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Dispositif régulateur de tension.
La mesure ou le réglage d'une tension.présente parfois des difficultés, lorsque les bornes d'alimentation de l'appareil de mesure ou de réglage appelé ci-après "dispositif auxiliaire", donc les bornes auxquelles il y a lieu d'appliquer soit la ten- sion à mesurer ou à régler, soit une tension proportionnelle à cette tension, ne peuvent être reliées directement aux bornes en- tre lesquelles règne la tension à mesurer ou à régler, par exem- ple, parce que l'une des bornes d'alimentation est reliée à un point appelé ci-après "point fixe" se trouvant à un certain po- tentiel'par rapport aux bornes de la tension à mesurer ou à régler.
Cette difficulté se présente entre autres lorsque l'une des bornes d'un voltmètre est mise à la terre et que l'on veut mesurer à l'aide de cet appareil la tension d'une source de cou- rant ou d'un .appareil consommateur à point central mis à la terre.
En courant alternatif,la difficultépeut être résolue par l'em- ploi d'un transformateur de séparation, mais en courant continu, il faut nécessairement utiliser d'autres moyens.
Bien que, pour la mesure d'une tension continue, on uti- lise bien souvent un amplificateur de courant continu, la difficul- té subsiste car le circuit d'entrée et le circuit de sortie de tels amplificateurs comportent une borne commune.
L'invention concerne un 'dispositif pour la mesure ou le réglage d'une tension continue qui ne présente pas cette diffi- culté. Dans ce dispositif, la grille et la cathode d'un tube amplificateur (tube a décharge à vide poussé et à électrode de com- mande) sont reliées aux points entre lesquels règne une différen- ce de potentiel fonction de la tension à mesurer ou à régler. Le circuit anodique de ce tube amplificateur comporte un élément au- quel on transmet les va.riations de la tension à mesurer ou à ré- gler. La borne du dispositif auxiliaire, non en contact avec le point fixe, est reliée à cet élément de manière que celui-ci fasse partie du circuit extérieur reliant'entre elles les bornes d'ali- mentation du dispositif auxiliaire.
Le dispositif auxiliaire n'est donc pas monté en série avec l'élément considéré dans le circuit anodique du tube amplificateur, mais le circuit du courant anodi- que et le circuit extérieur du dispositif auxiliaire comportent un élément commun aux bornes duquel se produisent des variations de tension égales ou proportionnelles aux variations de la tension à mesurer ou à régler.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être
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réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.
Les figures 1 et 2 servent à expliquer le problème résolu par l'invention, tandis que les autres figures représentent des schémas de montage d'exemple d'exécution du dispositif conforme à l'invention.
La fig.l représente un schéma de montage dans lequel une impédance 1 est traversée par un courant continu, de sorte qu'entre les bornes A et B se trouve une différence de potentiel V. Le point 2 de l'impédance est mis à la terre. Par rapport aux bornes A et B, ce point se trouve respectivement aux potentiels Va et Vb.
Le problème consiste à mesurer la tension V à l'aide d'un voltmètre 3 dont l'une des bornes est mise à la terre, de sorte que cette borne est reliée au point fixe 2. La borne du voltmètre mise à la terre ne peut donc être reliée directement à l'une des bornes de la tension a mesurer, car on court-circuiterait alors la partie de l'impédance comprise entre la dernière borne mentionnée et le point fixe 2. On ne peut donc mesurer directement que l'une des tensions Va ou Vb mais les indications de l'appareil de mesure ne peuvent être utilisées pour la détermination de la tension totale V égale à la somme algébrique des tensions Va et Vb que lorsqu'on est certain que la tension Va est toujours égale ou, au moins proportionnelle, à la tension Vb.
Les exemples traités par la suite prouveront que cette condition n'est pas toujours satisfaite.
Si, comme représenté sur la fig. 2, on monte entre le voltmètre 3 et les bornes de la tension à mesurer un amplificateur de courant continu 4, un tube à décharge à vide poussé et à électrode de commande, avec les accessoires requis, on ne peut mettre à la terre l'une des bornes de l'instrument de mesure 3, car conime c'est représenté en pointillés, dans de tels amplificateurs l'une des bornes d'entrée est directement reliée à l'une des bornes de sortie étant donné que le circuit de la grille et le circuit de l'anode sont tous deux reliés à la cathode.
La fig. 3 montre comment l'invention permet de résoudre cette difficulté. La cathode 5 d'un tube amplificateur 6 est reliée à la borne négative B de la tension à mesurer tandis que la grille 7 de ce tube est reliée à la borne positive A en passant par une source de tension 8. La grille et la cathode sont donc reliées à des points entre lesquels règne une différence de potentiel fonction de la tension à mesurer, dans le cas considéré, égale à la tension à mesurer elle-même.
Le circuit anodique du tube comprend une source de courant 9 et une résistance 10. L'intensité du courant anodique varie à mesure que varie la tension de grille et cette variation du courant anodique entraîne aussi une variation de la chute de tension dans la résistance 10. La résistance 10 constitue donc un élément du circuit anodique auquel on transmet les variations de la tension à mesurer. La borne 11 du dispositif auxiliaire (l'appareil de mesure) 5 est reliée à la terre, donc au point fixe 2. La borne non en contact avec ce point est reliée à l'élément 10 inséré dans le circuit anodique du tube de manière que cet élément fasse en même temps partie du circuit extérieur qui relie les deux bornes d'alimentation 11 et 12 de l'appareil de mesure.
Ce circuit est constitué comme suit : la borne 11, la mise à la terre vers le point fixe 2, la partie de l'impédance 1 comprise entre le point fixe et la borne négative B, la résistance 10 et la borne 12.
L'appareil de mesure est donc soumis à la somme de deux tensions, à savoir la chute de la tension dans la résistance 10, @
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comportant les variations de la tension à mesurer V, et la tension Vb. Les variations de la tension Vb sont donc transmises une seconde fois à l'appareil de mesure. A première vue le montage ne satisfait donc pas aux conditions imposées. Cependant, l'erreur d'indication provoquée par l'action directe de la tension entre la borne B et le point fixe,2 sur l'appareil dé mesure est négligeable si l'amplification produite par le tube 6 est suffisante pour que les ..-variations de la tension Vb, appliquées directement, soient négligeables par rapport à celles empruntées de la résistance 10.
C'est ainsi que, dans la plupart des cas, une amplification de 100 fois suffira pour que les indications obtenues soient suffisamment précises. Bien souvent, il suffira même d'une amplification plus faible.
Par suite de cette amplification, la tension empruntée du dispositif auxiliaire et la tension à'fournir par la source 9 pourraient dans certains cas, devenir trop élevées pour l'utilisation courante. La fig. 4 montre comment on peut, d'une façon très simple, obvier à cet inconvénient.
Sur cette figure, 13, 14 et 15 sont les conducteurs d'un réseau à courant continu à trois fils, alimenté par deux génératrices 16a et 16b, montées en série, dont le conducteur de liaison est mis à la terre. Le fil neutre est désigné par 15, le conducteur.positif par 13, le conducteur négatif par 14.
Le problème consiste à mesurer la tension entre les conducteurs 13 et 14 en un point très éloigné du point d'alimentation à l'aide d'un instrument de mesure dont l'une des bornes est mise à la terre. Dans ce cas, il ne suffit pas de mesurer la tension entre l'un des conducteurs et la terre, car par suite des dérivations et de la charge irrégulière, les variations des tensions par rapport à la terre des conducteurs 13 et 14 ne sont pas nécessairement égales ni nécessairement proportionnelles, même s'il en était ainsi aux bornes des dynamos 16a et 16b.
Lorsqu'on applique à la grille du tube amplificateur la totalité des va- riations 'de tension égales par exemple à 20% de la tension nominale du secteur, et lorsqu'on applique ces variations, amplifiées 100 fois, à l'appareil de mesure cet appareil doit être conçu pour une tension au moins 20 fois plus élevée que la tension du secteur. Ceci constitue évidemment un inconvénient, mais on peut facilement y obvier en empruntant la tension de commande de diviseurs de tension, par exemple pour la borne positive d'un diviseur de tension qui relie le conducteur 13 à la terre et, pour la borne négative d'un diviseur 18 qui relie le conducteur 14 à la terre.
On obtient ainsi à nouveau un point fixe 2 qui, 'par rapport aux bornes de la tension à mesurer, se trouve aux potentiels Va et Vb et qui est relié à l'une des bornes d'alimentation du dispositif auxiliaire (l'appareil de mesure). La grille et la cathode du tube amplificateur 6 ne sont plus reliées aux conducteurs 13 et 14 mais aux points 19 et 20 des diviseurs de tension; ces points sont choisis de manière que le rapport de leurs potentiels par rapport au point fixe-2 soit égal à celui des tensions Va et Vb. Pour le reste le montage est identique à celui de la fig. 3.
La ,fige 5 montre une autre possibilité d'exécution du dispositif conforme à l'invention, aussi exempte de l'inconvénient d'une tension trop élevée sur l'appareil de mesure.
Tout comme dans l'exécution montrée sur la fig. 4, les bornes de la tension à mesurer sont reliées au point fixe 2 par l'intermédiaire de diviseurs de tension. La grille du tube amplificateur 6 est de nouveau reliée à un point 19 du diviseur de tension pour la borne positive mais, au lieu d'être reliée comme sur la fig. 4 à un point du diviseur de tension pour la @
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borne négative, la cathode est reliée ici au point 2 et ce, par l'internédiaire d'une résistance 21. Par contre, la source de courant anodique 9 est reliée à un point du diviseur de tension pour la borne négative, à savoir au point 22. De ce fait, la partie rb du diviseur de tension 18 se trouve, dans le circuit du courant anodique, entre les points 2 et 22.
La borne 11 de l'appareil de mesure 3 est de nouveau mise à la terre et se trouve en connexion directe avec le point fixe 2 tandis que la borne 12 est reliée au point 22. La partie rb du diviseur de tension 18 constitue ici l'élément commun du circuit et du circuit extérieur du dispositif auxiliaire, auquel on transmet les variations de la tension à mesurer. Les variations de tension Va sont empruntées de la partie ra du diviseur de tension 17 située entre les points 19 et 2 et sont appliquées à la grille 7 du tube 6. Les variations de la tension de commande provoquent des variations du courant anodique qui à leur tour provoquent des variations correspondantes de la chute de tension dans la résistance rb traversée par le courant anodique. Cette chute de tension comporte, de plus, les variations de la tension Vb.
Toutes deux sont donc ajoutées dans cette résistance et, pour autant que la résistance 21 et les points de dérivation 19 et 22 soient judicieusement choisis, les variations totales de la tension aux bornes de la résistance rb, agissant sur l'instrument de mesure, sont proportionnelles à celles de la tension totale V. Ce fait peut se prouver comme suit.
Lorsque la résistance 21 a une grandeur rc, le courant anodique ic du tube amplificateur 6 provoque dans cette résistance une chute de tension ic. rc. Le courant ia traversant le diviseur de tension 17 provoque dans la partie ra une chute de tension iara.' La tension de grille du tube 6 se compose donc d'une partie positive iara et d'une partie négatibe icrc. Le courant anodique du tube 6 se règlera à une intensité telle que ic.rc soit approximativement égal à ia.ra. Il est aisé de choisir les résistances de manière que la tension de grille résultante soit petite par rapport au produit ia.ra. Si l'on admet, pour faciliter l'exposé, que rc est égal à ra, ic devient égal à ia.
Le courant le provoque dans la résistance rb une chute de tension ic.rb = ia.rb. Cette résistance est aussi parcourue par un courant ib fourni par la, tension Vb. La chute de tension vb dans la résistance rb est donc: vb = ia.ra + ib.rb.
Si l'on pose la résistance du diviseur de tension 17 égale à Ra et celle du diviseur 18 égale à Rb, on a
Vb = ia. Ra + ib. Rb donc
EMI4.1
Vb ¯ ia. rb ib Rb Rb ou comme
EMI4.2
ia = Va Ra Vb Va. xb ib - Rb Ra.Rb On peut donc écrire pour Vb
EMI4.3
Va Va.rb2 Vb Vb = - rb -####+ - - rb Ra Ra.Rb Rb
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Lorsqu'on choisit
Ra = Rb = R1 on obtient
R R
R
Comme, d'une façon générale, R sera très grand par rapportà rb, le terme précédé du signe moins sera généralement négligeable par rapport à V, de sorte que les variations de la chute de tension,dans la résistance rb transmises à l'appareil de mesure 3.sont effectivement proportionnelles à celles de la tension à mesurer V entre les conducteurs 13 et 14.
Cependant, pour obtenir une indication exacte il suffit d'appliquer à rb une plus grande fraction des variations de Va que des variations de Vb en reliant la borne 12 de l'appareil de mesure au diviseur de tension 18 non pas au même point que le pôle négatif de la batterie 9 mais,comme indiquépar des pointillés sur la fig.5, en un autre point 23. Plus grande est la distance du point 23 au point fixe 2, plus grande sera l'influence exercée par la tension Vb sur les indications de l'appareil de mesure.
Le fait que dans le dispositif montré sur la fig. 5, on ne transmet à l'appareil de mesure qu'une fraction des variations de tension peut parfois inciter à équiper ce dispositif d'un second tube amplificateur- Une façon très simple de monter ce second tube consiste à le placer entre les deux diviseurs de tension, en série avec le premier tube amplificateur. Comme montré sur la fig. 6, l'anode de ce second tube 24 est alors reliée au point fixe..Par l'intermédiaire d'une source de tension 26, la grille 25 du tube 24 est reliée à un point 27 du diviseur de tension pour la borne négative. Le second point de connexion dù dispositif auxiliaire (le premier est comme toujours le point fixe) est ici la cathode du tube 24.
Dans ce cas,, l'élément du circuit anodique du premier tube amplificateur inséré dans le circuit extérieur reliant les bornes d'entrée du dispositif auxiliaire n'est pas une résistance normale mais un tube à décharge.
La fig: 7 montre un exemple d'un dispositif conforme à l'invention dans lequel le dispositif auxiliaire sert non pas à mesurer une tension mais àrégler cette tension de sorte qu'elle varie d'une manière déterminée ou bien qu'elle reste constante. Il s'agit ici d'un tube régulateur, un tube à décharge à vide poussé et à électrode de commande, monté en série avec un appareil consommateur dont-la tension doit être modulée de manière que le potentiel de la cathode diffère de celui de la borne négative de l'appareil consommateur.
Pour ce montage, l'invention est particulièrement intéressante car une exécution symétrique du dispositif auxiliaire ne permet pas d'éliminer les difficultés dont il a été question dans le préambule,et de plus, le- tube régulateur se trouve dans le circuit de courant lui-même et absorbe une assez grande tension variable de sorte que Va et Vb ne sauraient être égaux ni proportionnels.
Sur la fig. 7, une source de courant 31 alimente par l'intermédiaire d'une triode 33 un appareil consommateur 32. Les-bornes d'alimentation du dispositif auxiliaire pour le réglage de la tension appliquée à l'appareil consommateur sont reliées ici à la grille 34 et à la cathode 35 de la triode 33. La cathode 35 est reliée à la borne négative 36 de la source de courant, donc à un point qui présente par rapport aux
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bornes a et b de la tension à régler des différences de potentiel Va et Vb. Dans ce cas, Va est la tension aux bornes de la source de courant 31 et Vb la chute de tension aux bornes de la triode régulatrice 33. Le point fixe est ici la borne négative 36 de la source de courant 31.
Pour la borne positive A de la tension à régler, on a prévu un diviseur de tension 17 et pour la borne négative B un diviseur de tension 18. Un tube amplificateur 6 est relié à ce diviseur de tension de la même manière que sur la fig. 4. La borne d'alimentation du dispositif auxiliaire non en contact avec le point fixe 36, à savoir la grille 34, est reliée, par l'intermédiaire d'une source de tension 37, a la résistance 10 de manière que cette résistance soit insérée dans le circuit extérieur reliant les deux bornes d'alimentation du dispositif auxiliaire, tout comme sur la fig. 4.
Les tensions va et vb, dont la somme algébrique forme la composante positive de la tension de grille du tube 6, sont ici de sens opposés et la composante positive est donc égale à la différence entre les valeurs absolues de va et de vb.
Le même montage peut être utilisé lorsqu'une force électromotrice agit aussi du côté anodique du tube régulateur.
La source de courant peut consister par exemple en deux génératrices 31 et 39 montées en série, dont la dernière est indiquée en pointillé sur la fig. 7. Dans certains cas, ce montage est préférable à celui d'un tube régulateur directement relié à l'appareil consommateur. C'est ainsi qu'il peut être désirable de mettre la cathode 35 à la terre alors que la mise à la terre d'une des bornes de l'appareil consommateur ou d'une des bornes de la source de courant susciterait des difficultés, par exemple parce que l'autre borne ne peut supporter la tension complète de l'appareil consommateur ou de la source de courant par rapport à la terre. Dans ce cas, on monte la triode entre les deux parties de la source de courant. La mise à la terre de la cathode 35 est indiquée sur la fig. 7 en pointillé.
Le montage représenté sur la fig. 7 peut servir à régler ou à maintenir constante une tension élevée, par exemple la tension d'un tube à rayons X ou celle d'un appareil pour l'essai des isolateurs. L'utilisation d'une source de tension 37 à force électromotrice variable permet de modifier la tension V régnant entre les bornes A et B. Cette dernière tension est, entre de très larges limites, proportionnelle à la tension de la source 37, quelle que soit la tension de la génératrice 31 ou des génératrices 31 et 39. Lorsque la source 37 fournit une tension constante, la tension V reste constante, même lorsque la tension de la source de courant varie. Ceci est particulièrement intéressant lorsque la source de courant est constituée par un condensateur ou par une batterie de condensateurs.
Le montage représenté sur les figs. 5 et 6 convient aussi dans un dispositif régulateur tel que montré sur la fig.7.
L'invention s'applique aussi au réglage d'une tension à l'aide d'autres dispositifs auxiliaires, des régulateurs élec- tromagnétiques par exemple, dont l'une des bornes est reliée soit par une aise à la terre soit d'une autre manière à un point présentanttoujours une certaine différence de potentiel tant par rapport à la borne A que par rapport à la borne B.