La saga de l'antenne plasma modulable Rife (maj 13/1/22)

Le site Spooky2 propose un boitier "Central" permettant de moduler un tube plasma avec des fréquences Rife, à partir d'un générateur etl que XM ou GX.
Ils proposent un tube linéaire ou un  "Phanotron" sphérique.
Ce genre d'appareil existe déjà aux US, notamment le site de Ralph Hartwell : https://spectrotek.com/ qui propose des circuits pour piloter des tubes plasma avec des signaux Rife, avec beaucoup d'information sur les schémas et leur mise en oeuvre.

J'ai eu l'occasion d'acquérir par un ami un tube plasma HeNe : le tube SSQ-ST de Bill Cheb : son site


 Pour allumer ce genre de tube, il faut plusieurs centaines de volts, généralement en haute-fréquence vers 3MHz pour les machines Rife.

J'ai donc fait quelques expérimentations sur des circuits permettant d'allumer ce tube, l'objectif final étant de l'utiliser en modulation Rife pour tester les effets  éventuels sur un cobaye (yo of course ...).

Ralph Hartwell propose à la vente (265$) un ampli tout fait/testé : le PA3-V3, son schéma
Son approche est basée sur son  passé radioamateur, ce qui explique que c'est en fait un amplificateur HF de puissance (jusqu'à 300W HF!!).
L'ampli ne suffit pas, il faut un coupleur LC31 de tube accordé sur la fréquence fixe du quartz inclus dans le circuit de l'ampli, ce qui demande un transdo HF et un condensateur d'accord (fait avec un morceau de coaxial).
Le transfo LC31 sert d'élévateur de tension et est constitué d'un enroulement primaire de 11 qspires, et le secondaire de 90 spires, le tout sur un tube de D50mm.



Le schéma du PA3 est assez simple, avec deux mosfets et quelques composants autour. Sa mise au point est délicate car c'est de la HF de puissance (j'ai détruit quelques mosfets pendant les essais....)

L'expérimentation:

Première étape:
- ne voulant pas m'embêter avec un accord du transfo par un condensater, j'ai plutôt choisi un transfo HF autorésonant sur 3MHz environ grâce à sa capacité parasite, en utilisant un circuit générateur de fréquence réglable (composant LTC1799 de Linear Tech RS:7603384), ce qui permet de se caler sur la résonance de l'ensemble transfo + tube
- le transfo est  constitué d'un primaire de 12 spires de fil souple 1.5mm2 ou 2.5mm2
- et d'un secondaire de 200 spires jointives de fil émaillé de 1.12mm externe (RS7790744) il en faut 33m environ
- le tout sur un tube PVC de D50mm

La résonance (le tube plasma est branché sur le secondaire pour être en considtion réelle) a été testée au scope avec un générateur de fréquence, en enlevant ou rajoutant des spires sur le secondaire. Une simple résistance série permet de visualiser facilement la résonance. Le tube ne s'allume pas car pas assez de puissance/tension du générateur.
L'inductance vue du primaire est de l'ordre de 8.2µH dans ce cas.
Il est  préférable d'être un peu au -dessous de 3MHz  (vers 2.9MHz par exemple) car il est plus facile de supprimer des spires pour augmenter la fréquence.

Le transfo retenu in-fine.



Deuxième étape:

Pour allumer le tube et voir quelle tension était  nécessaire, un petit montage push-pull à 2 mosfets (tension maxi de 600V entre drain et source) a été utilisé. Ce type de schéma est similaire au schéma d'un convertisseur d'alimentation.
Un double monostable HC123 permet de générer des impulsions de durée réglable sur chaque transition de la fréquence de référence 3MHz issue du générateur LT1799  (circuit très pratique car la fréquence varie avec un simple trimmer 10 tours).
Il faut éviter en effte que les mosfets conduisent en même temps.
L'entrée modulation permet de moduler le signal de sortie du transfo (mise à 5V pendant les essais pour avoir une sortie permanente du signal HF). La partie commande est alimentée en12V et la partie puissance sur X3 par une alim 20 à 160V/2A.

Un circuit imprimé a été fraisé à la CNC.
Le primaire de la bobine a été doublé pour l'essai du pushpull.
Avec ce schéma, le tube s'allume  quand on est à la résonance: une lumière bleutée/orangée  à cause de l'hélium et du néon.
En pratique les essais ont cassé une bonne dizaine de mosfets, à case des surtensions et surchauffes.
Le montage avec un seul mosfet marche mieux que le pushpull complet. Ceci s'explique par le fait que la fréquence 3MHz est trop haute vis à vis des temps de conduction/déconduction des mosfets (3 Mhz correspond à une période de 330ns, ce qui laisse 170ns par branche). Les convertisseurs d'alim fonctionnent plutôt vers 500KHz ce qui permet une vraie commutation séparée des mosfets.
  Cette approche n'a pas été retenue, mais peut marcher avec des mosfets rapides.

Troisième étape:

Voulant tester le schéma PA3_V3.0 de Spectrotek, basé sur une  approche plutôt analogique radio, j'ai refait son schéma en gardant la majorité des circuits et en utilisant le composant générateur LT1799, ceci pour voir comment le PA3 fonctionne.


Un circuit imprimé a été fraisé à la CNC.



Avec de bons radiateurs et ventilateur, la casse des mosfets est réduite.
Le circuit marche très  bien avec une alimentation pouvant monter à plus de 120V: cela injecte plus de 100W dans le système !!!
et provoque des tensions de plus de 500V sur le drain du mosfet (c'est limite !!).
La modulation est aussi correcte.

Par contre les résistances de 15ohms de la base du mosfet principal chauffent beaucoup trop, jusqu'à fondre la soudure!!!
Je ne comprends pas comment fait le PA3 de Spectrotek (il indique 19V/1.5A ce qui donne presque 30W à dissiper !!), à moins d'utiliser de la soudure à l'argent qui fond plus haut en température.

Bref, je n'ai pas retenu ce schéma.

Nota: à pleine puissance on sent très bien l'effet de la HF rayonnée par le plasma: une sorte de tension dans la tête dans mon cas: prudence !!!!

Quatrième étape: le schéma définitif (pas encore)
Pour pallier ce problème de chauffe excessive des résistances (il est idiot de consommer de la puissance pour cela),
j'ai remanié le schéma en supprimant le mosfet intermédiaire et pilotant la gate du mosfet par un driver TC4422 fait pour cela.
C'est un mélange des étapes précédentes.

schéma en PDF
L'inductance L3 est celle du PA3 avec 12 spires sur D23mm, et une inductance de 3.3µH.
La capa de sortie 470nF630V  est doublée pour éviter un échauffement.
Le driver TC4422, le mosfet et le LM7812 sont obligatoirement sur radiateur.
Les capas de l'étage de puissance doivent être en 630V voire 1KV.
L'entrée X2 alimente les circuits de commutation et consomme environ 0.5A sous 17V soit 8W à dissiper.
En pratique seules 2 résistances de 15ohms 3W en parallèle sont nécessaires pour avoir un signal de gate plus rapide (la gate du mosfet fait 2800pF).
La durée de l'impulsion doit être réglée assez longue (vers 200ns) sinon le signal de sortie fonctionne en sous-harmonique  (freq/2).
Deux zeners de 13V/5W tête-bêche protégent le mosfet des surtensions sur sa gate. Ceci peut permettre d'utiliser un autre mosfet qui n'a pas de protection interne comme le STW20NK50Z.
Par exemple, ayant cassé une patte du mosfet en la pliant, j'ai remplacé le STW20NK50 (pas dispo chez RS actuellement mais ok chez Farnell) par un IPW60R190  (dispo chez RS110-7443). Il n'a pas de protection zener interne, mais a moins de capacité de grille (1400pF au lieu de 2600pF).
 Dans ce cas il faut régler (diminuer) la durée du signal de commande vers 150ns à l'état haut sinon trop de courant est consommé sur l'alim. Ceci est dû au fait que le signal de commande est plus abrupt à cause de la plus faible capacité, même si les délais de commutation sont similaires.
Ce réglage se fait en contrôlant l'allumage du tube et la consommation sur la tension de puissance.

Attention pour le réglage de la durée du pulse:
si le trimmer du HC123 est tourné en butée vers la gauche, la sortie du HC123 est bloquée à 5V, ce qui rend le mosfet conducteur en permanence et écroule l'alim (pas de pb avec une alim de labo protégée). Il vaut mieux régler ce trimmer à mis course ou tester d'abord la durée du pulse au scope avant de  connecter l'alim de puissance. Une résistance talon de 1K eut été judicieuse.

Un pcb a été fraisé à la CNC en simple face (3 straps à monter): les pistes, les trous
L'implantation des composants:
    
Implantation en PDF
Fraisage du CI : DXF des pistes et des trous

 

Les essais sont concluants: pas de surchauffe excessive des résistances.
Un ventilateur est indispensable et permet d'injecter 120W de puissance avec une alim 120V.
Tension sur la gate sortie inactive                                 Tension sur la gate sortie active
 
Sortie avec alim 48V (déjà 200V en sortie !!)                                                Sortie modulée
 

Cinquième étape: le schéma définitif  (ouf !!)

En assemblant le boitier, il m'a semblé plus simple d'intégrer directement une alimentation supplémentaire 230V/12V,
car cela simplifie le câblage et évite le stepdown qui ne fonctionne que jusqu'à 50V en entrée.
Séparer  l'alimentation de l'étage de commande et celle de puissance est aussi plus sûr.
Il suffit de strapper le régulateur 7812 pour alimenter directement en 12V  (en fait on pourrait monter un peu jusqu'à 15V, mais dans ce cas il faut changer vers 18V au lieu de 13V la tension des zeners de protection du mosfet).
A cette occasion le schéma et la carte ont été remaniés pour:
- alimenter en 12V directement , ce qui évite de monter un radiateur
- intégrer un petit switch qui applique 5V sur l'entrée modulation pour faciliter le test de la carte (évite une alim externe supplémentaire)
- faire de la place pour un joli radiateur du TC4422
- supprimer 2 des résistances 15ohms inutiles.
Cette nouvelle carte sera utilisée pour faire un boitier compact pilotant un tube Phanotron
schéma en PDF
Son implantation  dimensions  110x65mm  (elle a pris 10mm en longueur):

Fichiers de découpe DXF: pistes, trous






Dernière étape: la mise en boîte

Afin de protéger le tube et avoir un appareil facile à transporter et utiliser, un boitier en bois vertical a été réalisé (transparent à la HF).
Le tube est monté coté face avant et la bobine et les électroniques à l'arrière.
Pour le tube des fils de cuivre servant d'électrode externe ont été rajoutés de chaque coté du tube: cela facilite l'allumage en modulation, mais cela perturbe aussi le faisceau des ions He en allumant les ions Ne au pplus proche des fils. Pas sûr que cela soit utile.
Un blindage à la terre a été rajouté en grillage (efficace à 3MHz car mailles fines / longueur d'onde de 80m).
Il n'est pas sûr qu'il serve à quelque chose.


Une alimentation à découpage 48V/5A alimente l'ensemble.
Pour atteindre 80V un module StepUp 300W  fournit la tension de puissance réglable de 48 à 80V, ce qui permettra d'avoir 120W en sortie..
stepup

Et un régulateur step down permet d'obtenir le 17V pour les circuits de commutation.
Il faut utiliser un modèle acceptant 50V en entrée  (HV)
stepdown

Un gros radiateur (récupéré) ventilé évite la surchauffe (destruction) du mosfet.
Le ventilateur ventile aussi la bobine via le tube PVC et les ouïes sur la paroi.
Il est monté sur de la mousse pour éviter le bruit de résonance avec le bois.

New:
en fait il est plus simple d'ajouter une alimentation secteur 12V/1A, ce qui évite le stepdown. Dans ce cas il suffit d'alimenter la carte en 12V en strappant le régulateur 7812.

Une alimentation 60V/5A est aussi sufffisante.
alim 12V

alim 60V

Découpes DXF du boitier en CTP5mm: panneau avant, panneau avant bas, panneau arrière, panneau secteur
Les autres panneaux latéraux et central sont rectangulaires et découpés directement chez casto.


L'appareil final:


Le coût:
L'ensemble des composants sont disponibles chez RS  et ebay pour le radiateur du mosfet.
A cause du minimum de commande , pour une unité seule cela revient à 250E environ hors le tube, la bobine et la boîte en bois.
La liste des composants: BOM