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AMPLIFICATEURS TEERMOIONIQUES ET TUBES A DECHARGES
Y RELATIFS.
' La présente invention concerne des amplificateurs thermioniques du type dans lequel les rôles normaux de la cathode et de la grille ont été intervertis, pour éviter notamment des difficultés de stabilisation et de neutrodynatidn aux fréquences élevées.
Il- est bien connu de réaliser la neutrodynation d'un etage amplificateur excité par les filaments, non pointau moyen de condensateurs de neutrodyne, mais au moyen d'une réactance insérée dans le circuit de grille à la place du court-circuit direct à la masse. Le courant réactif entrant dans l'étage ne dépend plus alors de la tension alternative de plaque, ce qui est une condition nécessaire pour éviter toute modulation de phase dans l'étage amplificateur.
Il peut cependant devenir nécessaire, avec un tel montage, pour obtenir un fonctionnement stable et éviter la génération évnetuelle d'oscillations parasites, d'insérer des charges convenables
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dans les circuits de plaque et de filament. L'introduction de résistances de charge dans le circuit de filament entraîneune dissipation de puissance qui est parfois'utile, comme c'est le cas dans les émetteurs de télévision, mais qui peut devenir gênante, par exemple dans les circuits d'émetteurs radioélectriques à refroidissement par air.
D'autre part, ces résistances font perdre le gain de rendement des étapes à excitation par les filaments sur les étages classiques, dû au fait qu'il n'est plus indisoensable dans les amplificateurs inversés de charger le circuitde grille.
La présente invention a en conséquence pour objet de prévoir des moyens pour assurer un fonctionnement stable d'un emelificateur inversé, neutroayné par réactance de grille, sans avoir à aissiper de puissance dans aes résistances de cathode.
Un autre objet de l'invention est de prévoir ae tels éta.ges amplificateurs, et des structures de tube à décharge pour ces étages, de manière à obtenir les conaitions précédentes tout en utilisant les tubes à décharge à leur rendementcotimam.
Selon certaines caractéristiques de l'invention, en consé- quence, les tubes à décharge utilisés da.ns un amplificateur inversé, neutrodyné par réacta.nce de grille, sont établis de manière que le rapport des capacités internes filament-grille à filament-plaque soit supérieur au rapoort des tensions .Jlternatives filament-plaoue à fi- 1,,ment-grille de fonctionnement normal. Avec de tels tubes, aucune résistance additionnelle n'est nécessaire dans le circuit de cathode de l'amplificateur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, ce rapport des ca,pacités internes de tube à décharge peut être réalisé par réduction de la capacité filament-plaque parasite du tube, pur exemple au moyen a'une extension du bobinage de grille dans la région des supports de grille et de filament, ou par toute autre disposition constructive du tube réalisant la, diminution de la capacité filamentplaque.
L'invention sera exposée en détail dans la description sui-
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vante, donnée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 représente un schéma d'amplificateur neutrodyné, excité par les filaments, et de l'étage excitateur correspondant ; .La, figure 2 représente le schéma électrique équivalent à un étage inversé neutrodyné par réactance de grille, et dont les circuit; 6'entrée et de sortie,sont accordés; dans cette figure, d'ailleurs, un seul tube de l'étage symétrique de la figure 1 est représenté selor la convention ordinaire, et,
La figure 3 représente un exemple de structure de tube à décharge mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention.
Dans la figure 1, l'étage amplificateur inversé A comporte deux tubes à vide en montage symétrique VI et V2, excités par les filaments par l'étage E; le circuit de filament, accordé par les conden- sateurs C3 et C4, est constitué par exemple par des lignes de transmission TL1 et TL2, dont la longueur est égale au quart de la longueur d'onde de travail. La neutrodynation de l'étage amplificateur A est assurée par la réactance de grille 2Z. Le circuit plaque accordé est constitué par exemple par un circuit résonnant LC.
L'étage d'excitation E est indiqué, sous forme d'un étage symétrique V3-V4, neutrodyné par des condensateurs en croix Cn; en L1'C1 est indiqué le circuit accordé de grille, en L2-C2, le circuit accordé 'de plaque de cet étage E
Sur la figure 2 est représenté le schéma électrique équivalent de l'étage amplificateur A, limité à un seul tube à vide, selon la représentation usuelle. Sur cette figure, on a représenté les capa. cités internes du tube Cfg entre filament et grille, Cgp entre grille et plaque et Cfp entre filament et plaque.
Z est la réactance ou self. inductance de grille, ep et eg désignent respectivement les différence: de potentiel alternatif plaque-filament et grille-filament, et e, la force électromotrice d'excitation alternative produite par l'étage E, R1 et.% représentent les résistances de filament ét de plaque constituées par les circuits accordés d'entrée et de sortie de l'étage ampli. ficateur. '
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Pour neutrodyner cet étage amplificateur, il est nécessaire conime bien connu, de donner à l'inductance Z la valeur :
EMI4.1
Tl x2 - - [1'" f2 + f13 ..'=C ii = iiJ-ç- r 2 = -jw'-ëgp - 4 ¯J c, Cp Lorsque la résistance Z satisfait à cette condition, il y a indépendance entre le circuit d'entrée et le circuit de sortie au point de vue des courants réactifs. Autrement dit, en l'absence de courapt électronique dans les tubes, le courant dans le circuit ae sortie de l'étage amplificateur A est indépendant de la. tension aux bornes au circuit d'entrée, et réciproquement. On évite ainsi une modulation de phase nuisible.
Mais dans le cas d'un amplificateur inverse, cette conditior générale de neutralité n'est pas suffisante pour assurer la stabilité de 1'étapge à la. fréquence de fonctionnement. En effet, les courants qui circulent dans les capacités internes et dans l'inductance entre grilles créent une réaction qui peut entrafner une auto-oscillation, même sur la fréquence pour laquelle l'étage a été neutrodyné. Il est nossible de montrer, d'après le schéma, de la figure 2, qu'une condition pour que l'étage ne puisse entrer spontanément en oscillation sur la, fréquence de fonctionnement est a'avoir :
EMI4.2
ffip + D + n/SR2 RT+R#-###### S.
(1) 1 + D - MC - >/ 0 Dans cette formule, D représente la transparence de grille du tube à décharge utilisé et S, sa. pente, n est un nombre qui dépend de la classe du régime de fonctionnement (A, B ou C), mp etmc désignent les rapports de capacités suivants :
EMI4.3
Cfp Cfp mp = - 3-- e t t = - C ;ro fz Cgp La. condition (1) peut s'établir en calculant la résistance présentée par le tube de l'étage amplificateur à l'étage excitateur; cette résistance est trouvée égala à :
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EMI5.1
m D + n/S% p = + Eg -P####### l+D--mc
On voit, d'après la relation (1), qu'on peut obtenir la stabilité de l'étage en donnant au circuit de filament une résistance R1 suffisamment grande pour vérifier l'inégalité. Cette valeur de résistance peut être réalisée en disposant des résistances additionnelles dans le circuit de filament de l'amplificateur. Toutefois, ces résistances dissiperont de la puissance, ce qui peut être indésirable, dans le cas des émetteurs à refroidissement par air par exemple. D'autre part, le gain de rendement de l'amplificateur inversé sur l'amplificateur classique est ainsi perdu, du fait de la puissance supplémentaire dissipée dans le circuit filament.
Il est également possible d'utiliser, comme résistance de filament R1 la résistance interne de la source d'excitation e, mais cette résistance est variable avec les conditions de. fonctionnement de l'éta.ge excitateur E. Enfin, la valeur de R1 dépendra essentielle. ment du rapport de transformation du circuit de couplage disposé entre l'étage d'excitation E et l'étage d'amplification A.
Il serait donc utile de réaliser-la, condition (1) quelle que soit la valeur de R1. Il suffirait pour cela que cette condition soit réalisée pour R1 nu1, et que par suite, on ait :
EMI5.2
Cf n -- + Du ## 0 (3) fg S± /
Cette condition serait réalisable en chargeant le circuit plaque à un degré suffisant pour que l'impédance entre plaques R2 ait une valeur assez faible pour vérifier l'inégalité (3). Mais cet- te voie est également limitée par des considérations de rendement car, si l'impédance entre plaques prend une valeur trop faible, il-ne se- ra plus possible d'obtenir de l'étage amplificateur le maximum de puissance que peuvent fournir les tubes à vide utilisés.
La relation (3) peut en effet se mettre sous une autre for- me qui ne dépend que des conditions de fonctionnement interne des lampes. Cette relation signifie que la résistance présentée par les tubes Vl et V2 à l'étage excitateur.E est positive.
Or, si on suppo-
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se établi un régine de fonctionnement en amplificateur tel que lu. tension filament-grille et la tension filament-plaque aient prie lés -va- leurs eg et ep, la résistance présentée à l'étage excitateur se calcule aisément et peut s'écrire!
EMI6.1
- -e9 + mp ap -eg + (1-îuc,)ep Cette résistance est égale à celle qui a. été précédemment calculée en admettant que la, caractéristique du tube est linéaire, o'où une relation équivalente à la relation (3)
EMI6.2
- e. + mp 0 (4) p or, il y a. intérêt à utiliser un tube de puissance dans des conditions telles qu'il fournisse le maximum de puissance compatible a.vec sa.
tension continue de plaque, son courant de saturation et la puissance dissipable sur ses électrodes. Ces conditions de fonctionnement sont bien déterminées, pour un tube donné, et il est 'cessible de définir une tension .Alternative filament-grille optimum ago etune tension alternative filament-plaque optimum epo corresponoant aux meilleures conditions de fonctionnement.
Pour que la condition de stabilité (3) puisse être realisée en même temps que les conditions de fonctionnement, optima des tubes à vide utilisés, il sera. donc nécessaire que les tensions epo et ego satisfassent à la. relation (4) oui s'écrit, en introouisunt les va.leur; absolues:
EMI6.3
7,-o 1 .g-.21 (5) , -,< 1 O
Donc, pour qu'un stage amplificateur inversé, neutrodyné par réactance entre grilles, puisse fonctionner de manière stable, svec un rendement cptimum, quelle que soit la.
résistance interne de l'étage d'excitation, et sans résistances additionne Iles dans le circuit de filament, l'invention prévoit d'établir les tubes à décharge utilises dans cet étage amplificateur pour qu'ils prèsentent un rapport des ca- pacités internes lié ou rapport des tensions optioma ae fonctionnement
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par la relation (5). A cet effet, il est prévu selon certaines caractéristiques de l'invention, d'agir sur les capacités internes aes tubes à décharge sans modifier les tensions optima. Il est notamment prévu de réduire la capacité filament-plaque ae manière à satisfaire' à. la relation (5).
Une telle mise en oeuvre de l'invention est rendue possible du fait que les capacités internes des lampes sont composées de deux portions distinctes : l'unerésulte de la capacité entre les parties dites actives des électrodes, c'est-à-dire situées dans la région où le filament est chaud, l'autre, appelée capacité parasite, provient des supports et des prolongements des électrodes. C'est le rapport des capacités filament-plaqué et grille-plaque de la, région active qui est égal à la transparence de grille D.
Il en résulte que, dans un tube idéal, sans cana,cités parasites, les relations (3) et (5) seraient automatiquement vérifiées car alors :
EMI7.1
--# + D = 0 (6) cgp ET, dans un étage inversé qui utiliserait de tels tubes, la neutralisation par inductance entre grilles réaliserait en même temps la stabilité de fonctionnement.
Dans les tubes à vide industriels, notamment dans les tubes de puissance, la, relation (6) est loin d'être réalisée. A titre d'illustration, dans un tube caractérisé par l'ensemble de valeurs suivant :
EMI7.2
= 18,4 /"/ , cfp z¯ 3,8 /U/UF Cgp = 18,6 lu/uF' et D= 1/34 le. rapport des capacités considéré est Cfp / Cfg = 1/5.
Dans un autre tube caractérisé par les valeurs :
EMI7.3
cfg = 18 /u/u' Cgp = 37 /u/uF , Cfp = $ /u/uF D = 1/50 le rapport des capacités est Cfp / Cfg = 1/9.
Dans le tube représenté en coupe, sur la figure 3, par exemple, la capacité parasite par rapport à la plaque ou anode P des bar-
EMI7.4
reaux de support de filament S est grande devant la capa,citë filamentt plaque de la région active F. On peut s'en rendre aisément compte en
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calculant la capacité filament-plaque de la région active F des filaments.
Si la cana.cité filament-grille dans les régions actives F du filament etG de la grille est Cfg/2 9,2 /u/uF, la capa,cité théorique entre les régions actives de plaque P et de filament F est 9,2/34 soit 0,25 /u/uFet la cana,cité parasitè est 3,3- 0,25 soit 3,55/u/uF Il est d'ailleurs facilement compréhensible que, aans les tubes conventionnels destinas à des amplificateurs excités par la grille, au- cune précaution particulière ne soit prise pour recuire la capacité filament-plaque, car celle-ci intervient proportionnellement bien peu aa,ns la. capacité totale du circuit de sortie qui dépend surtout de la. capacité grille-plaque.
Dans les tubes/mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention, au contraire, et destinés a.ux amplificateurs inversés neutrodynés par réactance de grille, il est import nt oe réduire la capacité filament-plaque afin de réaliser la relation ae stabilité (3) et de serapprocher de la conoition idéale (6). Un moyen de oiminuer fortement cette capacité parasite consiste, comme représenté à titre d'exemple sur la figure 3, à prolonger le bobinage de grille en G' sur les nontants M de la grille aa.ns la région des supporta de filament S. Cette disposition constructive conouit bien à une légère ugmentation de la capacité filament-grille mais cette augmenta*. tion estd'un ordre de grandeur faible, par exemple 10 % environ de la capacité filamentgrille.
Par cette disposition, on agit dans le sens exigé par la relation (5) sans modifier les caractéristiques électriques du tube, donc sans changer les tensions optima. du second membre de cette relation.
Dans des variantes de réalisation, il est également prévu, selon certaines caractéristiques de l'invention, d'assurer cette réduction de capacité filament-plaque de toute manière convenable bien connue, par exemple par un choix approprié des distances entre électrodes, par adjonction d'électrodes écrans supplémentaires, etc...
D'autres modifications et adaptations-encore peuvent être envisagées sans sortir du domaine de l'invention.