Bobine d'induction - Induction coil

Cet article concerne le type de transformateur qui produit des impulsions haute tension. Pour le composant électrique plus général, voir Inductance . Pour la batterie de chauffage haute fréquence, voir chauffage par induction . Pour le dispositif dans les postes téléphoniques, voir bobine hybride .
Bobine à induction antique utilisée dans les écoles, vers 1900, Bremerhaven, Allemagne
Bobine d'induction montrant la construction, à partir de 1920.

Une bobine d'induction ou "bobine d'étincelle" ( archaïquement connue sous le nom d' inductance ou de bobine de Ruhmkorff d' après Heinrich Rühmkorff ) est un type de transformateur électrique utilisé pour produire des impulsions haute tension à partir d'une alimentation en courant continu (CC) basse tension . Pour créer les changements de flux nécessaires pour induire une tension dans la bobine secondaire, le courant continu dans la bobine primaire est interrompu à plusieurs reprises par un contact mécanique vibrant appelé interrupteur . Inventée en 1836 par Nicholas Callan , avec des recherches supplémentaires par Charles Grafton Page et d'autres, la bobine d'induction était le premier type de transformateur. Il a été largement utilisé dans les machines à rayons X , les émetteurs radio à éclateur , l' éclairage à l'arc et les appareils d' électrothérapie médicale charlatan des années 1880 aux années 1920. Aujourd'hui , sa seule utilisation courante est celle des bobines d' allumage dans les moteurs à combustion interne et dans l' enseignement de la physique pour démontrer l' induction .

Construction et fonction

Diagramme schématique

Une bobine d'induction se compose de deux bobines de fil isolé enroulées autour d'un noyau de fer commun (M) . Une bobine, appelée enroulement primaire (P) , est constituée de relativement peu (dizaines ou centaines) de tours de fil grossier. L'autre bobine, l' enroulement secondaire , (S) se compose généralement d'un million de tours de fil fin (jusqu'à calibre 40).

Un courant électrique traverse le primaire, créant un champ magnétique . En raison du noyau commun, la plupart du champ magnétique du primaire se couple à l'enroulement secondaire. Le primaire se comporte comme un inducteur , stockant de l'énergie dans le champ magnétique associé. Lorsque le courant primaire est soudainement interrompu, le champ magnétique s'effondre rapidement. Cela provoque le développement d'une impulsion haute tension aux bornes du secondaire par induction électromagnétique . En raison du grand nombre de tours dans la bobine secondaire, l'impulsion de tension secondaire est généralement de plusieurs milliers de volts . Cette tension est souvent suffisante pour faire sauter une étincelle électrique à travers un entrefer (G) séparant les bornes de sortie du secondaire. Pour cette raison, les bobines d'induction étaient appelées bobines à étincelles.

Une bobine d'induction est traditionnellement caractérisée par la longueur d'étincelle qu'elle peut produire ; une bobine d'induction de « 4 pouces » (10 cm) pourrait produire une étincelle de 4 pouces. Jusqu'au développement de l' oscilloscope à rayons cathodiques , c'était la mesure la plus fiable de la tension de crête de telles formes d'onde asymétriques. La relation entre la longueur d'étincelle et la tension est linéaire dans une large plage :

4 pouces (10 cm) = 110kV ; 8 pouces (20 cm) = 150kV ; 12 pouces (30 cm) = 190kV ; 16 pouces (41 cm) = 230kV

Les courbes fournies par une référence moderne s'accordent étroitement avec ces valeurs.

Interrupteur

Sans condensateur
Avec condensateur
Formes d'onde dans une bobine d'induction avec sortie ouverte (pas d'étincelle). i 1 ( bleu  ) est le courant dans l'enroulement primaire de la bobine, v 2 ( rouge  ) est la tension aux bornes du secondaire. Pas à l'échelle commune ; v 2 est beaucoup plus grand dans le dessin du bas.

Pour faire fonctionner la bobine en continu, le courant d'alimentation CC doit être connecté et déconnecté à plusieurs reprises pour créer les changements de champ magnétique nécessaires à l'induction. Pour ce faire, les bobines d'induction utilisent un bras vibrant activé magnétiquement appelé interrupteur ou coupure ( A ) pour connecter et couper rapidement le courant circulant dans la bobine primaire. L'interrupteur est monté à l'extrémité de la bobine à côté du noyau de fer. À la mise sous tension, le courant croissant dans la bobine primaire produit un champ magnétique croissant, le champ magnétique attire l'armature de fer de l'interrupteur ( A ). Après un certain temps, l'attraction magnétique surmonte la force du ressort de l'armature et l'armature commence à se déplacer. Lorsque l'armature s'est suffisamment déplacée, la paire de contacts ( K ) dans le circuit primaire s'ouvre et coupe le courant primaire. La déconnexion du courant provoque l'effondrement du champ magnétique et la création de l'étincelle. De plus, le champ effondré n'attire plus l'armature, de sorte que la force du ressort accélère l'armature vers sa position initiale. Peu de temps après, les contacts se reconnectent et le courant recommence à créer le champ magnétique. L'ensemble du processus recommence et se répète plusieurs fois par seconde. La tension secondaire v 2 ( rouge , à gauche ), est à peu près proportionnelle au taux de variation du courant primaire i 1 ( bleu ).

Des potentiels opposés sont induits dans le secondaire lorsque l'interrupteur « interrompt » le circuit et « ferme » le circuit. Cependant, le changement de courant dans le primaire est beaucoup plus brusque lorsque l'interrupteur « casse ». Lorsque les contacts se ferment, le courant s'accumule lentement dans le primaire car la tension d'alimentation a une capacité limitée à forcer le courant à travers l'inductance de la bobine. En revanche, lorsque les contacts de l'interrupteur s'ouvrent, le courant tombe brutalement à zéro. Ainsi, l'impulsion de tension induite dans le secondaire à « rupture » ​​est beaucoup plus grande que l'impulsion induite à « fermeture », c'est la « rupture » ​​qui génère la sortie haute tension de la bobine.

Condensateur

Un arc se forme au niveau des contacts de l'interrupteur lors de la rupture qui a des effets indésirables : l'arc consomme de l'énergie stockée dans le champ magnétique, réduit la tension de sortie et endommage les contacts. Pour éviter cela, un condensateur de trempe (C) de 0,5 à 15 µF est connecté aux bornes de la bobine primaire pour ralentir la montée de la tension après une coupure. Le condensateur et l'enroulement primaire forment ensemble un circuit accordé , donc à la rupture, une onde amortie circule dans le primaire et induit également une onde amortie dans le secondaire. En conséquence, la sortie haute tension consiste en une série d'ondes amorties (à gauche) .

Détails de construction

Pour éviter que les hautes tensions générées dans la bobine ne brisent l' isolation mince et la formation d' arcs entre les fils secondaires, la bobine secondaire utilise une construction spéciale afin d'éviter que des fils transportant de grandes différences de tension se trouvent les uns à côté des autres. Dans une technique largement utilisée, la bobine secondaire est enroulée en de nombreuses sections minces et plates en forme de galette (appelées « tartes »), connectées en série .

La bobine primaire est d'abord enroulée sur le noyau de fer et isolée du secondaire avec un papier épais ou un revêtement en caoutchouc. Ensuite, chaque sous-bobine secondaire est connectée à la bobine voisine et glissée sur le noyau de fer, isolée des bobines adjacentes avec des disques en carton ciré. La tension développée dans chaque sous-bobine n'est pas assez grande pour sauter entre les fils de la sous-bobine. Des tensions élevées ne sont développées que sur de nombreuses sous-bobines en série, qui sont trop largement séparées pour qu'elles s'arc-boutent. Pour donner à l'ensemble de la bobine un revêtement isolant final, il est immergé dans de la cire de paraffine ou de la colophane fondue ; l'air évacué pour s'assurer qu'il n'y a pas de bulles d'air à l'intérieur et la paraffine autorisée à se solidifier, de sorte que l'ensemble de la bobine est enfermé dans de la cire.

Pour éviter les courants de Foucault , qui provoquent des pertes d'énergie, le noyau de fer est constitué d'un faisceau de fils de fer parallèles, revêtus individuellement de gomme laque pour les isoler électriquement. Les courants de Foucault, qui circulent en boucles dans le noyau perpendiculairement à l'axe magnétique, sont bloqués par les couches d'isolant. Les extrémités de la bobine primaire isolée dépassaient souvent de plusieurs pouces de chaque extrémité de la bobine secondaire, pour empêcher les arcs du secondaire au primaire ou au noyau.

Interrupteurs au mercure et électrolytiques

(à gauche) Interrupteur Wehnelt à 3 électrodes utilisé dans les bobines haute puissance. (à droite) Interrupteur de turbine au mercure. Le moteur fait tourner la roue dentée tandis qu'un jet de mercure est pulvérisé sur les dents. En ajustant la roue de haut en bas, le cycle de service du courant primaire peut être modifié.

Bien que les bobines d'induction modernes utilisées à des fins éducatives utilisent toutes l'interrupteur de type "marteau" à bras vibrant décrit ci-dessus, elles étaient insuffisantes pour alimenter les grandes bobines d'induction utilisées dans les émetteurs radio à éclateur et les machines à rayons X au tournant du 20e siècle. Dans les bobines puissantes, le courant primaire élevé créait des arcs au niveau des contacts de l'interrupteur qui détruisaient rapidement les contacts. De plus, étant donné que chaque "coupure" produit une impulsion de tension de la bobine, plus il y a de coupures par seconde, plus la puissance de sortie est élevée. Les interrupteurs à marteau n'étaient pas capables de taux d'interruption supérieurs à 200 coupures par seconde et ceux utilisés sur les bobines puissantes étaient limités à 20 à 40 coupures par seconde.

Par conséquent, de nombreuses recherches ont été consacrées à l'amélioration des interrupteurs et des conceptions améliorées ont été utilisées dans les bobines de haute puissance, les interrupteurs à marteau n'étant utilisés que sur de petites bobines sous des étincelles de 8 ". Léon Foucault et d'autres ont développé des interrupteurs consistant en une aiguille oscillante plongeant dans et hors d'un conteneur de mercure . Le mercure était recouvert d'une couche d'alcool qui éteint l'arc rapidement, provoquant une commutation plus rapide. Ceux-ci étaient souvent entraînés par un électro-aimant ou un moteur séparé, ce qui permettait de régler le taux d'interruption et le temps de "dwell" séparément du courant primaire. .

Les plus grandes bobines utilisaient des interrupteurs à turbine électrolytique ou à mercure. L'interrupteur électrolytique ou Wehnelt, inventé par Arthur Wehnelt en 1899, consistait en une courte anode à aiguille en platine immergée dans un électrolyte d'acide sulfurique dilué , l'autre côté du circuit étant connecté à une cathode à plaque de plomb . Lorsque le courant primaire l'a traversé, des bulles d'hydrogène gazeux se sont formées sur l'aiguille, ce qui a rompu le circuit à plusieurs reprises. Il en a résulté un courant primaire coupé de manière aléatoire à des taux allant jusqu'à 2000 coupures par seconde. Ils ont été préférés pour alimenter les tubes à rayons X. Ils produisaient beaucoup de chaleur et pouvaient exploser à cause de l'hydrogène. Les interrupteurs à turbine à mercure avaient une pompe centrifuge qui pulvérisait un flux de mercure liquide sur des contacts métalliques rotatifs. Ils pouvaient atteindre des taux d'interruption jusqu'à 10 000 coupures par seconde et étaient le type d'interrupteur le plus largement utilisé dans les stations sans fil commerciales.

Histoire

Bobine précoce par William Sturgeon , 1837. La roue d'interruption de zinc en dents de scie (D) a été tournée à la main. La première bobine à utiliser un noyau divisé de fils de fer (F) pour éviter les courants de Foucault.
La première bobine de Charles G. Page, 1838, possédait l'un des premiers interrupteurs automatiques. La coupe était remplie de mercure. Le champ magnétique a attiré la pièce de fer sur le bras (à gauche) , soulevant le fil hors de la coupelle, brisant le circuit primaire.
Bobine d'induction par Heinrich Ruhmkorff , 1850. En plus de l'interrupteur à marteau (à droite) , il comportait un interrupteur à mercure de Fizeau (à gauche) qui pouvait être ajusté pour modifier le temps de séjour.
L'une des plus grandes bobines jamais construites, construite en 1877 par Alfred Apps pour William Spottiswoode. Enroulé avec 280 miles de fil, pourrait produire une étincelle de 42 pouces (106 cm), correspondant à environ un million de volts. Alimenté par des piles liquides de 30 pintes et un interrupteur séparé (non illustré) .
La première bobine d'induction, construite par Nicholas Callan, 1836.

La bobine d'induction était le premier type de transformateur électrique . Au cours de son développement entre 1836 et les années 1860, principalement par essais et erreurs, les chercheurs ont découvert de nombreux principes qui régissaient tous les transformateurs, tels que la proportionnalité entre les tours et la tension de sortie et l'utilisation d'un noyau de fer "divisé" pour réduire les pertes par courants de Foucault .

Michael Faraday a découvert le principe de l'induction, la loi d'induction de Faraday , en 1831 et a fait les premières expériences d'induction entre des bobines de fil. La bobine d'induction a été inventée par le médecin américain Charles Grafton Page en 1836 et indépendamment par le scientifique irlandais et prêtre catholique Nicholas Callan la même année au St. Patrick's College de Maynooth et améliorée par William Sturgeon . George Henry Bachhoffner et Sturgeon (1837) ont découvert indépendamment qu'un noyau de fer « divisé » de fils de fer réduisait les pertes de puissance. Les premières bobines avaient des interrupteurs à manivelle, inventés par Callan et Antoine Philibert Masson (1837). L'interrupteur automatique à « marteau » a été inventé par le révérend James William MacGauley (1838) de Dublin, en Irlande, Johann Philipp Wagner (1839) et Christian Ernst Neeff (1847). Hippolyte Fizeau (1853) a introduit l'utilisation du condensateur de trempe. Heinrich Ruhmkorff a généré des tensions plus élevées en augmentant considérablement la longueur du secondaire, dans certaines bobines utilisant 5 ou 6 miles (10 km) de fil et a produit des étincelles jusqu'à 16 pouces. Au début des années 1850, l'inventeur américain Edward Samuel Ritchie a introduit la construction secondaire divisée pour améliorer l'isolation. Jonathan Nash Hearder a travaillé sur les bobines d'induction. La bobine d'induction de Callan a été nommée IEEE Milestone en 2006.

Les bobines d'induction ont été utilisées pour fournir une haute tension pour les premières décharges de gaz et les tubes de Crookes et d'autres recherches à haute tension. Ils étaient également utilisés pour fournir des divertissements (éclairage des tubes Geissler , par exemple) et pour piloter de petites "bobines de choc", des bobines de Tesla et des appareils à rayons violets utilisés en médecine charlatan . Ils ont été utilisés par Hertz pour démontrer l'existence des ondes électromagnétiques, comme prédit par James Clerk Maxwell et par Lodge et Marconi dans les premières recherches sur les ondes radio. Leur plus grande utilisation industrielle était probablement dans les premiers émetteurs radio à éclateur de télégraphie sans fil et pour alimenter les premiers tubes à rayons X à cathode froide des années 1890 aux années 1920, après quoi ils ont été supplantés dans ces deux applications par des transformateurs CA et des tubes à vide . Cependant, leur plus grande utilisation était comme bobine d'allumage ou bobine d' allumage dans le système d'allumage des moteurs à combustion interne , où ils sont encore utilisés, bien que les contacts de l'interrupteur soient maintenant remplacés par des interrupteurs à semi-conducteurs . Une version plus petite est utilisée pour déclencher les tubes flash utilisés dans les appareils photo et les lumières stroboscopiques .

Bobine d'induction (en haut) alimentant l'unité de radiographie murale 1915, avec interrupteur électrolytique (en bas) .
Bobine d'allumage de vibrateur utilisée dans les premières automobiles telles que le modèle Ford T vers 1910
Bobine d'allumage automobile moderne , la plus grande utilisation restante pour les bobines d'induction

Voir également

Notes de bas de page

Lectures complémentaires

Liens externes