvoir utiliser un dissipateur assez petit, Simone ha utilisé un petit ventilateur pour le refroidissement. Simone en a parlé dans son blog (in italien).

Dans cet article, nous avons décrit deux petits circuits adaptés à faire fonctionner une ampoule fluorescente de 20 W avec une alimentation basse tension à 12 V. Voici ci dessous une photo du convertisseur en fonction pendant un test en laboratoire. Le système peut éclairer facilement une pièce entière et fait sembler bien moins lumineuse l'halogène de 30 W qui est placée juste à côté.