Les pionniers - H. Schreiber

( documents Jean François Chevalier )

 

COMMENT FONCTIONNE


L'ANTIGRAVITRON

Présenté comme « poisson » dans notre numéro de mars AVRIL, exposé aux foules au Salon des Composants, l’ANTIGRAVITRON est né dune idée de H. Schreiber qui, dans l'article ci-après, va expliquer la genèse, préciser le fonctionnement et décrire le montage de cet appareil riche d'applications.

La photo ci-contre montre le taille-crayon en suspension libre, avec l'ampoule cadran à gauche, et à droite, la photodiode qui, au Salon, était camouflée par un panneau d'Isorel perforé.

[Rappelons que le dispositif a fait et fera l'objet de demandes de brevets en France et à l'étranger.]

Principe de fonctionnement

Il est bien difficile d'expliquer en quelques mots, à un profane, ce qu'est un servomécanisme. Mais si, au lieu de se servir seulement de mots, on accompagne l'explication par une démonstration faite sur un appareil en fonctionnement, la compréhension pourra s'établir beaucoup plus vite. Si on désire, de plus, que l'enseignement ainsi acquis reste profondément ancré dans la mémoire, la meilleure chose à faire est de rendre spectaculaire l'application prise comme exemple. Généralement, on ne manquera alors pas d'éveiller, chez le profane, une certaine admiration respectueuse devant les possibilités de l'électronique.

L'appareil de démonstration que nous avons mis au point en suivant ces idées générales, est basé sur un principe très simple (fig. 1). Il s'agit de maintenir librement, dans l'air, une petite boule de tôle, en l'occurrence une mappemonde contenant un taille-crayon, telles qu'on les vend dans certaines papeteries. Pour cela, on dispose d'un électro-aimant dont le courant d'excitation est proportionnel à l'éclairement d'une cellule photoélectrique. En face d'une petite ampoule de cadran, cette cellule est disposée de façon que la boule coupe le rayon lumineux lorsque, attirée par l'électro-aimant, elle s'élève vers celui-ci. L'éclairement de la cellule - et simultanément le courant dans l'électro-aimant - diminuent donc au fur et à mesure que la mappemonde s'approche du noyau de fer qui l'attire. La force d'attraction va ainsi diminuer jusqu'à ce que la boule ait trouvé une position d'équilibre où elle va se maintenir indéfiniment, et cela malgré les chocs ou les courants d'air par lesquels on peut essayer de la déplacer. Il est alors possible d'animer la boule d'un mouvement de rotation ; comme seuls le frottement de l'air et les courants de Foucault exercent un freinage, ce mouvement peut se maintenir très longtemps (plusieurs minutes).

Comme on le voit sur les photos, c'est le pôle nord de la mappemonde qui se trouve dirigé vers le haut à l'équilibre. Ce résultat a été obtenu en enlevant le taille-crayon (qui se trouvait au pôle sud) et en le remplaçant par deux rondelles de bakélite maintenues par une vis. En ajustant soigneusement la position de cette vis, on peut s'arranger pour que ce soit toujours le pôle nord magnétique (au voisinage des iles au nord du Canada) qui se trouve en haut, détail qui ne manque pas de surprendre les curieux.

Le schéma

Le schéma de notre appareil de démonstration a été reproduit dans la figure 2. On voit qu'il est entièrement équipé de semi-conducteurs (Cosem) : bien entendu, il aurait également été possible de le réaliser avec des tubes à vide ou autres éléments amplificateurs.

Le circuit d'alimentation comporte deux diodes au silicium SFR 151 ; le filtrage, relativement sommaire, est effectué par un condensateur de 1000 µF (C2). La résistance R6 protège, lors de la mise en route, les redresseurs contre toute surintensité nuisible. La tension d'alimentation pour la photodiode et les deux transistors préamplificateurs est obtenue par un diviseur de tension ; on évite ainsi qu'une puissance inutilement grande soit dissipée dans l'avant-dernier étage. Une résistance de protection R3 a été prévue en série avec la photodiode dont le courant inverse (qui est fonction de l'éclairement) commande la base du premier transistor (SFT352). La résistance R4 dérive, vers le positif de l'alimentation, une partie du courant d'obscurité de la photodiode ; elle a été choisie de façon que, en l'absence d'éclairement, le courant dans la bobine soit de l'ordre de 50 mA. Pour obtenir un courant de repos encore plus faible, il suffit de diminuer cette résistance. Il est évident qu'on observera alors une diminution du gain de l'amplificateur qu'il faudra compenser par un éclairement plus intense.

L'enroulement de l'électro-aimant se trouve inséré dans le circuit de collecteur du transistor de puissance SFT213, qui est précédé des deux étages d'amplification travaillant en collecteur commun. La seule particularité de ce préamplificateur consiste dans le circuit R5-C1, destiné à compenser la constante de temps thermique des transistors. Le graphique de la figure 3 illustre l'effet de cette caractéristique assez peu connue du transistor. Quand on applique une impulsion de tension (VB) sur la base, le courant de collecteur (IC) croit d'abord, d'une façon très rapide, jusqu'au point A. La durée de cette montée ne dépend que des capacités internes du transistor et de la réactance de charge ; elle est suffisamment courte pour qu'on puisse la négliger devant l'inertie de la boule de tôle. Il n'en est pas de même du phénomène qu'on observe pendant les 20 ou 25 ms suivantes ; l'augmentation du courant de collecteur est alors due à l'échauffement de la jonction, provoqué par la puissance dissipée. Au point B, la capacité calorifique de la jonction peut être considérée comme chargée ; l'augmentation très faible et lente qui suit s'explique par l'échauffement progressif du boîtier ou du radiateur du transistor. La constante de temps thermique de la jonction est, pratiquement pour tout transistor, de l'ordre de 8 ms.

Fig. 1. - Attirée par l'électro-aimant, la boule en diminue le courant d'excitation dès qu'elle commence à obturer le rayon lumineux.

Fig. 2. - La photodiode PHG 1 est suivie d'un amplificateur à courant continu qui commande l'électro-aimant.

Fig. 3. - Pour compenser la constante de temps thermique de la jonction, on prévoit une résistance série qui ramène le point B au niveau où se trouve le point A en l'absence de correction. La constante de temps donnée par cette résistance et le condensateur qui la shunte doit être égale à celle qu'on désire compenser.

Fig. 4. - Le courant dans l'électro-aimant en fonction du poids attiré, la distance au noyau étant de 1 cm.


Pour la compenser, il suffit de prévoir un circuit R-C de constante de temps égale. Celle de la correction utilisée ici est, en fait, de 16 ms, car elle doit compenser l'effet thermique de deux transistors. Dans le premier étage, les différences de niveau restent suffisamment faibles pour que l'effet de la dissipation ne soit pas sensible. Si on ne prévoit pas de compensation de la constante de temps thermique, c'est-à-dire si on relie l'émetteur du premier étage directement à la base du deuxième, le système devient instable. Après mise en place, la boule commence à osciller avec une amplitude grandissante et sort très rapidement du champ d'attraction de l'aimant.

Le noyau de cet électro-aimant possède une section de 20 X 14 mm ; sa longueur est de 85 mm. La carcasse supporte un enroulement dont la section est de 50 X 15 mm ; elle est entièrement remplie de fil de 0,45 mm de diamètre bobiné en spires jointives. La résistance de l'enroulement est de l'ordre de 35 ohms en courant continu.

Les tensions mesurées aux divers points du montage, la mappemonde étant en place, ont été indiquées dans le schéma de la figure 2. De plus, le graphique de la figure 4 montre le courant dans l'électro-aimant en fonction du poids attiré, la distance entre la boule et le noyau étant de 1 cm. Dans ces conditions, l'équilibre devient précaire à partir de 26 g environ ; il suffit alors du moindre courant d'air pour que l'aimant lâche sa prise. En diminuant la distance, ou en augmentant la puissance de J'amplificateur, on peut, évidemment, obtenir un fonctionnement correct pour des poids supérieurs.

Applications

Nous avons déjà indiqué que cet appareil n'a été construit dans aucun autre but que celui de la démonstration. Cela n'empêche qu'on trouvera certainement des applications du principe sur lequel il est basé. Ainsi, ne vous est-il jamais arrivé d'avoir peint une pièce métallique sur toutes ses faces et de ne pas avoir su, ensuite, sur laquelle la poser pour la faire sécher ?

H. SCHREIBER.

L'appareil décrit a été réalisé à l'Institut Supérieur d'Electronique de Paris.

Toute la Radio – Juin 1961

nota : une dizaine d'années plus tard, H. Schreiber a publié dans le n° 1624 du Haut-Parleur une nouvelle version de l'Antigravitron. Les différences portent essentiellement sur la photodiode PHG1 remplacée par un phototransistor TIL63, et sur l'explication qu'il donne du rôle du réseau RC :

"Comme le montre la figure 1 (ci-contre), la stabilisation de l'objet suspendu, attiré par l'électro-aimant L, se fait par un rayon lumineux, produit par l'ampoule A et frappant le phototransistor Ph. Ce dernier commande, après amplification par les trois transistors du montage, l'intensité dans L de façon que cette intensité augmente avec l'éclairement de Ph. Ainsi, tout mouvement de l'objet vers le bas (pouvant être dû à un courant d'air) provoque un éclairement plus important de Ph, d'où une augmentation de l'intensité dans L, et une attraction plus forte de l'objet. Mais si ce dernier tend à s'approcher trop de l'aimant, il obscurcit le phototransistor, ce qui revient à une diminution de l'intensité dans L, donc à une attraction moins forte.
Mais le servomécanisme ne peut réagir immédiatement. Il est affecté d'une certaine « constante de temps », due notamment à la durée de l'établissement du courant dans la bobine de l'électro-aimant. De ce fait, l'objet qu'on présente à l'électro-aimant tomberait après quelques vibrations d'amplitude croissante, si on ne procédait pas à une compensation de phase, faisant intervenir les éléments C1, R4, C2, R5. De plus, on peut agir sur la stabilité par le potentiomètre Pl, déterminant le point moyen de fonctionnement de l'amplificateur."