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GENERATEURS D'OSCILLATIONS ELECTRIQUES
Cette invention se rapporte à des générateurs d'oscillations électriques du genre des tubesà vide et plus particulièrement à la stabilisation de la fréquence d'oscillation de générateurs de ce génie malgré la variation dans les ohangements de voltage d'excitation.
L'invention a pour but :d'améliorer la stabilité de fréquenoe d'oscillateur, à alimentation en retour et du genre des tubes à vide; de diminuer l'effet des capacités internes des tubes sur la stabilité du système; et de prévoir pour la stabilisation de la fré- quence des oscillateurs contrôlés par des dispositifs à cristaux piezoélectriques.
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Les déviations de fréquence, qui accompagnent les changements des tensions des électrodes ou la température de la cathode dans beaucoup de types d'oscillateurs à tubes à vide, sont bien connues pour avoir leur origine dans la variation résultante des résistances internes du tube. Afin que cette déviation puisse être éliminée ou pratiquement réduite, il est nécessaire que le circuit oscillant soit de forme et de proportion telles que la fréquence soit indépendante des amplitudes des résistances du tube et soit déterminée entièrement par les éléments d'impédance linéaire du cirouit.
Différents circuits ont cette propriété et sont décrits dans les brevets américains No. 1.896.781 du 7 Février 1933 et No. 1.976.570 du 9 Octobre 1934 déposés au nom de Monsieur F.B.Llewelyn, Dans la présente invention on utilise la caractéristique à déphasage unique de certains réseaux de réactance simple à quatre bornes. Ces réseaux comprennent essentiellement trois réactances disposées dans la forme d'un réseau en IL, de caractère et proportion telles que les trois réactances deviennent égales en amplitude pour une fréquence désignée, mais avec la réactance série de signe opposé aux réactances shunts.
Dans ces conditions,le réseau produit un déphasage de 90 quand il est connecté entre des impédances terminales à résistance pure, ce déphasage étant constant indépendamment de la valeur des résistanoes.
Les oscillateurs de l'invention comprennent un ou plusieurs tubes à vide et une série de réseaux de déphasage du type mentionné ci-dessus, tous connectés en tandem pour former un chemin d'alimentation m retour fermé. Chacun des tubes produit un déphasage fixe de 180 , quoique dans certaines formes le déphasage puisse être nul. Les divers réseaux de déphasage sont désignés chacun pour produire des déphasages stables de 90 à la fréquence d'oscillation déterminée, et sont combinés d'une manière telle qu'ils produisent un déphasage total nul dans le circuit fermé. De cette manière on établit une condition nécessaire pour l'oscillation automatique.
A cause du caractère des réseaux d'accouplement, la condition de déphasage nul est indépen -dante des résistances internes des tubes à vide et les oscillations résultantes sont donc de fréquence stable.
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Dans les formes préférées de réalisation de l'invention, un des réseaux de déphasage est établi pour avoir une variation de fréquence très rapide du déphasage au point de 90 et les au- variant tres réseaux sont désignés pour produire des déphasages/plus len- tement. Le réseau avec la forte caractéristique devient alors l'é- lément déterminant la fréquence principale, et les autres réseaux réalisent le déphasage total nécessaire maintenant la condition de stabilité de fréquence. La caractéristique de déphasage rapide est de préférence obtenuè par l'emploi d'un cristal en quartz piezoéleo -trique agissant comme une des réactances du réseau, ainsi qu'il est décrit en détail par la suite.
On sait qu'un degré relativement élevé de stabilité de fréquence est obtenu aveo des oscillateurs contrôlés par cristaux de configuration de circuit simple, mais que néanmoins les déviations de fréquence peuvent être notables et amener des perturbations quand une exactitude extrême est requise. La présente invention prévoit une stabilisation perfectionnée de la fréquence pour de tels oscillateurs d'une manière simple,tout en permettant l'élimination pratique des variations de fréquence résiduelle .
D'autres faits de l'invention, ainsi que le mode de fonoti- onnement, sont mieux compris de la description détaillée suivante ba -sée sur les dessins ci-joints. Sur ceux-ci :
La figure 1 est un diagramme schématique explicatif de cer- tains principes de réseaux utilisés dans l'invention;
Les figures 2, 3 et 4 montrent différentes formes de réseaux utilisées dans les circuits conformes à l'invention;
La figure 5 est un diagramme montrant les propriétés du ré- seau de la figure 4 ;
et,
Les figures 6 à 10 montrent schématiquement les circuits d'un certain nombre d'oscillateurs conformes à l'invention. un circuit comprenant une source d'onde à résistance pure et une charge oouplée par un réseau déphaseur du type utilisé dans les oscillateurs de l'invention est montré schématiquement sur la figure 1 La résistance de la source et la charge sont désignées par R1 et R,la source ayant un voltage E1. Le réseau d'accouplement consiste en
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une section en # dont chaque branohe comprend seulement des éléments de réaotance pure.
Les configurations des branches ne sont pas montrées et pour le cas présent peuvent être laissées indéterminées, mais on suppose qu'elles sont telles qu'elles permettent aux impédances des branches shunts d'avoir la même valeur -jX à une fréquence désignée, tandis que l'impédance des branches séries est de +jX à la marne fréquence. Dans ces conditions, le voltage de sortie E2 à travers la résistance Hz a la valeur donnée par l'équation
EMI4.1
R 2 -J XR1
E1 R1 R2 + X2 Les deux voltages sont en quadrature et la relation de phases est évidemment indépendante des valeurs R1 et R2. Pour les signes particuliers des réactances indiquées, la tension de sortie retarde de 90 sur la tension d'entrée.
L'inversion des signes des trois réaotances inverse la phase de la tension de sortie tenant oelle-oi à avancer la tension d'entrée de 90 .
Des formes simples de réseaux déphaseurs sont montrées sur les figures 2 et 3, la première ayant une réactance série poaitive pourvue d'une inductance,tandis que la deuxième forme a une réactance série négative pourvue d'une capacité. Les deux branches shunts dans chaque réseau sont les mêmes, et par suite ont des réactances égales à toutes les fréquences. Le réseau de la figure 2 produit une tension de sortie retardée, et celui de la figure 3 produit une tension de sortie avancée. La relation de quadrature est produite dans chaque cas, à la fréquence de la résonance des branches-séries avec une seule fréquence dans les branches shunts.
Les réseaux doivent, de préférence, être d'un genre tel qu' un déphasage en quadrature dans l'une ou l'autre direction est produit seulement à une seule fréquence. Aveo cette restriction il est possible de varier considérablement les formes simples des figures 1, 2 et 3 en accroissant la complexité de chaque branche. Un exemple de telle modification est montré sur la figure 4, où les branches séries comprennent un circuit résonant série L1C1 shunté par une capacité Co
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tandis que les branches shunts comprennent des circuits anti-résnnant semblables L2C2 La branche série est proportionnée pour avoir une réactance positive ou inductive dans le voisinage de la fréquence déterminée,et les branches shunts sont proportionnées pour avoir des réactances négatives à cette fréquence.
Les variations de fréquences des deux réactances sont montrées par les courbes de la figure 5. Les courbes en traits pleins représentent la réactance de la branche en série X1 et la ligne pointi llée représente la réactance shunt X2.
La branche série offre une résonance à une fréquence f2 et une anti- résonance à une fréquence plus élevée f3. Elle a une réactance po- sitive dans la rangée intermédiaire . La réactance de la branche shunt est négative ou capacitive au-dessus de la fréquence anti-résonance f1 qui, de préférenoe, est bien en-dessous de la résonance de la branohe série. La fréquence pour un déphasage retardé de 90 doit nécessairement se trouver dans l'intervalle entre f2 et f3, et elle est déterminée par l'égalité de X1 et X2, ainsi qu'il est montré en fo sur la figure. La valeur particulière de cette fréquence peut être variée en réglant les capacités shunts C2 ou la capacité série Co.
Une deuxième fréquence de quadrature de phase- existe en-dessous de la fréquence anti-résomante des branches shunts, mais dans ce cas le déphasage est de direction opposée.
D'autres modifications possibles sont évidentes. Par exemple, une des inductances shunts de la figure 3 peut être remplaoée par une combinaison de trois éléments semblables à la branche série de la figure 4. De plus, il n'est pas nécessaire que les branches shunts soient les mêmes, mais simplement qu'elles aient des réactances éga- les à la fréquence assignée de quadrature de phase..
La combinaison de trois éléments L1C1Co de la figure 4 corres -pond en configuration au réseau d'impédances équivalentes d'un cris -tal en quartz pieoélectrique. Par suite, un cristal de ce genre peut être utilisé à cette position. L'effet de substituer le cristal est de rendre la rangée de fréquences, dans laquelle la branche a une réactance Inductive, extrêmement petite, et de prévoir une variation extrêmement rapide du déphasage avec la fréquence dans cette rangée.
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considérant à nouveau la figure 1, on peut voir facilement que l'impédance mesurée aux bornes d'entrée du réseau déphaseur est une résistance pure à la fréquence de quadrature de phase et A la valeur X2 R@. Un deuxième réseau, non nécessairement semblable, mais ayant un déphasage en quadrature à la même fréquence,peut donc être inséré à la partie avant du réseau montré sans affecter le dé- phasage de l'autre à la fréquence commune de quadrature de phases, Donc, les deux réseaux peuvent produire des déphasages en sens opposés si cela est nécessaire.
Des circuits oscillateurs stabilisés en concordance avec l'invention, utilisant des combinaisons de réseaux en quadrature de phases, seront maintenant montrés. On doit comprendre que les exem- ples représentés ici ne constituent pas tous les circuits possibles mais qu'ils sont simplement donnés à titre d'exemples.
Le circuit oscillateur montré figure 6 comprend deux tubes à vide 10 et 11 oouplés en tandem par des réseaux de réaotance 12 et 13, de manière à former un circuit complet d'alimentation en retour.
Le réseau 13, qui est l'ensemble déterminant la fréquence prinoipale, est du type général montré figure 4, la branche série étant oonsti- tuée par un cristal en quartz piezo-électrique CX, et les deux bran- ches séries étant constituées par des oombinaisons parallèles sembla -bles d'inductance L2 et de capacité C2. Ainsi que cela a été expli- qué en combinaison aveo la figure 5, les branches shunts du réseau 13 sont proportionnées pour être anti-résonnantes à une fréquence bien en-dessous de la résonance du cristal-. Le réseau 12 couplant le circuit d'entrée du tube 11 au circuit de sortie du tube 10 est généralement semblable à celui montré figure 3, mais les branches faibles shunts sont modifiées par l'addition de capacités C3 en parallèle avec chacune des inductances.
Les tubes 10 et 11 sont, de préférence, du type à grille protégée de manière à éviter des effets quelconques de l'alimentation en retour interne. une source commune 14 fournit le courant de plaque et d'écran pour les deux tubas, et une source séparée 15 prévoit une polarisation négative pour la grille du tube 11. Les éléments restants du circuit comprennent des condensateurs
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de blocage et de dérivation qui doivent être suffisamment grands pour avoir des impédances négligeablement petites à la fréquence d'opération. Les inductances shunts dans les deux réseaux servent à réaliser des chemins conducteurs pour les courants de grille et de plaque des tubes.
- Puisque chacun des deux tubes à vide produit un déphasage fixe de 1809, ils contribuent ensemble à un déphasage total nul dans le circuit fermé. Le réseau 13 produit un retard de phase de 900 à une fréquence pour laquelle le cristal CX a une réactance positive égale en amplitude à la réactanoe négative de l'un ou l'autre des deux branches égales en shunt. A cette fréquence, le déphasage est indépendant des valeurs des résistances terminus constituées par le circuit plaque du tube 11 et le circuit grille du tube 10. pour prévoir une' oscillation automatique du système à la fréquence ainsi déterminée, le réseau 12 doit produire un déphasage en avance de 90 .
Ce déphasage est prévu et est rendu indépendant des résistances du tube en proportionnant le réseau de la manière décrite de sorte que chaque branche shunt a une réactance induotive égale à la réaotance de la capacité de branche série à la fréquence d'oscillation. Les fréquences anti-résonnantes des branches shunts doivent être plus élevées que la fréquence d'oscillation, mais de préférence doivent être plus faibles que la deuxième harmonique de cette fréquence. Le circuit de la figure 1 peut osciller seulement à la fréquence déter -minée par les déphasages an quadrature des deux réseaux, et puisque la quadrature de phases dans chaque cas est indépendante des résistanoes du tube, la fréquence d'oscillation est stable.
Chaque réseau est pourvu avec des opacités shunts aux deux extrémités,dans lequel les capacités grilles et plaques des tubes peuvent être inoluent. La stabilité n'est donc pas affectée par la présence des capacités des tubes. De plus, l'effet des capacités shunts est de diminuer l'impédance présentée aux tubes par les réseaux à des harmoniques de la fréquence d'oscillation, et par suite de réduire for -tement les effets de modulation.
L'impédance du cristal CX fournit à la caractéristique de déphasage du réseau 13 une variation de fréquence très rapide à la
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fréquence d'oscillation,qui a pour sultat d'aoorottre la stabilité du système. Le réseau 12, d'autre part, est caractérisé par une faible variation du déphasage dans le voisinage de la fréquence d'osclilation. Cela a l'avantage de rendre l'agencement du système noncritique.
Dans le circuit oscillateur montré figure 7, le réseau 13 déterminant la fréquence principale est modifié pour permettre l'em -ploi d'un cristal connecté en shunt, et le réseau compensateur 12 est modifié semblablement pour tenir compte du changement. Une haute résistance 16 est prévue pour agir comme un chemin dérivé de grille pour le tube 10. @e réseau 13 est au fond semblable à celui montré sur la figure 3. A la fréquence d'opération, le cristal CX a une réactance inductive ou positive égale à la réactance négative de la ca -pacité de la branche série C4, et l'autre branche shunt L2C2 est proportionnée de manière à avoir la même réactance inductive que le cristal à cette fréquence.
Le réseau produit un déphasage en quadrature en avant et le réseau compensateur 12 doit donc produire un déphasage en quadrature en retour afin que l'oscillation puisse avoli lieu .
Les inductances shunts dans le réseau 12 sont fait suffisamment grandes pour être anti-résonnantes avec les capacités shunts à une fréquence bien inférieure à la fréquence d'oscillation, et la capacité série C est de même rendue assez grande pour avoir une impédance négligeable. Les tubes sont alors en effet couples seulement à travers les capacités shunts qui, en combinaison avec la haute résistance interne du tube 10 à grille protégée, produit un déphasage en retard pratiquement constant de 90 . Il est désirable que les booines shunts aient une faible dissipation et que la grille du tube 11 ait une polarisation négative suffisamment grande pour empêcher la production de tout courant grille.
De préférence, aussi, les ca -pacités shunts C3 doivent être relativement grandes, et bien que cela puisse résulter en une atténuation considérable de la tension, le gain des aeux tubes est ordinairement suffisant pour assurer une alimentation en retour satisfaisante. Des modifications de ce type: de couplage à réactance shunt peuvent facilement être réalisées.
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Quand un seul tube à vide du type ordinaire est utilisé, il produit un déphasage fixe de 1800 et le réseau extérieur doit prévoir un déphasage égal afin que le déphasage total dans le cir -cuit formé d'alimentation en retour soit nul. Dans le circuit montré sur la figure 8, le déphasage requis de 180 est produit au moyen de deux réseaux à déphasage en quadrature connectés en tandem et proportionnés chacun pour prévoir un déphasage de 90 dans la même direction à la fréquence d'oscillation. On a déjà spécifié que deux ou plusieurs des réseaux déphaseurs en quadrature peuvent être connectés en tandem pourvu qu'ils produisent le déphasage en quadrature à la même fréquence. Le déphasage total à cette fréquence est alors aussi. indépendant des résistances terminales.
La stabilité de fréquence du circuit de la figure 8 exige donc seulement que les deux réseaux soient proportionnés chacun pour un déphasage en quadra -ture à la fréquence d'oscillation.
Le réseau 13, qui comprend le cristal piezo-éleotrique CX, est le réseau contrôlant la fréquence principale. Ce réseau et le réseau compensateur 12 sont du type général représenté figure 2.
La fonction du réseau oompensateur dans ce casest de suppléer le déphasage du réseau 13, de manière que, ensemble,ils compensent le déphasage de 1800 du tube à vide à la fréquence d'osoillation. Le courant plaque est fourni au tube à travers une inductance shunt 17.
Cette inductance peut être faite suffisamment grande pour que son admittance soit négligeable ou pour que son effet puisse être compensé par un réglage approprié du condensateur shunt adjacent dans le réseau 12.
Au lieu d'utiliser deux tubes en tandem,oomme sur les figures 6 et 7, pour rendre l'ensemble de déphasage des deux tubes égal à zéro, un seul tube ayant une amplification négative oonstante peut être utilisé. Un circuit oscillateur stabilisé employant un teltube est montré sur la figure 9. Dans ce cirouit, le tube 18 oomprend en plus de l'anode ordinaire, une anode auxiliaire 20 placée entre la grille de contrôla et la cathode. Le circuit de sortie est connecté entra l'anode auxiliaire et la cathode.
L'action d'un voltage positif
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superposé au voltage de polarisation de la grille de contrôle est de décharger l'anode auxiliaire de quelques-uns des électrons qui autre- ment iraient vers elle, et par suite de diminuer le courant d'anode auxiliaire...Cela est l'inverse de ce qui arrive dans un tube ordi- naire et correspond à une inversion de phase du courant de sortie.
Les batteries de plaque 14 et 19 et la batterie de polarisation de grille 15 peuvent être réglées pour fournir des tensions oonvenables pour réaliser l'effet à un degré suffisant. Pour éviter le passage du courant de grille pendant le fonctionnement, et les effets per- turbateurs possibles, une diode non polarisée 21 peut être connectée à travers le circuit d'entrée du tube. Cela sert à prévoir l'action limitatrice d'amplitude sur les courants d'oscillation, qui est or- dinairement produite par le passage du courant dans le chemin de grille de l'amplificateur.
Le réseau extérieur comprend deux réseaux en quadrature de dé -phasages 12 et 13 qui produisentdes déphasages en directions opposées.
Le réseau 12 est du type montré figure 3, et le réseau 13, contre- lant la fréquence principale, est du type montré figure 2, modifié pour substituer un cristal piezo-électrique CX à l'inductance série.
Le réseau d'alimentation en retour peut être de plus propor- tionné de manière que non seulement chaque réseau oomposant produit un déphasage stable de 90 , mais aussi que toutes les branches des deux réseaux ont des réactances de la même amplitude à la fréquence d'oscillation. Dans ce cas, la oombinaison oentrale d'impédance
Le 2 devient infinie à la fréquence d'oscillation, et ces éléments peuvent être omis sans affecter le fonctionnement du système,
Un réseau d'alimentation en retour ainsi modifié est montré sur la figure 10.
Le réseau d'alimentation en retour 22 comprend une branche série renfermant un cristal CX et une capacité série C2, une branche en shunt constituée par une aeuxième capacité égale à la ca- pacité de la branche série, et une deuxième branche en shunt renfer- mant une inductance L de manière à avoir une réactance égale à celle de l'un ou l'autre des deux condensateurs à la fréquence d'opération.
La relation du circuit de la figure 10 avec celui de la figure 8 est
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EMI11.1
taoile voir. Dans ce circuit, tf1ateur à déphasage nul est pourvu de deux tubes normaux couplés en tandem à travers des résistances shunts 23 et 24, mais le tube à amplification négative de la figure 8 peut aussi être uti lisé si on le désire.
En plus des relations de réactance particulières décrites oi-dessus, les réseaux en quadrature de phases utilisés dans les systèmes de l'invention sont caractérisés par les propriétés de leur paramètre image. L'impédance image du réseau à l'une quelconque des paires de bornes est égale à la racine carrée du produit des impédan -ces en circuit ouvert et en court-circuit mesurée à ces bornes, et la constansts de transport image est égale à l'arc tangent hyperbolique de la racine carrée du rapport de l'impédance en court-circuit à l'impédance en circuit ouvert.
En appliquant ces relations au réseau général de la figure 1. l'impédance image est trouvée égale à une quan -tité réelle de valeur X à la fréquence assignée, et la oonstante de transfert doit être l'arc' tangent hyperbolique d'une quantité imaginai -re pure infiniment plus grande.
En concordance avec la théorie bien connue des réseaux, le caractère réel de l'impédance image correspond à un caractère de résis -tance pure et indique que la fréquence pour laquelle les réactances ont les valeurs spéciales se trouve dans une bande de transmission du réseau.La valeur et le caractère de la constante du transfert image montrentqu's elle représente un déphasage simple de 900 sans accompagnement d'atténuation. Les réseaux sont ainsi caractérisés en ce qu'ils ont des déphasages images de 90 à des fréquences qui se trouvent dans les bandes transmises ou pour lesquelles des impédances images sont des résistances pures. Dans les circuits de l'invention, des réseaux fonctionnent à la fréquence ainsi déterminée pour laquelle les déphasages en quadrature sont stables.
Si la bande de transmission dans laquelle la fréquence du déphasage image de 90 se trouve est très limitée, la variation de fréquence du déphasage en ce point sera très rapide puisque le déphasa -ge image se range à travers au moins 1800 dans la bande. Le déphasage réel,quand le réseau est connecté à des impédances terminales, suit le déphasage image approximativement et variera donc très rapidement.
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Inversement, si la bande est large, le déphasage produit variera très faiblement avec la fréquence. Les réseaux déphaseurs montrés sur les dessins, qui comprennent des éléments de cristaux piezo-éleotri- ques, sont tous caractérisés par une bande de transmission très étroi- te dans la rangée de fréquences ou la réactance du cristal est in- ductive*
REVENDICATIONS .
1 - Circuit oscillateur à 'cube à vide comprenant un moyen amplificateur, un chemin de transmission couplant les bornes de sortie et les bornes d'entrée du moyen amplificateur pour former un circuit d'alimentation en retour, et une ou plusieurs séries de réseaux de réactance inclues dans le circuit (d'alimentation en retour, chacun des dits réseaux étant proportionné pour produire à une fréquence commune désignée un déphasage de 90 lequel est stable par rapport aux varia- -tions des impédances terminales du réseau, les réseaux ensemble avec le moyen amplificateur produisant un déphasage total dans le circuit d'alimentation en retour qui est nul à la fréquencecommune désignée.