Le tube phanotron

La saga du tube Phanotron (maj 29/5/22)

J'ai acquis dernièrement sur le site spooky2.fr un tube phanotron seul (disponible en pièces détachée du kit Spooky Central).

Mon objectif (il est atteint maintenant) est de réaliser une carte électronique permettant de remplacer le boitier Spooky Central, afin de moduler directemet le tube phanotron avec des fréquences Rife directes (en fait des harmoniques des fréquences Rife de base au delà de 100KHz).
En effet le tube plasma que j'ai précédemment réalisé utilise une porteuse 3.1MHz qui est ensuite modulée par les fréquences Rife, ce qui génère des fréquences latérales.
Ceci est l'approche "HF" que l'on retrouve sur beaucoup de sites Rife et découle de la méthode ayant succédée à la méthode originelle du Dr Rife.
Elle se réalise en utilisant un ampli HF accordé sur la fréquence porteuse 3.1MHz, cela fonctionne très bien et assez facile à réaliser (voir plasma).

L'approche Spooky est différente, la fréquence Rife cible est directement appliquée au tube phanotron.
En fait à cause des limitations de bande passante entre 100KHz et 3.5MHz, le logiciel Spooky2 traduit les fréquences inférieures à 100KHz en la fréquence harmonique (multiple) juste supérieure à 100KHz, fréquence qui est ensuite directement appliquée au tube phanotron.

N'ayant pas eu accès à un boitier Spooky Central, il m'a fallu d'abord comprendre comment fonctionne le tube phanotron, et glaner quelques infos techniques sur le boitier Central, infos que l'on trouve sur leur site:
- tension crête de qqs 5KV et moyenne de 500V
- puissance moyenne émise de 40W
- bande passante de 100KHz à 3.5MHz
- le boitier Central a deux entrées: une entrée fréquence et un entrée modulation, ces signaux sont carrés TTL cycle 50%, leur niveau est 0 à +5V (vu dans le logiciel Spooky2).
Le signal modulation permet de hacher à 4Hz le tube phanotron pour qu'il fonctionne mieux, mais peut aussi servir à retrouver le fonctionnement en porteuse modulée, voire à combiner deux fréquences élevées (vu dans certains presets).

Un premier essai d'allumage a été fait avec la carte du montage tube plasma, pour voir comment se comporte le tube phanotron.
Cet essai a été fait à 3.1MHz en utilisant un transfo à air accordé mais avec une tension de sortie plus faible (moins de spires au secondaire).

Le tube s'allume très bien à partir de 350V crête environ à ses bornes.

Le tension et le courant ont été relevés en insérant une résistance de 1ohm/5W en série avec le tube:
(Note: la photo est celle du montage final où la fréquence est de 1MHz, car je n'ai pas gardé celle à 3.1MHz):

On peut noter plusiseurs choses:
- le tube n'est pas symétrique, il a une polarité. J'avais testé en redressant le signal par une diode/capa, dans ce cas seule une électrode s'allumait.
- le courant est assez aléatoire à cause de la décharge dans le mélange de gaz He/Ne
- la tension d'allumage à atteindre est de l'ordre de 350V

On voit sur le relevé ci-dessus qu'à 1MHz le tube (et son long câble) se comporte comme une inductance (le courant est en retard sur la tension).
Si on approxime le courant par une pseudo sinusoïde, en lissant les pics de courant, on a un courant crête de l'ordre de 1A, ce qui donne une impédance du tube+câble à 1MHz d'environ 300ohms.

La carte1 type Ampli HF
Cette première carte inspirée de schéma classique type ampli HF pushpull utilise un driver de mosfet pilotant directement un transfo ferrite (FT50-43) dont les secondaires en opposition de phase pilotent les gate des mosfets. C'est un montage classique d'ampli HF large bande.

en pdf
Normalement ce genre de circuit est attaqué par un signal HF de 1 à 2W sinusoidal plutôt que carré comme ici (issu d'un générateur spooky).
Les mosfets fonctionnent en linéaire, donc les temps de mise en conduction/coupure ne jouent pas ici une fois
que la tension de polarisation été correctement réglée par le trimmer R1.
Quelques mosfets (trop..) ont été cassés pendant les essais à cause de leur emballement thermique (les diodes 1N4148 de régulation thermique n'étaient pas encore montées et les radiateurs étaient trop petits).

La carte a été fraisée à la CNC coté cuivre d'une carte double face où les trous non connnectés à la masse coté composant ont été dégagés avec un foret D6: pistes.dxf , trous.dxf.
Plusieurs essais ont été faits avec des transfo push-pull différents:
- transfo de 2 tores (ferrite 43) accolés
- transfo de 4 tores (ferrite N30) accolés
- transfo de convertisseur d'alim: ferrite N30 sur carcasse ETD44
En faisant varier la fréquence du signal de 100KHz à 4MHz (toujours actif sans modulation) et la tension d'alimentation, on a testé l'allumage du tube phanotron et le maintien de son allumage, tout en contrôlant la puissance dissipée par les mosfets.
Comme il était difficile de connaître l'impédance du tube à toutes les fréquences, le transfo de sortie a été construit chaque fois "à tâtons" en se limitant quand même à un rapport de transformation maximal de 10.
Cela fonctionne, et paradoxalement c'est le transfo ETD44 de CV d'alim qui donne le meilleur résultat en terme d'allumage entre 100KHz et monte à plus de 3MHz, les autres transfos éteignant le tube dès 2MHz (l'objectif est de monter à 3.5MHz comme le Spooky Central).
Le driver U1 a été équipé d'un radiateur adhésif, car sa dissipation augmente vite au delà de 1MHz (on est au dessus de de son usage habituel pour les convertisseurs d'alim).
Les mosfets chauffent beaucoup avec ce schéma, d'où la casse rapide de ceux-ci.

Essai de la carte1 avec un transfo à tores accolés.

La carte 2: type push-pull d'alimentation à découpage

Pour éviter ce problème de dissipation excessive, une deuxième carte a été testée (elle sera retenue in fine) où:
- les mosfets sont pilotés en commutation: cela oblige à prendre en compte leur temps de mise ON et mise OFF,
car dans un pushpull il faut éviter que les deux mosfets soient conducteurs en même temps.
- un circuit de gestion du signal d'entrée (TTL) crée une zone où on garantit au mieux que les deux mosfets ne conduisent pas
- comme il n'y a pas de transfo de pilotage des gates (ce transfo ne passe pas le continu) il faut gérer le cas où le signal d'entrée reste à 0 ou 1, ce qui mettrait en conduction permanente l'un des mosfets et écroulerait l'alim et détruirait le transfo de sortie.
- on a choisi les mosfets les plus rapides disponibles tout en étant abordables (chez RS). En effet monter à plus de 3MHz en commutation dans un circuit à découpage avec les mosfets courants n'est pas évident.
Le mosfet Toshiba TK12E160W (RS:8276113) a été choisi car rapide, disponible et bon marché.
Le schéma utilise un IRF530 qui n'était plus disponible.

en pdf
Les portes IC2D et IC2C détectent la présence d'un signal d'entrée au dessus de quelques 10KHz, et coupent les entrées des drivers non inverseurs U1 et U2 (MCP14E4) , ce qui coupe les mosfets en cas d'absence de signal ou signal de fréquence trop faible.
Le potentiomètre R2 régle le temps de non conduction des mosfets sur chaque transition du signal, ce qui ménage une plage de 10 à 200ns où les deux mosfets sont non conducteurs. Ceci permet de régler ce temps en fonction des caractéristiques des mosfets utilisés et évite la conduction simultanée des deux mosfets.
L'entrée modulation entre directement sur les drivers , ce qui permet d'utiliser un signal de plusieurs MHz comme le fait Spooky2 pour certains presets de battement entre les deux fréquences. Par défaut, le phanotron est actif si rien n'est connecté sur l'entrée modulation (rappel au +5V).
Des diodes zener de 5.1V protègent les entrées contre des signaux de plus de 5V ou négatifs.

piste.dxf trous.dxf
Implantation de la carte 2

Un premier essai avec le transfo à tores accolés a permis de régler le temps de non conduction des mosfets.
Avec ce type de transfo le tube s'allume mieux à haute fréquence, mais moins bien à 100KHz.
A 3MHz, il faut régler l'alim au delà de 35V pour allumer le tube, puis il est possible de descendre à 20V sur toute la plage de fréquence jusqu'à 100KHz.
Le transfo chauffe peu, ainsi que les mosfets qui sont montés sur un "énorme" radiateur de récupération: pas de casse ici.
Les drivers sont équipés d'un radiateur en cuivre soudé sur le plan de masse pour éviter de les casser car il chauffent au delà du MHz.
Pour diminuer leur dissipation thermique, ils seront alimentés en 8V au lieu de 12V sur l'appareil final, ce qui suffit pour activer les mosfets et assez de marge pour le régulateur +5V.

Le meilleur résultat est obtenu avec le transfo ETD44 (ferrite N30) de la photo ci-dessus.
Même s'il faut adapter la tension d'alim entre 24V et 40V pour allumer le tube à toutes les fréquences et limiter la puissance émise dans le tube, on peut monter à 4MHz sur le signal d'entrée et descendre à moins de 50KHz.
Une alimentation réglable (soit manuellement soit automatique) sera utilisée pour contrôler l'allumage et la puissance suivant la fréquence utilisée, qui reste souvent constante dans les presets "plasma" de 30mn utilisés par le logiciel Spooky2.
Un drain supplémentaire en cuivre renvoie la chaleur des drivers sur le radiateur principal.
Au bout de 20mn le transfo chauffe un peu mais cela reste correct.

Quelques relevés de tension /courant au niveau du tube phanotron:
vers 100KHz, des pointes de courant de plus de 6A sont présentes sur une des transitions de la tension (polarité du tube oblige).
Il est clair que cela bien "matraquer" les parasites, même via la sous-harmonique 2 du signal entrant qui est lui-même une harmonique
de la fréquence Rife voulue par Spooky2. Les séries de fréquences Rife utilisées dans beaucoup de presets du logiciel Spooky2 donnent une harmonique dans la gamme 100 à 200KHz.

Le relevé suivant montre vraisemblablement une résonance du transfo lui-même.
Ce n'est pas gênant au niveau tension, car c'est l'impulsion de courant sur l'"antenne" plasma formée par le tube qui rayonne l'énergie électromagnétique.

Le relevé suivant montre la dissymétrie de la tension quand le tube est à la limite d'allumage.
Une fois allumé, le signal tension devient symétrique.

Des résonances au delà de 25MHz apparaissent pour le courant à partir de 2.5MHz.
Ici il n'est pas sûr qu'elles perturbent l'effet Rife, car elles sont quasiment sur l'harmonique 9 du signal entrant.
Un condensateur mica en parallèle ou une inductance série avec le tube pourra peut-ête pallier ce problème sur le montage final.
Ici les pointes de courant dépassent allègrement les 6A.

Boitier Phanotron:
Les cartes ont été montées dans un boitier en bois comportant:
- un filtre secteur (indispensable pour ne pas rayonner de la HF sur tout le réseau)
- les prises BNC en face arrière pour l'entrée Signal et Modulation
Note: les fils ont été passés deux fois dans un tore ferrite (RS4673845) pour éviter des retours HF vers le générateur Spooky
- en face avant les deux prises banane 4mm décalées à l'intérieur pour éviter un porte-à-faux des cables du tube phanotron
- la carte mosfets avec un "gros" radiateur: pas de ventilateur
- une alimentation 12V/1A pour les drivers de mosfets et circuits annexes
- une alimentation réglable (potentiomètre déporté en face avant) entre 0 et 48V: en pratique cela fonctionne de 20 à 30V pour les fréquences basses mais on doit monter un peu la tension pour les fréquences au dessus de 2MHz.
Note: le câble du potentiomètre de réglage a été passé 2 fois dans un petit tore ferrite, car à 1MHz une résonance perturbait l'alimentation
- à terme un panneau LCD en face avant de mesure de la tension, intensité et puissance consommée sur l'alim permettra de contrôler la puissance injectée dans le tube. On trouve aussi ce panneau sur Amazon pour 4E environ.

La connexion du module LCD:

Ajout 29/5/22: une version V1.5 du logiciel de µSpooky permet de piloter le boitier Phanotron,
en utilisant le signal #6 qui est l'harmonique de la fréquence Rife programmée juste au dessus de 100KHz, comme le fait le logiciel Spooky pour le plasma. En plus une modulation à 4Hz avec rapport cyclique 90% (10% du temps le signal est à 0) permet de brancher directement µSpooky sur l'entrée signal sans avoir besoin de l'entrée modulation.