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Actualité et promotion du radioamateurisme

lundi 23 juin 2014

DETECTEUR D'ORAGE INFLUENCE ELECTROSTATIQUE

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 :
--- présence d'un orage à plusieurs dizaines ou centaines de kilomètres. Les éclairs provoquent une déviation rapide du galvanomètre ( sauts brusques ). 
--- nuages chargés d'électricités ( ions ).
--- pluies électrisées. 

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 :
--- la source marquée S : d'où partent les électrons dans le composant. Les électrons circulent dans une boucle ( voir schéma ).
--- le drain marqué D : qui attire les électrons vers la polarité positive de l'alimentation. 
--- 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 )
--- Les électrons sont des particules chargées négativement. 
--- Les électrons peuvent évoluer en dehors des atomes, alors ils sont dits "libres".  
--- Les électrons libres sont parfois accumulés dans des zones isolantes, c'est l'électricité "statique". On parle de charges électrostatiques.
--- Les électrons libres peuvent circuler en boucle de courant, c'est le courant électrique en circuit fermé, mesuré par son débit en ampères. 
--- Les charges électrostatiques sont négatives quand elles sont composées d'un certain nombre d'électrons libres.
--- Les charges électrostatiques sont déclarées positives dans le cas où ils manquent des électrons libres sur une zone ou un corps.
--- Les charges négatives se repoussent. Les charges positives se repoussent. Les charges de signes contraires s'attirent.
--- 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. 
exemple d'interfaçage : dispositif de décalage de la tension de sortie et intégrateur pour enregistrement.