Cellules électrostatiques : Principes de fonctionnement

Principes et généralités

A dater des années 20, quelques expériences et fabrications mettant en jeu les transducteurs électrostatiques ont été réalisées ; Vogt, Kellog, et bien d’autres ont déposé quelques brevets desquels découlent les équipements modernes. Les résultats actuels sont impressionnants en ce qui concerne la finesse de reproduction, la dynamique importante, et l’absence de coloration. Les seuls reproches qu’on peut faire à ces transducteurs, c’est leur rendement faible ainsi qu’une certaine directivité. Les équipements les plus connus sont entr’autres, les casques Stax et les enceintes panneaux de Quad Acoustical, Dayton Wright, Martin Logan, Beveridge, Acoustat, et d’autres encore… Les panneaux Quad créés par M. Peter Walker sont certainement ceux qui ont eu le plus grand succès commercial.

Principes de fonctionnement

Le principe est basé sur l’attraction des corps chargés électriquement. Tout le monde a eu l’expérience, un jour ou le temps est sec, de retirer son pull over et d’avoir les cheveux qui se dressent sous l’effet de l’électricité statique, la même force permet d’attirer la poussière ou de lever de petits morceaux de papier; cette force est purement statique et agit un peu comme un aimant permanent agirait sur des métaux ferreux, elle est la conséquence de la migration d’électrons due au frottement de certaines matières entr’elles, et, est proportionnelle à la quantité d’électrons migrants.

Les cellules audio électrostatiques comportent 2 électrodes conductrices planes, isolées entr’elles, une, appelée « stator », est rigide et l’autre est souple, qu’on appelera aussi membrane ou diaphragme, elles sont séparées d’une faible distance, de l’ordre d’une portion de mm a quelques mm, la séparation entre ces 2 électrodes est réalisée au moyen d’une cale en matériau à très bonne qualité d’isolement, on applique, entre ces 2 électrodes, une tension continue de polarisation élevée, par migration des électrons sur les surfaces en vis à vis, l’électrode souple, va être attirée vers l’électrode rigide; à cette tension de polarisation, on applique un signal audio de forte valeur (par le biais d’un transformateur élévateur, par exemple), cette tension alternative va donc faire varier la quantité d’électrons sur une électrode par rapport à l’autre et ceci en fonction du signal audio, la membrane va donc se déplacer en fonction de ce signal en entrainant la masse d’air ; le stator est perforé de façon à ce que la masse d’air puisse librement se mouvoir.

L’ensemble est un condensateur et et le générateur de signal audio, a savoir l’ampli, doit être capable d’alimenter une telle charge capacitive. De nombreux amplis du commerce ne supportent pas ou supportent mal ce type de charge. Il est indispensable d’avoir un ampli ayant une stabilité inconditionnelle.

En théorie, si ce condensateur était parfait, on devrait pouvoir couper la source de tension continue étant donné qu’il s’agit d’une énergie « statique », mais à court ou moyen terme, les isolants n’étant pas parfaits, l’énergie accumulée serait perdue par les fuites.

La Force d’attraction est inversement proportionnelle au carré de la distance qui sépare les électrodes, une variation de la distance provoque une variation exponentielle de la force mécanique exercée sur l’électrode souple et malgré que les excursions de celle-ci soient relativement faibles, une distorsion apparait. Les cellules ESL à simple effet, normalement polarisées, ayant une électrode souple déplacée avant même qu’on ait appliqué le moindre signal audio, ne présentent donc plus une excursion symétrique ce qui induit une distorsion non négligeable.

Pour éviter ce phénomène on pratique différemment en disposant la membrane entre deux stators et en faisant fonctionner l’ensemble en push pull.
Dans ce mode de fonctionnement, en absence de signal, la membrane est parfaitement centrée entre les deux électrodes rigides.
Les signaux audio présents sur les stators étant en opposition de phase, lorsqu’un stator attire la membrane, l’autre stator la repousse et les variations de position de l’électrode souple sont ainsi mieux controlées, la non linéarité due à la déformation de la membrane en s’approchant d’un stator est contre balancée par la non linéarité de cette même électrode qui s’éloigne de l’autre stator; le résultat est que la membrane subit un effort mécanique constant et se déplace linéairement, le niveau acoustique obtenu est notamment plus important et la distorsion évoquée précédamment disparait.

Par contre, lorsque l’électrode souple se déplace vers un des stators, la valeur de la capacité entre les électrodes varie, entrainant la charge électrique sur l’électrode souple, ce qui génère une distorsion de non linéarité; on pourrait couper la source de polarisation de façon à interrompre la variation de charge, mais, comme vu précédemment, on s’expose a perdre la charge électrique du fait des fuites diélectriques des cales de positionnement placées entre les électrodes, la bonne solution est l’usage d’une résistance série de forte valeur (R) limitant les appels de courant dans l’alimentation de polarisation. C’est ce qu’on appelle un fonctionnement à charge constante.

Données techniques

La cellule électrostatique étant un condensateur, on peut calculer la valeur de la capacité. C=ε.(A/D) avec: -C :en Farad -A :Surface de la membrane en m² -D :Distance stator/membrane en m -ε :permittivité diélectrique de l’air: 8,85.10 -12 Dans le cas d’une cellule « push-pull », la valeur obtenue est a diviser par 2, étant donné que dans ce cas, 2 condensateurs de même valeur se retrouvent en série. A titre indicatif, les valeurs généralement obtenues sont de l’ordre de 20 à 30 pF/dm². La charge électrostatique correspondante est: Q=C.V avec: -Q :charge en Coulombs -C :capacité en Farad -V : différence de potentiel en Volts La force mécanique qui s’exerce alors entre la stator et la membrane est de : F=(k.C.V)/D² ou F=k.Q/D² avec: -F :force exprimée en Newtons -k=1/(4.π.ε), soit k≈ 9.109 -C :en Farad -V :en Volts -D : Distance stator/membrane en m L’impédance de la cellule est: Z=2.π.F.C avec: -Z en ohms -C en Farad -F en Hertz On peut s’apercevoir immédiatement que l’impédance est proportionnelle à la fréquence. Avec un ampli à tubes, on peut s’inquiéter de la stabilité de l’ampli dans la partie basse du spectre audible, sauf si évidemment le constructeur a prévu l’utilisation de cet ampli avec des cellules électrostatiques (Quad, par exemple), par la mise en oeuvre d’un taux élevé de contre réaction. Avec un ampli à semi-conducteurs, la stabilité sans charge (charge infinie) peut être facilement réalisée; il conviendra quand même de vérifier la valeur de l’impédance de la cellule à la fréquence la plus élevée à transmettre, de façon a ne pas surcharger l’ampli. La tension de polarisation sera choisie en fonction de la distance entre électrodes, il convient d’éviter de choisir une tension de plus de 20V par 1/100ièmede mm, soit 2000V/mm. Au delà de cette valeur, les risques de claquage sont trop importants. Dayton Wright, par exemple utilise des tensions plus élevées et se trouve obligé de disposer les cellules dans une enveloppe souple contenant un gaz, l’hexafluorure de soufre, permettant d’éviter les claquages (le SF6 possède une rigidité diélectrique 2,5 fois supérieure à celle de l’air sec et est utilisé notamment en industrie pour les organes de coupure des cellules haute tension des postes de transformation). L’inconvénient majeur de ce type de disposition (enveloppe souple passive contenant le gaz), est l’altération des fréquences les plus élevées (rien n’est parfait comme disait le renard du petit prince). Pour obtenir cette tension de polarisation, on pourra faire usage d’un transformateur suivit par un systême redressement/filtrage multiplicateur de tension, du genre multiplicateur de Schenkel. Pour la tension audio a appliquer, prévoir une tension audio crète à crète qui sera le double de la tension de polarisation. l’obtention de cette tension au moyen d’un ampli classique à transistors, nécessite l’usage d’un transformateur élévateur, un transfo de sortie pour ampli à tubes en push pull, monté à l’envers, peut convenir. Par exemple, avec un transfo pour un push pull d’EL84, Z primaire =8 Kohms plaque à plaque, Z secondaire =4 Ohms, ce qui donne un rapport de transformation de 44,72 ce qui peut convenir dans pas mal d’applications. Il conviendra de choisir un transformateur possédant un excellent couplage primaire/secondaire, en effet, les inductances de fuite risquent de créer une résonance avec la capacité que présente la cellule électrostatique, dans la partie haute du spectre audible. De plus, un tel transformateur(par exemple un TU101) est normalement destiné a délivrer une puissance de 10W à 15Hz, or, la relation entre la puissance et la fréquence d’un transformateur est linéaire (voir formule de Boucherot), c’est à dire qu’un transfo pouvant délivrer 10W à 15Hz est capable de délivrer 100W à 150Hz, une cellule électrostatique descend rarement en dessous de 60Hz, ce qui permet d’utiliser un TU101 avec une cellule nécessitant 10 x 60/15=40W. Le TU101 n’est pas le meilleur transfo qu’il soit pour cet usage, son inductance de fuite étant, à mon goût un tantinet élevée, le transfo décrit au chapître sur les électroniques à lampes conviendrait mieux pour cette application (54W à 60Hz). Ci-dessous 2 montages du commerce utilisant des transfos pour push-pull, le montage Koss a la particularité de prélever la tension audio pour réaliser la tension de polarisation (astucieux); le montage Stax utilise le secteur directement (à mon avis, pas très sécurisant, mais ça marche).

Une autre solution est d’utiliser un amplificateur spécialement conçu pour alimenter un HP électrostatique, cet ampli devra posséder un étage final push pull alimenté en haute tension, ceci peut être réalisé au moyen de lampes (tubes de déflection pour téléviseurs ou lampes destinées à l’émission), ou de transistors haute tension pour les cellules destinées aux casques ou aux tweeters (distance stator/membrane plus faible, donc haute tension plus basse que pour les cellules médium/graves). Pour les cellules destinées aux haut-parleurs, la tension de polarisation étant plus élevée (plusieurs kV), la solution du transfo élévateur est la plus courante

La résistance « R » de charge statique doit être choisie de façon à ce que la constante de temps R.C corresponde à la fréquence la plus basse a transmettre.
R=T/C
avec:
-R en ohms
-C en Farad
-T demi période de la fréquence la plus basse à transmettre
Cette valeur n’est pas très critique, toutefois plus C est petit, plus R doit être grand; pour une cellule de casque R sera très grand. Il est également souhaitable de disposer une résistance telle que le courant n’excède pas 2 mA, pour que dans l’éventualité d’un choc électrique ne se produise un arrêt cardiaque .

Matériaux

L’électrode souple est réalisée par un film plastique tendu comme une peau de tambour, rendu partiellement conducteur (ou plutôt présentant une certaine résistance) par enduction d’une solution chimique. Le film est généralement réalisé avec du Mylar, Terphane, Hostaphane, Melinex, ou autre ; ces appellations sont des marques déposées, le nom générique est « polytéréphtalate d’éthylène » ou PET. L’épaisseur de ce film est variable suivant les applications, pour un casque on choisira une feuille de 2 à 4 microns, pour une cellule médiums/aiguës un film d’environ 6 microns ; pour une cellule destinée aux graves un film de 12 microns convient parfaitement.

La solution d’enduction destinée à rendre le film partiellement conducteur varie d’un fabricant à l’autre ; Quad utilisait sur son ESL57 une solution de nylon soluble appelée Calaton CB, devenue difficilement trouvable et chère, un produit équivalent (pour ne pas dire identique) est l’Elvamide®, tout aussi efficace et d’un prix plus abordable ; on peut aussi utiliser du graphite colloïdal qui convient parfaitement. Certains utilisent des produits anti statiques,la quasi totalité de ces produits n’a pas d’effet permanent à l’exception d’un seul garanti à effet permanent par son fabricant, il s’agit du Licron, distribué par Ellsworth, j’ai essayé de m’en procurer en faible quantité pour essais, impossible: minimum de commande 12 pièces et prix de l’unité plus de 55€, le service commercial est intraitable: tant pis pour eux, pub négative !
J’ai lu quelque part qu’on pouvait utiliser des surfactants du genre de ceux entrant dans la composition des lessives et liquides vaisselle…je ne sais pas quelle est la pérennité de ce type d’enduction.
Une autre solution consiste à réaliser un caramel bien brun, avec du sucre, celui-ci comportant pas mal de carbone, sera dilué à l’eau et additionné à un verni acrylique, la tenue mécanique sur le film semble durable, je crois que Monsieur Philippe Hiraga utilise ce type d’enduction pour laquelle il paraitrait n’avoir aucun problème (lu sur un forum).
On trouve dans le commerce de bouche du caramel liquide sous la marque « vahiné » qui devrait convenir, de même un produit appelé « arôme Patrelle », qui est un caramel d’oignons brulés mériterait d’être essayé.
Le graphite en poudre est trouvable dans les magasins de produits pour le dessin et la peinture artistiques, ainsi que dans les boutiques d’accessoires automobile (destiné à la lubrification des serrures), on peut réaliser un produit d’enduction en mélangeant cette poudre avec de l’essence de térébenthine ou de l’essence de pétrole raffinée. On fera attention à la qualité de l’essence de térébenthine, la meilleure qualité se trouve en magasin de produits pour la peinture artistique, les magasins de bricolage vendent une « essence à la térébenthine » qui comporte certainement un autre solvant plus économique en plus d’une certaine quantité de vraie térébenthine.
Un produit à base de graphite appelé « Aquadag » est aussi utilisable, il est normallement destiné à réaliser le blindage des parties arrières des tubes cathodiques et est utilisé par pas mal d’amateurs constructeurs de cellules électrostatiques.
L’elvamide qui est utilisé par ceux qui restaurent des panneaux Quad, est un produit qui se présente en granulés, ceux ci sont soluble dans l’alcool (éthylique, méthylique ou propylique; on utilisera de l’alcool à bruler qui est un mélange d’éthanol et de méthanol), mais cette dilution s’obtient avec de l’alcool à 60° celsius, ce qui est relativement dangereux eu égard au point d’éclair de l’alcool, on aura tout intéret à réaliser la dilution en dehors de l’habitation, au bain-marie et avec un couvercle à proximité de façon a étouffer un éventuel départ de feu. la dilution optimum est de 5 à 10% d’elvamide, la dilution s’obtient à 60°C, au bout d’1/2 heure environ, en agitant. Le produit obtenu est utilisable une fois refroidi, lorsqu’on laisse le produit se refroidir plus d’1/2 journée, celui ci devient plus visqueux, il retrouve sa consistance liquide en le réchauffant (toujours au bain-marie).
Il arrive fréquemment que le produit d’enduction ne s’étale pas correctement sur le Mylar qui est particulièrement lisse (formation de micro billes), dans ce cas, il convient d’utiliser un agent mouillant comme ceux utilisés en photo argentique(Photo-Flo Kodak ou Ilfotol Ilford ou encore Tetenal Mirasol), qu’on peut ajouter à la mixture.

Les stators peuvent être réalisés en tôle métallique perforée ou plastique également perforée, dans ce dernier cas, on peint la surface au moyen d’une peinture conductrice ou d’Aquadag; le problème principal est la rigidité mécanique, les stators doivent rester immuables et ne fléchir en aucun cas, or, les feuilles fines manquent de rigidité, et des renforts sont indispensables. Les tôles perforées que l’on trouve dans le commerce de bricolage ou les quincailleries (par exemple Weber métaux) ont leurs perforations réalisées par estampage ou poinçonnage, mode d’usinage qui laisse des bords des trous un peu arrachés avec des bavures, donc prendre toutes les précautions en ébavurant au moyen de cales de ponçage et d’abrasifs jusqu’à des grains fins.
On peut aussi réaliser soi même les perforations au moyen de forets ou de fraises calibrés bien affutés , la surface cumulée des trous doit avoisiner 40% de la surface active de la membrane, 35% semble raisonnable. Les trous doivent être espacés bien régulièrement soit alignés en rang d’oignons soit en quinconce, l’une ou l’autre de ces dispositions donnent un résultat identique. La disposition en rang d’oignons laisse la possibilité de coller un renfort au dos du stator pour le rigidifier.
Bien éliminer les poussières métalliques et protéger la face exposée à la membrane avec un vernis isolant pour éviter tout claquage (parfois, ça arrive quand même). J’ai lu sur un forum que la peinture en bombe de marque Krylon , de couleur blanche est chargée d’alumine, l’alumine est un des meilleurs isolants existant et est utilisé comme substrat en hyper-fréquence, cette peinture est facilement trouvable et peu chère, conviendra parfaitement comme vernis Haute tension.

Certains constructeurs réalisent leurs stators au moyen de grilles faites avec des barres métalliques ou des fils tendus légèrement espacées. La description du haut-parleur réalisé par Monsieur Philippe Hiraga dans le N°25 de la « revue de l’audiophile », série 2 de Juillet/Août 1993, est un exemple parfait dans ce domaine, que je vous conseille de consulter ( http://www.asrr.org/biblioteca/Revue%20Audiophile/fichiers2/25/statique.html).

Les cales d’espacement entre stators et membrane peuvent être réalisées dans n’importe quel matériau présentant de très bonnes qualités d’isolement, toutefois, éviter le téflon et le rilsan car aucune colle n’y adhère et le collage de la membrane est indispensable; les épaisseurs de ces cales dépendent du type de construction envisagée, on recommande les cotes suivantes: pour un casque de 0,75 à 1 mm, pareil pour un tweeter; pour une cellule bas-medium/aiguës de 1,25 à 2,5mm; pour un boomer jusque 5 ou 6mm.

Pour les colles nécessaires à la fixation des cales d’espacement et de la membrane, on utilisera des colles epoxy à 2 composants, genre Araldite ainsi que de la colle conductrice pour réaliser les connections électriques. par exemple: http://www.conrad.fr/ce/fr/product/588328/Colle-conductrice-Wire-Glue ouhttp://www.arcadeducomposant.fr/produit/flacon-colle-conductrice-a-l-argent-3gr/4465

Outillage

Le seul outillage spécifique est un chantier destiné a tendre le diaphragme, sinon, un outillage classique d’atelier de bricoleur suffit.
La membrane nécessite d’être tendue, sans aucun pli, un peu comme une peau de tambour, cette tension mécanique est fonction des dimensions de la cellule et de la distance entre membrane et stators, elle est également fonction de la tension de polarisation, il est nécessaire, pour ce faire, de disposer d’un chantier destiné a réaliser cette tension mécanique, celui ci consiste en un cadre rigide, qui peut être réalisé en bois ou en métal, possédant des dimensions supérieures à celles de la cellule a réaliser d’au moins 20cm sur chaque coté. La tension est réalisée au moyen de poids suspendu à des cablettes (tresse de nylon destinée à la pêche des carnassiers, par exemple); les poids peuvent être réalisés à l’aide de bouteilles remplies plus ou moins d’eau ou de sable, suivant la tension mécanique à obtenir; la feuille de mylar est maintenue par des pinces du genre pince à dessin ou par des pinces d’atelier, ces pinces reliant la feuille de mylar aux poids. Etant donnée l’épaisseur des feuilles de mylar employée, ces pinces peuvent glisser sur le mylar, il peut être nécessaire de leur coller un joint souple sur l’intérieur des becs. (par exemple joint souple adhésif destiné a l’étanchéité des portes ou fenêtres)

Les bords du cadre seront munis de tubes ronds ou de roulettes de façon à ce que les cablettes puissent coulisser librement sous l’effet des poids.

A titre indicatif, les poids, pour tendre une membrane de casque, sont de l’ordre de 150 à 200gr. Je ne connais pas de règle précise permettant à coup sur de réaliser la bonne tension mécanique, celle ci reste a obtenir après plusieurs essais.

Amplification spécifique

Nous avons vu, ci avant que la tension audio a appliquer doit être une tension crète à crète du double de la tension de polarisation du diaphragme et qu’il était possible de l’obtenir par l’usage d’un transformateur pour push pull de tubes. Cette solution est pratique pour les cellules électrostatiques pour haut-parleur large bande, ceux ci ayant une tension de polarisation trop élevée pour obtenir facilement une tension audio suffisante; on peut toutefois obtenir une valeur correcte de tension audio pour les petites cellules (casques et tweeters) au moyen d’amplificateurs adaptés.En fait, il est inutile de réaliser de gros amplis délivrant une puissance importante, seule la tension est importante.
Ma toute première réalisation a été un casque, il y a de ça une vingtaine d’année, je m’étais alors fortement inspiré de l’article de M. Neil Pollock paru dans Wireless World (WW nov.1979); ne désirant pas réaliser un amplificateur spécifique pour conduire mes essais, j’ai utilisé simplement mon vieil ampli Loyez (voir le schéma dans le chapitre « électroniques audio diverses; montages à lampes » en lui faisant la légère modification suivante, encadrée en rouge:
La tension de polarisation de la membrane étant réalisée par un doubleur de Schenkel sur le transfo de l’ampli, suivi d’un diviseur résistif. Comme à l’époque, j’avais réalisé ce casque de façon expérimentale et avec le matériel que j’avais sous la main, a savoir plaques de circuit imprimé, graphite en poudre et film plastique récupéré au rayon boucherie du supermarché du coin 😉 , j’étais satisfait de ce premier résultat, mais la pérennité du casque obtenu n’était pas au rendez vous, et je n’ai pas persévéré à l’époque, vu que j’avais trouvé un casque électrostatique Marantz d’occasion pour une bouchée de pain (en fait, c’est un casque Stax rebaptisé par Marantz), et que je n’utilise plus à ce jour, n’aimant pas les casques fermés.

Dans ce même article de M. Neil Pollock, il y avait également un ampli à semi-conducteurs spécialement conçu pour un casque électrostatique, le montage est assez simple , les 3 amplificateurs opérationnels sont inclus dans un boîtier 14 broches, les transistors 2SD200 peuvent être directement remplacés par des BU208D ou autres transistors destinés aux circuits de déflection horizontale des téléviseurs à tube cathodique. Le schéma est le suivant:

Un autre ampli spécialisé a été décrit par M. Philippe Hiraga dans le N° 10 de la revue de l’audiophile 2^ième série de mai 1990, c’est un ampli d’origine Stax qui a la particularité de ne pas avoir de capa de sortie pour alimenter les stators du fait qu’en absence de signal, les sorties sont très proches du potentiel de masse; cet ampli fonctionne parfaitement bien et est certainement un des meilleurs du genre.

J’ai trouvé sur le net un équivalent à semi-conducteurs sur le site http://headwize.com, dont je vous joint le schéma, je ne l’ai pas essayé mais il semble interessant.

Par ailleurs, une description d’ampli pour casque électrostatique est parue dans le périodique Elektor d’Octobre et Novembre 1988 (N°124 & 125) mettant en oeuvre des transistors à effet de champ dans l’étage final (kit ACE 2000), les caractéristiques annoncées semblent alléchantes, je ne l’ai pas essayé non plus.

Concernant les amplis pour enceinte électrostatiques, ils mettent en oeuvre des tubes qui tiennent plusieurs kV que je ne possède pas, je me cantonne donc à l’utilisation de transformateurs (pour le moment).