Détecteur
d'orage, influence électrostatique
par
Alain F6AGV
Une
description plus détaillée sera proposée sur le site ballon
solaire. Le
détecteur sera développé comme un capteur électrostatique de charges
électriques. Ici le détecteur sera un accessoire pour la station radio, qui
donnera l'alarme en cas de menaces de perturbations orageuses. Le système
sera très utile car il avertit longtemps à l'avance de l'arrivée de charges
électriques dans l'atmosphère, même si le temps ne paraît pas orageux,
même si il n'y a aucun nuage dans le ciel. Un
coup d'oeil sur le baromètre pourrait être nécessaire pour confirmer ou
infirmer la menace. Une chute brutale de la pression est un signe fiable. Le
détecteur réagit de façon "spectaculaire" dans le cas de :
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présence d'un orage à plusieurs dizaines ou centaines de kilomètres. Les
éclairs provoquent une déviation rapide du galvanomètre ( sauts brusques ).
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nuages chargés d'électricités ( ions ).
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pluies électrisées.
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La
sortie tension peut se diriger vers une alarme à relais, ou vers un
enregistrement, par exemple vers une station météo. Beaucoup de
possibilités sont permises avec ce détecteur. Il peut servir aussi à
détecter toutes charges électriques dangereuses dans la station radio qui
pourrait provoquer des dommages électriques sur les appareils. Les meilleurs
résultats sont obtenus en plaçant le détecteur à l'extérieur, car à
l'intérieur d'une habitation il y a de très nombreuses sources
d'électricité statique. ( moquette, matières plastiques, chemises nylon,
stylo, lunettes... ). Le meilleur
moyen pour tester le détecteur est de frotter une bouteille d'eau en
plastique vide et sèche avec un chiffon ou sur un vêtement. Dans ce cas la distance d'action
du détecteur est normalement de plusieurs mètres, il est bon de bien repérer la déviation du
détecteur, pour s'assurer qu'il fonctionne toujours parfaitement.
Principe
de base :
L'élément
est un transistor à effet de champ canal N, du type JFET ( transistor à
effet de champ ). Son prix est modique, au alentour de 0,6 euro, il est
préférable d'en acquérir une petite quantité pour expérimenter plusieurs
montages de détecteur. Les trois électrodes de ce transistor sont :
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la source marquée S : d'où partent les électrons dans le composant. Les
électrons circulent dans une boucle ( voir schéma ).
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le drain marqué D : qui attire les électrons vers la polarité positive de
l'alimentation.
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la grille ou porte marquée G : qui commande le débit des électrons dans le
composant.
Caractéristiques
:
Il
n'est pas nécessaire de relever la caractéristique du transistor pour
l'utiliser, mais il est préférable de comprendre comment il fonctionne. La
caractéristique ressemble à celle d'une triode à tube mais avec une tension
d'alimentation beaucoup plus réduite. Le courant dans la grille est très
faible ( de l'ordre de 10-12 ) car la résistance d'entrée du
transistor est énorme, c'est ce qui fait son principal intérêt.
On
va supposer que la tension d'alimentation Vds est fixe, par exemple + 9V. Le
courant Id n'est pas un courant de court-circuit ! Il est mesuré
à une valeur de 10 mA maximum par exemple. Cela prouve que le transistor entre
ses broches D et S, peut être assimilé à une "résistance", il y a bien une
limitation du courant !
Si
la résistance devient variable, comme avec un rhéostat ou un potentiomètre,
alors le courant peut varier entre 0 et un maximum de 10 mA. Ne pas dépasser ce
maximum. Comment faire varier la résistance ? C'est le rôle de la grille G,
on va appliquer une tension négative variable entre G et S. Supposons que
nous avons Vds égal à +9 V fixe, on fait varier la tension de grille de 0 à - 5
volts ( voir graphique caractéristique ci-dessus ), le courant va donc varier
de 10 mA à zéro.
On
peut écrire avec la loi d'ohm : Id = Vds / Rds on
peut déduire :
Rds varie ------> Id varie.
Cette
propriété va servir dans notre détecteur. Il faut encore donner quelques
explications simples sur l'électricité statique : ( parfois connues )
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Les électrons sont des particules chargées négativement.
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Les électrons peuvent évoluer en dehors des atomes, alors ils sont dits
"libres".
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Les électrons libres sont parfois accumulés dans des zones isolantes, c'est
l'électricité "statique". On parle de charges électrostatiques.
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Les électrons libres peuvent circuler en boucle de courant, c'est le courant
électrique en circuit fermé, mesuré par son débit en ampères.
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Les charges électrostatiques sont négatives quand elles sont composées d'un
certain nombre d'électrons libres.
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Les charges électrostatiques sont déclarées positives dans le cas où ils
manquent des électrons libres sur une zone ou un corps.
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Les charges négatives se repoussent. Les charges positives se repoussent. Les
charges de signes contraires s'attirent.
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Un conducteur électrique non branché possède des électrons libres en
mouvement, il est chargé ou neutre.
Schéma
du détecteur :
Comment
ça marche ? Quand on frotte un morceau de plastique ( ou la bouteille
plastique ), on l'a électrisé. Il porte une charge électrostatique, car il
possède de nombreux électrons libres sur des zones isolantes. Les charges ne
peuvent pas circuler si on ne les relie à rien. Elles produisent un champ
électrique.
Si
on approche le plastique de l'antenne verticale du détecteur, les électrons
libres de l'antenne métallique vont être repoussés par les électrons du
plastique vers la grille du transistor FET. On a alors l'équivalent de la
tension Vgs, qui peut être négative et même très négative. Le courant
conventionnel va de la source S vers l'antenne en passant par G et la
résistance de protection de 10 Mohms. Le courant Id ( voir la
caractéristique du FET ) va diminuer, la tension Vds va donc augmenter, nous
avons un pont diviseur entre le +9 V et la masse. ( le courant est
limité par les résistances 2,7 k et 1 k ).
Si
on éloigne le plastique ( chargé négativement ) de l'antenne du détecteur,
les électrons libres vont dans le sens inverse. La tension Vgs est moins
négative, le courant Id de drain augmente et la tension Vds diminue.
La
tension Vds est dirigée vers deux ampli op montés en amplificateur à gain
unité ( suiveurs ). L'impédance d'entrée des suiveurs est énorme, de cette
façon, il n'y aura aucune perturbation de la tension Vds. Enfin, l'étage
soustracteur réalise l'équation suivante :
Vo
= Vd/masse - Vs/masse = Vds
En
résumé :
la
bouteille plastique approche ------> Vds donc Vo
augmente
la
bouteille plastique s'éloigne -------> Vds donc Vo
diminue
Il
est possible de réaliser des expériences avec un morceau de verre ou
bouteille de verre à la place du plastique. Le verre s'électrise
positivement. Quand on approche le verre de l'antenne, les électrons libres
de l'antenne sont attirés vers l'antenne. Un courant conventionnel circule de
la grille G vers la source S, et une tension positive est apportée sur la
grille par rapport à la source. Ce qui rend le transistor plus conducteur,
mais il est déjà conducteur. Il ne peut l'être davantage ! Il ne se passe
rien. La tension de sortie Vo est faible.
Par
contre, lorsqu'on éloigne le verre de l'antenne, les électrons libres ne
sont plus attirés et ils retournent vers la source S. Il se passe la même
action, qu'avec le plastique négatif, c'est à dire que Vgs va devenir
négatif, le transistor est moins conducteur. Le courant Id de drain diminue
et la tension de sortie Vo augmente.
Réalisation
: Il est impératif de respecter la disposition suivante
ci-dessus, sous peine d'avoir des fuites au niveau de la grille. La
résistance de 10 Mohms est soudée en l'air sur le socle femelle SO239 isolé
Téflon et la grille G du transistor. Il est possible de brancher un micro
ampèremètre de 100 uA avec une résistance réglable de 470 k en
série.
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exemple
d'interfaçage : dispositif de décalage de la tension de sortie et
intégrateur pour enregistrement.
