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PERFECTIONNEMENTS AUX ,t.3FLIré ICAT' THER:a:ONI<ES.
La présente invention se rapporte aux amplificateurs thermioniques et notamment à un circuit limiteur d'amplitude destiné à éliminer la modulation en amplitude tout en respectant les variations de fréquence des courants à haute fréquence qu'ils transmettent. Bien que l'invention trouve son emploi dans tous les problèmes d'émission ou de réception où il s'agit d'éliminer les variations d'amplitude des courants ou tensions à haute fréquence, on décrira à titre d'exem ple non limitatif dans ce qui suit une application à la réception d'ondes modu- lées en phases ou en fréquence, application à laquelle l'invention convient par- ticulièrement bien,
Il est très difficile de moduler en fréquence ou en phase sans intro- duire une certaine modulation en amplitude.
De plus, les parasites industriels
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ou atmosphériqueb, les imperfections des circuits de transmission ou enfin les modifications du milieu dans lequel se propagent les ondes, donnent à la récep- tion des variations d'amplitude. Si on ne supprime pas la modulation enhampli tude, le signal reçu est affecté de distorsion et on ne peut alors bénéficier des avantages connus que procure la modulation en fréquence ou en phase.
C'est donc une des applications les plus intéressantes de l'invention que la limitation dans les radiocommunications utilisant la modulation en fré- quence ou en phase,
Une caractéristique remarquable de l'invention réside dans l'emploi d'un amplificateur dont les étages sont autopolarisés et dont le point de fonctionnement est asservi à l'amplitude des variations d'amplitude à éliminer, grâce à quoi l'effet limiteur est convenablement amélioré.
On eomprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avantages de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés simplement à titre d'exemple et dans lesquels :
La Fig.l représente schématiquement un limiteur d'amplitude conforme à l'invention.
Les Fig.2 à 8 inclusivement des courbes et diagrammes à l'appui de l'exposé technique, En se référant à la Fig.l, on voit un tube électronique à électrodes multiples, pentode par exemple, comportant une cathode 11, du type à chauffage Indirect, une grille de commande 12, une grille-écran 13, une grille de sup- pression d'émission secondaire 14, une anode 15. La tension haute fréquence est appliquée entre la grille 12 et la cathode 11 d'un tube 10 par l'intermé- diaire des dispositifs de couplage appropriés, tels que le transformateur re- présenté en 16. Le secondaire de celui-ci est accordé sur la fréquence des oscillations à recevoir, au moyen d'une capacité 17.
Le circuit d'entrée com- porte également, en série, une résistance 18 shuntée par une capacité 19, qui constitue une résistance de fuite permettant d'obtenir une polarisation auto- matique de la grille 12.
Comme on l'expliquera brièvement par la suite, il est nécessaire, dans le but de créer un effet limitateur, de proportionner la résistance 18 et la capacité 19 de telle sorte que la tension négative disponible à leurs bornes par redressement par la grille, des oscillations appliquées, soit à tout ins- tant égale à la tension de polarisation qui annule le courant dans le tube 10, ou l'excède d'une quantité prédéterminée. En d'autres termes, le potentiel de @
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grille 12 doit être maintenu suffisamment négatif par rapport à la cathode 11, pour que le courant anodique s'établisse uniquement pendant les demi-périodes alternées ou pendant une fraction de celles-ci.
Le circuit d'anode du tube 10 comporte, en série, un circuit anti résonnant constitué par la self induction 20 et la capacité 21, une résistance de découplage 22, une source de tension plaque 23-24* La borne négative de cet- te dernière est reliée à la'cathode 11 mise à la masse, à la manière habituelle et une capacité d'assez forte valeur relie le point de jonction de la résistance 22 et du circuit antirésonnant à la source 23-24. Le circuit 20-21 est accordé sur la même fréquence que celle du circuit 16-17. Le circuit de plaque peut être couplé au circuit d'utilisation de toute manière appropriée, par le circuit 26 par exemple.
La grille écran est reliée à une source de potentiel appropr telle que la borne positive 23 de la source de.tension plaque, par l'intermédiaire d'une résistance 27; elle est en outre reliée à la masse à travers une capacité 28. Comme on l'expliquera plus loin, la résistance 27 et la capacité 28 jouent un rôle très important dans le système limitateur d'amplitude conforme à l'in- vention.
Bien que les valeurs de lé résistance et de la capacité des éléments précités ne soient pas absolument critiques, l'expérience à toutefois montré que l'action limitatrice d'amplitude n'est efficace que pour un choix particu- lier des dites valeurs par rapport aux autres constantes du circuit, La valeur de la résistance 37 dépend de certains facteurs très complexes* Quelques tâton- nements suffisent toutefois pour déterminer celles qui convient. On peut égale- ment utiliser à cet effet une resistance variable.
La capacité 28 a une valeur suffisamment élevée pour que sa réactance soit faible aux fréquences d'accord des circuits 16-17 et 20-21. Par conséquent la différence de potentiel entre la grille-écran 13 et la cathode est négligea- ble aux dites fréquences, mais peut prendre des valeurs appréciables à des fré quences moindres.
En général, la capacité 28 doit offrir une réactance relativement élevée à toutes les fréquences de l'enveloppe de modulation en amplitude, qui doivent être supprimées.
Comme on l'a dit précédemment, les oscillations dont l'enveloppe doit être limitée à une amplitude constante, par le circuit de la fig.1 doivent être, soit à fréquence constante, soit modulées en phase ou en fréquence, con- formément aux signaux à transmettre, signaux à basse fréquence par exemple.
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Dans ce dernier cas, les circuits 16 et 17 et 20-21 ne doivent pas présenter une courbe d'accord trop aiguë de façon qu'ils transmettent sans affaiblissement la totalité de la bande passante. Il faut bien entendu, que la fréquence des ondes porteuses soit très supérieure à celle des variations d'amplitude indêsi- rables que l'on se propose de supprimer. En général, les fréquences porteuses sont inaudibles.
On comprendra mieux le fonctionnement et les caractéristiques du cir- cuit de la Fig.l par l'examen des courbes des Fig.2 à 8.
Dans le but de simplifier cette analyse et de faciliter la compréhen- sion du fonctionnement du circuit de la Fig.l, on fera tout d'abord un certain nombre d'hypothèses. On supposera par exemple que la résistance 27 est en court- circuit et que la capacité 28 a une valeur suffisamment élevée pour laisser pas- ser toutes les fréquences, même très basses, Le potentiel de la grille-écran est alors pratiquement constant à tout instant.
On supposera ensuite que les oscillations de haute fréquence, telles que celles représentées Fig.5 soient appliquées au transformateur d'entrée 16 et pratiquement sinusoïdales; du fait de la présence de la résistance de grille 18 et du condensateur 19, les oscil- lations sont détectées à la manière connue et un potentiel négatif de polarisa- tion se trouve appliqué à la grille; sa valeur est proportionnelle à l'amplitu- de de l'enveloppe. On supposera de plus que l'amplitude de ces oscillations est constante et tout juste suffisante pour maintenir la grille 12 de commande au potentiel de coupure du courant anodique.
Il est bien connu que la polarisation qu'il faut appliquer à la grille de commande pour annuler le courant anodique dépend du potentiel de la grille-écran, supposé constant; il correspond par conséquent à un potentiel négatif constant de la grille de commande, pour lequel aucun courant ne traverse le circuit de plaque.
Dans ces conditions, le circuit plaque est le siège d'impulsions uni- directionnelles de courant pendant les semi=alternances positives des oscilla- tions appliquées, qui ramène le potentiel instantané de grille au-dessous de la valeur de coupure. Deux impulsions successives sont schématiquement représentées par la courbe en trait plein 30, Fig.2. Cette courbe représente la variation du courant de plaque en fonction du temps. La partie horizontale de la courbe 30 suivant B-E représente un courant d'anode nul, correspondant à la valeur de polarisation de grille qui produit la coupure. La valeur de crête 31 du courant de plaque correspond à une tension nulle de la polarisation de grille.
Il est
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bien connu que ce résultat est obtenu automatiquement du fait de la résistance de grille 18 et du condensateur 19, car si le courant d'anode croit, la grille 12 deVIENT positive et la polarisation de la grille 12 est automatiquement ac- crue du fait du passage du courant de grille, qui à son tour limite la valeur du courant de plaque à celle qui correspond à la polarisation nulle.
On notera que jusqu'alors le fonctionnement du circuit est analogue à celui de la détection par la grille à cette exception près que la polarisa- tion automatique fournie par la détection de grille est délibérément maintenue à une valeur élevée et au moins égale à celledqui correspond à la coupure.
L'ordonnée maxima des impulsions de courant de plaque est alors limitée prati- quement à la valeur A-B (Fig.2) Les points 31 sont limitées à la valeur pour laquelle la grille 12 devient positive et les creux sont limités par la droite B-E correspondant au point de coupure du courant de plaque.
On conçoit, d'autre part,qu'il soit possible de décomposer la courbe non sinusoïdale 30 de la Fig.2, en éléments de la série de Fourier, fondamen- tale et ses harmoniques ainsi que les composantes de courant continu. A cette occasion, on rappellera que le circuit 20-21 est précisément accordé sur la fondamentale. Par conséquent celle-ci se trouve sélectionnée et transmise au circuit d'utilisation, tandis que les harmoniques sont affaiblis.
Dans ces conditions, le niveau du signal d'entrée est proportionnel à A-B, Fig.2, Si Cette amplitude de signalisation est prise comme niveau de ré- férence, et considérée arbitrairement comme valeur unité, et si, d'autre part, les pulsations de courant plaque sont considérées comme des parties de sinusoïde il en résulte que l'amplitude maxima fondamentale est théoriquement égale à 0,500 suivant la série de Fourier. La composante à courant continu aura pour valeur 0,318.
Supposons maintenant que l'amplitude des oscillations appliquées au circuit de grille augmente sous l'effet des parasites atmosphériques, industriel ou autres. Supposons également, pour l'instant, que l'amplitude des oscillations soit doublée. La polarisation négative sur la grille 12 est aussi pratiquement doublée. En se référant à la Fig.2, on voit qu'à cette valeur de polarisation de grille correspond un autre axe C-F des pulsations de courant de plaque, celles--ci sont alors représentées par des courbes en traits pleins 32 Ces impulsions sont limitées à l'amplitude A-B puisque les régions pointillées 32' de la courbe, suivant B-C se trouvent au-dessous de la valeur B-E de coupure de courant ano-
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-diçue, et de du fait que le potentiel de la grille-écran 13 reste par hypo- thèse constant.
L'amplitude des pulsations est la même que précédemment mais l'angle d'ouverture est évidemment plus petit. L'analyse harmonique montre im médiatement que la valeur de la fondamentale est ramenée à 0,387 et celle de la composante continue à 0,22 quand l'amplitude du signal d'entrée croit dans le rapport de 1 à 2. Par conséquent, l'amplitude de la fondamentale sélectionnée par le circuit accordé est réduite de 0,5 à 0,387, et l'effet de limitation dé- siré n'est pas obtenu.
L'axe D-G de la Fig.2 correspond à une valeur de polarisation de gril- le égale à trois fois celle de coupure. L'amplitude du signal d'entrée est tri- ple de la valeur initiale. Dans ces conditions, le courant de plaque passe pen- dant une fraction encore plus faible des alternances positives; les pulsations de courant 33 sont plus étroites puisque les parties pointillées 33' situées au-dessous de la coupure sont les deux tiers de l'ordonnée maxima. L'analyse de Fourier montre que l'amplitude de la fondamentale est alors ramenée à 0,33 et celle de la composante continue à 0,175.
Par conséquent, on voit que l'amplitude de l'enveloppe des oscilla- tions sélectionnées par le circuit 20-21 diminue quand l'amplitude du signal appliqué sur la grille 12 augmente bien que l'amplitude du courant de plaque soit pratiquement constante, puisque l'aire embrassée par la courbe des impul- sions courant anodique diminue constamment. La courbe en trait plein 50 de la Fig.3 illustre ce phénomène. Les ordonnées de cette courbe représentent les coef ficiente théoriques de la fondamentale et les abscisses l'amplitude du signal incident, les deux exprimées en fonction d'un niveau de référence arbitrairement choisi. La ligne en traits mixtes 51 représente la variation de la composante continue, les courbes 50 et 51 ayant été relevées expérimentalement et corres- pondant sensiblement aux valeurs calculées.
L'action des variations d'amplitude du signal est représentée Fig.5 et 6, où l'on voit des oscillogrammes de la tension de signalisation et des cou- rants de sortie, au cours des périodes d'accroissement transitoire de la dite amplitude de signalisation, et indiquée par les pointes positives 40 de la Fig.5 On voit que l'enveloppe du courant de sortie subit une diminution en 41, la mo- dulation d'amplitude du signal reçu n'a donc pas été éliminée par le circuit.
Conformément à l'invention, on fait varier la pente du tube 10, auto- matiquement en fonction de la valeur de l'enveloppe du signal au moyen d'un
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artifice qui constitue une particularité de l'invention. Il consiste à faire dé- croître le potentiel de grille écran quand l'amplitude de la tension d'entrée croît et inversement; cet asservissement étant obtenu au moyen d'une résistance 27 et d'une capacité 28.
Il est bien connu que, si dans une penode, le potentiel de la grille de commande varie, les courants de grille et d'anode varient corrélativement, par conséquent, si la polarisation négative de la grille 12 augmente, le courant absorbé par le circuit de la grille-écran à travers la résistance 27 diminue; la chute de tension aux bornes de la dite résistance 27 diminue corrélativement et la tension de grille-écran augmente et tend à se rapprocher de celle de la source d'alimentation 23-24. De même, si le potentiel de la grille de commande 12 augmente dans le sens positif, celui de la grille écran diminue.
On sait que toute variation du potentiel de la grille écran entraîne une variation de même sens de la pente du tube. Par conséquent, si la grille- écran 13 devient plus positive, la pente du tube 10 augmente, en d'autres termes la résistance anode-cathode du tube 10 diminue si bien que le potentiel négatif de la grille de commande 12 doit croître pour atteindre le point pour lequel le courant plaqque s'annule. Par conséquent, l'axe B-E ,Fig.2, se déplace vers le bas quand augmente le potentiel de grille-écran. En considérant les courbes 30, 32 et 33, on voit que tout se passe comme si l'axe B-E se déplaçait vers le bas quand on augmente l'amplitude du signal, de telle sorte que les aires embrassées par les courants de courant pulsatoire entre les crêtes 31 et l'axe B-E sont sensiblement constantes dans tous les cas.
La courbe 60 de la Fig.4 représente la variation de la pente du tube 10 en fonction de l'amplitude du signal consé- cutivement aux variations de potentiel de grille-écran.
Comme on l'a dit précédemment, la capacité 20 est relativement faible dans le but de permettre au potentiel de la grille-écran de suivre l'enveloppe de la court du signal jusqu'aux fréquences les plus élevées que l'on doit éli- miner du circuit d'utilisation. A titre d'exemple, si le circuit de la fig.1 est utilisé comme limiteur d'amplitude dans un récepteur pour les ondes modulées en fréquence par des signaux audibles, la constante de temps du circuit résis- tance-capacité 27-28 doit être suffisammentdfaible pour que le potentiel de lâ grille-écran varie à fréquence audible.
Par conséquent, les variations de la ten sion du signal d'entrée dues aux parasites industriels ou atmosphériques, dont la) fréquences sont comprises à l'intérieur de la bande de signalisation basse fré
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-quence, comme le montrent les pointes de la Fig.5 ar exemple, engendrent les variations corrélatives correspondantes du potentiel de la grille-écran comme le montre la courbe 43 de la fig.7 Il en résulte que les pointes négatives de la composante fondamentale du courant de plaque, visibles en 41, Fig.6, sont pratiquement éliminées, et l'amplitude du courant de plaque est pratiquement constante, comme on peut le voir Fig.8.
Si la compensation était parfaite, la courbe de la Fig.3, qui repri- sente la composante fondamentale du courant de plaque, en l'absence de toute compensation, serait représentée par la ligne pointillée 52, ce qui signifie que le courant de plaque resterait rigoureusement constant, indépendamment de l'enveloppe du signal, aussi longtemps que son amplitude serait supérieure au niveau minimum de signalisation. En général, cette limitation parfaite ne peut être atteinte, mais elle est susceptible d'une grande approximation.
La compo- sante fondamentale du courant de plaque peut être représentée par la courbe 53 de la Fig.3 par exemple, sur laquelle on notera que la partie gauche est sensi- blement sous compensée et la partie droite légèrement surcompensée puisque la dite courbe 53 n'est pas linéaire, ce qui est dû au fait que l'action compensa- trice est la résultante de plusieurs variables indépendantes et non linéaires, qui ne sont pas des fonctions identiques du potentiel de grille de commande.
Le courant de grille-écran varie sensiblement comme la puissance 3/2 du poten- tiel de grille de commande et le courant de plaque suivant une loi légèrement différente.
Si la valeur de la résistance 27 dépasse la valeur optima, le circuit peut être considérablement surcompensé, comme l'indique la courbe 53' de la Fig.3. L'expérience a montré que l'efficacité de cette limitation varie consi- dérablement selon la nature des fluctuations d'amplitude à éliminer. Elle est plus grande pour les faibles variations que pour les tensions parasites à forme d'onde pointue, telles que celles fournies par l'étincelle d'allumage des mo- teurs. Toutefois, même dans les conditions les plus mauvaises on peut raison- lablement s'attendre à une amélioration de l'efficacité de la limitation, au moins double, quand la pente du tube 10 varie, conformément au principe même de l'invention, tel qu'il a été expose précédemment. Dans bien des cas,l'amé- lioration est beaucoup plus considérable.
C'est ainsi que, dans des essais de laboratoire, on a constaté que quand la tension du signal était modulée en am plitude, à 50 %, par une tension sinusoïdale de fréquence 400, l'efficacité de la limitation était accrue de 45 fois quand la capacité 28 était réduite de @
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On voit que l'invention permet de réaliser un circuit limiteur d'am- plitude de construction simple et d'un fonctionnement efficace, A titre d'exem- ple n'ayant aucun caractère limitatif quant à l'esprit de l'invention, on donne- ra quelques valeurs de constantes du circuit, qui ont donné des résultats satis- faisants dans un récepteur superhétérodyne à modulation de fréquence.
Le tube 10 était une pentode 6SJ7 et les circuits 16, 17, 20, 21 étaient accordés par une moyenne fréquence d'environ 2,1 Me/s Les valeurs des résistances étaient les suivantes :
Résistance 18 330.000 ohms
Résistance 22 ..... 2.200 ohms
Résistance 27 100.000 à 300.000 ohms.
Les valeurs des capacités étaient les suivantes :
Capacité 10 22 mmf.
Capacité 28 ..... 15 mmf.
Capacité 25 0,05 mf
La valeur optima de la résistance 27 était, connue on l'a dit précédem- ment, déterminée expérimentalement. Elle variait légèrement selon le type de perturbations à éliminer, bien que les valeurs précitées aient donné satisfac- tion.
On notera que l'étude précédente n'est donnée qu'à titre indicatif et que certaines hypothèses ont été faites en ce qui concerne la forme des ondes et les conditions de fonctionnement, dans le but de simplifier l'exposé. Les pro- priétés électriques du circuit sont incontestablement plus emnplexes et l'action compensatrice peut être considérée comme résultant de plusieurs variables indé- pendantes non libires Toutefois, l'expérience a démontré l'efficacité du cir- cuit conforme à .'invention et ses possibilités d'application.
Bien que la description précédente fasse allusion à l'utilisation d'une pentode dont la pente est commandée par les variations du potentiel de grille-écran, on conçoit que les mêmes résultats puissent être obtenus en rem- plaçant par exemple le tube 10 par un tube à grille-écran ou par un tube multi- grille, dans lequel le potentiel de compensation pourrait être appliqué à toute autre grille que la grille-écran.
Bien qu'on ait représenté et décrit une seule forme de réalisation de l'invention, il est bien évident qu'on ne désire pas se limiter à cette forme particulière, donnée simplement à titre d'exemple et sans aucun caractère res- tricitif et que, par conséquent, toutes les variantes ayant même principe et
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même objet que les dispositions indiquées ci-dessus rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.