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PERFECTIONNEMENTS A LA PRODUCTION ET A L'AMPLIFICA- TION DES IMPULSIONS ELECTRIQUES DE COURTE DUREE.
La présente invention se rapporte à des perfectionne- ments à la production et à l'amplification des impulsions élec- triques de courte durée.
Dans la signalisation par impulsions ou dans l'utili- sation d'impulsions pour la détection des obstacles, la déter- mination des hauteurs etc ... il est possible de concentrer dans chaque impulsion une énergie plus grande que dans le cas d'ondes entretenues. Plus la durée de l'impulsion est faible par rapport à la période de récurrence, plus grande peut être la concentration de l'énergie. Si, par exemple, chaque impul- sion a une durée d'un centimè de la période de récurrence,
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l'énergie instantanée susceptible d'être dissipée par un tube amplificateur ou générateur d'impulsions pendant lesdites impulsions est cent fois plus grande que l'é- nergie instantánée que le même tube peut dissiper pen- dant une transmission entretenue.
Pour obtenir une émission instantanée tres éle- vée, on augmente pendant la durée de l'impulsion, la tension de plaque, ce qui cause une augmentation simul- tanée du courant de plaque. L'énergie augmente ainsi suivant une loi à croissance plus rapide que celle de la tension.
Un problème important dans l'établissement des émetteurs d'impulsions consiste, par suite, dans la production de tensions de pointe très élevée pendant une période très courte, avec des débits de puissance considérable. conformément à l'une des méthodes les plus fréquemment adoptées, on intercale dans le circuit de plaque d'un tube une self-inductance de grande valeur et on alimente la grille du tube au moyen d'impulsions rectangulaires. A chaque impulsion, le courant de pla- que augmente rapidement et il atteint une valeur de pointe, après quoi il est coupé de façon abrupte.
L'énergie qui s'est accumulée dans la self-inductance se décharge alors dans le circuit formé par la capacité résiduelle et, si le circuit est correctement établi, on peut obtenir des impulsions apériodiques de tension et de puissance de pointe très élevées. Une pentode de .puissance normale de I KW donnera, par exemple, des tensions de pointe de 20.000 à 30.000 volts et des cou- rants de pointe de 15 ampères, pour des impulsions ayant une durée de 10 microsecondes. Ceci donne une puissance de pointe de 3oo à 450 KW.
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Par conséquent, pour obtenir ces énergies de sortie et ces ten- sions de pointe élevées, il est nécessaire que la grille soit très positive pendant l'émission de l'impulsion. D'autre part, la tension de grille doit tomber à des valeurs très négatives, pour qu'on puisse obtenir l'effet de coupure.
Le problème se pose donc de la constitution d'une source d'impulsions rectangulaires produisant des impulsions à flancs très raides à de hautes tensions, ladite source pré- sentant une impédance faible@
Il était d'usage, dans le passé, d'utiliser un géné- rateur d'impulsions rectangulaires à faible puissance et d'am- plifier lesdites impulsions au moyen d'une série de tubes connectés en cascade. Toutefois, il était nécessaire, dans de telles dispositions, d'utiliser des étages amplificateurs de puissance à courant de sortie important, qui n'était réellement nécessaire que pendant une faible fraction du temps. D'où un important gaspillage de puissance.
L'invention a notamment pour but la constitution d'un système amplificateur destiné à convertir des impulsions de ten- sion relativement faible en impulsions de tension élevée et de grande puissance développées dans un circuit à faible impédan- ce, grâce à l'usage d'un amplificateur à étages multiples, dont le premier étage est établi en vue d'amplifier la tension des impulsions le second et les étages suivants étant établis pour amplifier leur puissance, la tension restant pratiquement la même. Chaque étage comprend un ou plusieurs tubes électroniques actionnés de préférence à un grand nombre de fois leur puissance normale pendant la transmission d'une impulsion. En même temps, lesdits étages peuvent, de préférence, être disposés de manière à ne consommer qu'une faible puissance dans les intervalles entre impulsions.
Conformément à un mode de réalisation préfé- rée, également, les tubes peuvent être montés en cathodynes.
En outre, on peut obtenir une augmentation d'économie de puissance
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en alimentant les circuits de plaque des tubes avec une tension alternative, au lieu de les alimenter avec une tension continue.
L'invention a également pour objet un dispo- sitif de production d'impulsions rectangulaires utili- sant des tubes à faible puissance, de manière à produire des impulsions dont la puissance de pointe correspond à plusieurs fois la puissance des tubes.
Conformément a une caractéristique particuliè- re de l'invention, un système de production d'impulsions rectangulaires de courte durée à partir d'une source d'ondes sinusoïdales comporte un circuit de tubes élec- troniques destinés à convertir les ondes sinusoïdales en impulsions rectangulaires de tension élevée et de fai- ble puissance et des moyens d'application desdites im- pulsions à un ou plusieurs étages amplificateurs à tubes électroniques, disposés pour fonctionner comme amplifica- teurs de puissance et ne contribuant pas, pratiquement, à l'amplification de tension. Selon une disposition pré- férée, l'amplificateur de puissance comprend un ou plu- sieurs étages du type cathodyne.
Ces caractéristiques de l'invention et d'autres moins importantes seront mieux comprises à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des des- sins joints qui en représentent schématiquement, à titre d'exemples non limitatifs, deux modes de réalisation.
Les figures I et 2 sont les schémas de deux modes de réalisation de l'invention et les figures 3 et 4 sont des diagrammes de forme d'onde mentionnés dans la des- cription.
A,la figure I, la référence TI désigne une pen- tode, de préférence de faible puissance. VI et V2 sont des tubes amplificateurs qui peuvent comporter un nombre
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quelconque d'électrodes, mais qu'on a représenté, pour plue de simplicité, sous forme de triodes. Ces tubes peuvent être du ty- pe à cathode à chauffage indirect, comme représenté . pour plus de clarté, on a omis les circuits de chauffage. PI est monté en amplificateur ordinaire et les tubes VI et V2 sont connectés en cathodynes.
Si l'on applique une impulsion négative à la grille du tube PI, une impulsion positive apparait aux bornes de la résistance de plaque Rp. Cette impulsion est transmise à la grille du tube suivant VI .Le tube VI produit, aux bornes de sa résistance de cathode RI, une impulsion ayant pratique- ment la même amplitude que celle appliquée à la grille. De plus, comme la résistance de cathode peut être de bien plus faible valeur que la résistance de plaque précédente, Rp la puissance de pointe de l'impulsion produite par le tube VI peut être bien plus grande que la puissance de pointe des impulsions produi- tes par le tube précédent PI.
La puissance des impulsions est de nouveau amplifiée de la même manière grâce à la connexion de la grille du tube V2 à la cathode de VIet grâce à ce que la résistance de cathode R2 du tube V2 est beaucoup plus fai- ble que RI, la puissance de pointe des impulsions peut encore être augmentée sans variation appréciable de la tension. Il est clair que ce processus peut être répété autant de fois qu'on le désire. Avec deux tubes amplificateurs de puissance, comme représenté à la figure I, il est possible d'augmenter la puissance de pointe de l'impulsion cinquante fois, ou plus.
Pour obtenir un rendement de puissance élevé,le tube PI doit, de préférence, être une pentode à grande pente. Ses diverses grilles doivent alors être toutes voisines de la cathode et la plaque doit en être beaucoup plus éloignée. Il est donc possible d'appliquer à la plaque des tensions très élevées, sans agir sur le champ au voisinage de la cathode. En consé- quence, la surface émissive ne court aucun danger de se détériorer
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par suite de l'attraction violente de ses électrons, ou 'du bombardement par des ions positifs.
Comme on s'arrange pour que l'impulsion d'arrivée applique à la grille une tension négative, on peut rendre pratiquement nul le courant de plaque pendant l'impulsion .
De la sorte, la tension de plaque peut être très élevée sans dissipation d'une très grande puissance dans le tube,.
Pendant le reste du temps, cependant, un courant de pla- que passe, mais la dissipation d'énergie peut être limi- tée en donnant à la résistance de plaque RP une valeur suffisamment grande pour réduire la tension de plaque à une faible valeur.
Dans les étages amplificateurs de puissance, on utilise des tubes dans lesquels la puissance normale dis- sipée est de même ordre que la puissance moyenne dissi- pée par le courant de plaque pendant la transmission des impulsions. Ainsi, puisque lesdites impulsions n'ont qu' une très courte durée, la puissance de pointe dissipée par suite de courant de plaque pendant une impulsion quel- conque peut être faite égalé à un grand nombre de fois cette puissance moyenne. Par exemple, si les impulsions occupent I% du temps, la puissance instantanée dissipée dans le tube pendant la transmission d'une impulsion quel- conque peut être égale à cent fois cette puissance moyenne.
Four obtenir des impulsions à tension élevée,on applique à la plaque un potentiel beaucoup plus élevé que le potentiel normal, ce qui peut se faire, sans danger pour le tube: pour les raisons suivantes. Le tube ne four- nit de la puissance que pendant les périodes des impul- sions et le potentiel de la cathode s'élève pendant ces périodes. On s'arrange pour que la différence de poten- tiel entre la plaque et la cathode ne dépasse pas la
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valeur maximum admissible pendant la durée des impulsions.
De plus, les tubes sont en fonctionnement dans la région du courant grille, en un point de la caractéristique tel que le courant instantané de cathode soit bien plus grand, par exem- ple cent fois plus grand, que le courant normal. Pour y parve- nir, l'invention envisage l'utilisation de tubes à charge d'es- pace importante, ou à surface émissive ne se saturant pratique- ment pas, ou combinant ces deux caractéristiques. Par exemple, les cathodes à recouvrement d'oxyde ne se saturent pratiquement pas.
Les circuits de plaque de tous les tubes peuvent être alimentés en tension alternative, si les impulsions sont régu- lièrement répétées. La fréquence de ladite tension alternative doit être la même que celle des impulsions, ou qu'un de ses harmoniques et le potentiel appliqué à chaque plaque doit être maximum au moment des impulsions.
Cette disposition présente un avantage particulier lorsqu'elle est appliquée au premier tube. Elle augmente consi- dérablement le rendement en puissance du dispositif par suite de l'application du maximum de tension plaque seulement au moment.des impulsions. Le potentiel aux autres moments est plus faible, ou négatif et, de la sorte, la dissipation de puissance dans les tubes est réduite. Ce procédé sera expliqué en détail plus loin, à propos de la figure 2.
A la figure I, les résistances R4 et R5 shuntées par des condensateurs, sont représentées connectées dans les cir- cuits de cathode de VI et de V2. Lesdites résistances sont choisies de valeurs telles que les courants de plaque des tu- bes soient réduits à des valeurs très faibles pendant les intervalles entre impulsions, de manière à ce que la consomma- tion de puissance dans les tubes au cours desdits intervalles soit faible. Avec un montage du type de la figure I, il est possible de produire des impulsions de tension de pointe de 1'
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ordre de 1.000 volts aux bornes d'une impédance de 500 ohms -( c'est à dire une puissance de pointe de 2 KW.) à partir d'impulsions ayant une tension de pointe de quel- ques volts, en utilisant des tubes de puissance nominale ne dépassant pas 25 watts.
La figure 2 représente le montage d'un générateur d'impulsions sinusoïdales auquel ont été incorporées les caractéristiques spéciales décrites à propos de la figure I. Conformément à ces dispositions, un courant alternatif de fréquence égale à la fréquence de récurrence des impul- sions est applique à l'enroulement primaire d'un transfor- mateur T. Les enroulements secondaires alimentent les gril- les de deux pent,odes PI. P2. et ils sont de sens tels que les tensions qu'ils a-ppliquent aux grilles sont en oppo- sition de phase. Toutefois, un petit condensateur C permet de décaler légèrement ces tensions à partir de l'opposition de phase exacte.
Les enroulements secondaires du transformateur T fournissent des tensions très élevées, I.000 volts par exemple, de sorte que les tubes PI. P2. sont très brusque- ment saturés, mais chaque tension est transmise à la gril- le par intermédiaire d'une résistance très élevée RO qui limite la tension positive appliquée à la grille . Les ten- sions négatives sont également limitées par une diode D, qui connecte la grille à la terre, ou à tout autre point de potentiel stable, la cathode de ladite diode étant re- liée à la grille de la pentode et la plaque de la diode, à la terre à travers une résistance de polarisation RI.
Les plaques des deux pentodes sont reliées ensemble et alimentées à partir d'une source à très haute tension ( d'un à quelques milliers de volts) à travers une résis- tance RP.
Les pentodes PI. P2. sont de préférence des tubes
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à faible puissance, que l'on fait fonctionner à des tensions de plaque anormalement élevées. Comme expliqué précédemment, il est donc à désirer d'employer des pentodes à grande pente, dans lesquelles les trois grilles sont situées au voisinage de la cathode, la plaque étant à une distance relativement consi- dérable de la dite cathode.
Le fonctionnement de la partie du montage jusqu'à présent décrite va maintenant être expliqué avec référence aux diagrammes de forme d'onde de la figure 3.
A la figure 3a, on a représenté les deux ondes sinu- soïdales appliquées aux circuits de grilles. Ces ondes sont très légèrement décalées l'une par rapport à l'autre, à travers de l'exacte opposition de phase.
Une des ondes est représentée en trait fin à la figure 3b. Comme son amplitude est très élevée, une petite fraction seulement en est réellement transmise à la grille, le reste apparaissant aux bornes de la résistance RO, sous forme d'une chute de potentiel alternativement produite par le courant de grille et le courant de la diode. L'onde réellement transmise à la grille est représentée à la figure 3b en trait fort. Elle a la forme d'une série de trapèzes pratiquement rectangulaires, dont les pentes des flancs sont très raides si l'amplitude de l'onde est suffisamment grande.
Les courants de plaque II et 12 des deux pentodes prennent la forme de rectangles comme représenté aux figures 3c et 3d, en trait fort. Ces rectangles sont en opposition de phase, avec un léger décalage angulaire. Le courant résultant qui passe dans la résistance commune RP prend la forme repré- sentée par le trait fort continu à la figure 3e et on l'obtient en ajoutant ensemble les ordonnées des deux courbes des figures 3c et 3d. On voit que ce courant résultant a la forme d'impul- sions positives et négatives.
La tension de plaque a la forme inverse du courant
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résultant. Elle est maximum quand le courant est nul et minumum quand le courant est maximum, comme indiqué en 3f. Si par exemple, la tension appliquée à la résistance RP est de 2.000 volts, l'amplitude des impulsions peut être ( par exemple ) de 1.500 volts, si la valeur de la résistance RP a été choisie suffisau¯ment grande, compte tenu également du courant grille du tube suivant V, lequel n'est pas négligeable.
Si les tubes utilisés dans le type de montage qu'on vient de décrire fonctionnent à la manière habituel- le, la résistance RP devra être très grande, pour que la chute de potentiel à ses bornes due au courant de plaque soit suffisante pour produire l'amplitude d'impulsion désirée. De plus, comme la tension de plaque pendant les intervalles entre les signaux ( c'est à dire pendant en- viron 99% du temps) est, dans l'exemple qu'on vient de choisir, d'environ 1.000 volts, les tubes dissiperont une puissance considérable pendant presque tout le temps.
Ceci empêchera évidemment d'utiliser des tubes à faible puissance fonctionnant avec des tensions de plaque anorma- lement élevées, ce qui, d'autre part, serait à désirer.
!,,,,aisy si on applique une tension alternative à la résis- tance RP, au lieu d'une tension continue, ces objections peuvent être largement surmontées, car, par ce moyen, la consommation de puissance dans les intervalles entre im- pulsions peut être considérablement réduite, comme on va maintenant l'expliquer.
La tension alternative appliquée à la résistance de plaque RP est représentée à la figure 3g. Comme indiqué, elle doit être en quadrature avec les tensions appliquées aux grilles PI et P2 et elle doit être à son maximum posi- tif quand le courant de plaque résultant, comme représenté à la figure 3c, est nul. Aux figures 3c et 3d, les lignes
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en pointillé représentent les 'courants de plaque des tubes TI et T2 quand la tension alternative de la figure 3g est appliquée à la résistance RP, au lieu de la tension conti- nue.
La tension de pointe de l'onde-de la figure 3g est égale à cette tension continue et, comme la pointe se pro- duit en même temps que les impulsions, les courants II et I2 ont approximativement les mêmes valeurs à ce moment que lorsqu'on utilise des tensions continues. Comme la tension alternative tombe à zéro en des instants situés à mi-chemin entre les impulsions, les courants de plaque II et I2 doi- vent également tomber tous deux à zéro en ces mêmes instants et, en conséquence, ils doivent suivre les courbes en poin- tillé des figures 3c et 3d. Pendant une demi-période sur deux, quand la tension alternative appliquée est négative, le courant de plaque est nul.
Ainsi , le courant de plaque total IP = II + I2 qui passe dans RP prend la forme repré- sentée par les lignes pointillées de la figure 3e, obtenue en ajoutant les ordonnées des lignes pointillées des figu- res 3c et 3d. Les impulsions négatives aux demi-périodes intermédiaires disparaissent, car la tension de plaque est alors négative. En conséquence, le courant de plaque total est nul pendant la durée des impulsions positives et pen- dant la totalité des périodes pendant lesquelles la tension alternative appliquée est négative.
La tension de plaque est représentée à la figure 3h, où la ligne en pointillé représente la tension alter- native appliquée. La tension de plaque est négative ou maximum quand le courant de plaque total est nul et on peut lui faire prendre une valeur très faible, comme indiqué à la figure 3h, pendant la période où un courant passe, en rendant la résistance RP assez grande.
On voit aux figures 3c et 3d, que, lorsque les tubes fonctionnent avec une tension de plaque alternative,
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le courant de plaque de chaque tube, comme représenté par les lignes en pointillé, est nul, sauf pendant 1/4 de la période de l'onde de la figure 3g. De plus, le courant de plaque pendant ce 1/4 de période n'est pas constant, mais varie de façon continue depuis le maximum Il,±., jusqu' à zéro.
Le courant moyen pendant cette période peut donc être estimé comme très approximativement égal a IM/ #2 Ainsi, le courant de plaque moyen pendant toute une pério- de de la tension alternative sera approximativement de I m 4 #2 , soit environ I@6 . Ainsi, si IM est le courant de plaque maximum admissible pour une dissipation continue avec la tension continue normale ap- pliquée, un courant de plaque de 6 IM sera admissible avec une tension alternative appliquée. Ceci signifie que, pour produire la chute de tension désirée quand l'impulsion est reçue, la résistance RP peut être réduite à I/6 de la valeur nécessaire avec une tension de plaque continue appliquée.
La résistance RP est, de préférence, réglée com- me déjà mentionné, de sorte que, avec une tension de pla- que alternative, la tension de plaque pendant les instants où un courant de plaque passe, est beaucoup plus faible que la tension de plaque normale du tube. Ceci permet au courant de plaque d'être beaucoup plus élevé, pour la mê- me puissance moyenne dissipée. Par exemple, ce courant peut être au moins doublé ce qui lui donne une valeur de 12 IM. Lorsque le fonctionnement a lieu avec une tension continue appliquée à la plaque, le courant maximum de pla- que admissible n'est que de 2IM car, comme indiqué aux figures 3c et 3d, ( trait continu) le courant de plaque de chaque tube est nul pendant la moitié de chaque pério- de.
L'avantage obtenu par l'usage d'une tension al-
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ternative sera illustré au mieux par un exemple. Un tube fonc- tionnant normalement avec une tension de plaque continue de 300 volts et un courant de plaque de 50 milliampères peut être actionné avec une tension alternative de plaque de 2.000 volts et un courant de plaque instantané de 300 milliampères.
Dans le premier cas, la valeur de RP doit être d'environ 300/ 50 x 103 = 6. 000 ohms et, dans le second cas, RP devrait être d'environ 2.000 / 300 x 103 = 6. 567 ohms. En d'autres termes, grâce à l'utilisation d'une tension alternative, la tension de pointe des impulsions a été augmentée de 300 volts à 2.000 volts et la puissance de pointe a été multipliée pres- que par 50, la résistance de plaque RP restant pratiquement la même.
Il est également à recommander que l'alimentation des grilles écrans soit aussi alternative. La tension appli- quée aux grilles écrans doit être en phase avec celle appli- quée aux circuits de plaque. L'amplitude de la tension appli- quée aux grilles écrans doit, cependant, être du même ordre de grandeur que la tension normale dans le cas du fonctionne- ment en courant continu.
Le montage décrit plus haut fournit des impulsions de tension convenable, mais à partir d'une impédance élevée.
L'objet de l'étage amplificateur de puissance est l'obtention d'une augmentation de puissance grâce à la production desdi- tes tensions à partir d'impédances beaucoup plus faibles.
On y parvient, grâce à l'usage d'un ou de plusieurs tubes connectés en cathodynes, de façon analogue à celle déjà décrite à propos de la figure I. Les impulsions sont appliquées à la grille du tube V à travers le condensateur CI et la tension de sortie est recueillie sur une résistance R2, intercalée entre la cathode et la terre. R est une résistance de circuit de grille. Une tension approximativement égale à celle appliquée à la grille apparait à la cathode, et, comme déjà expliqué, la
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résistance R2 du circuit de cathode peut être beaucoup plus faible que la résistance RP aux bornes de laquelle sont appliquées les impulsions.
Si l'on désire obtenir des impédances de sortie encore plus faibles, il est possible de faire suivre cet étage ( comme représenté ) par un autre étage cathodyne utilisant deux tubes V1. V2. connectés en parallèle. La sortie , lieu aux bornes des résistances R4. R5. dans le circuit de cathode. La résistance R5 qui est shuntée par un condensateur C2, fournit la polarisation aux tubes VI. V2. Si on le désire, d'autres étages cathodynes peu- vent être utilisés et chaque étage peut consister en un, deux, ou plus de deux tubes en parallèle, si nécessaire.
Le ou les étages cathodynes peuvent être ali- mentés au moyen de tension alternative, comme précédem- ment, ladite tension devant être à peu près en quadrature avec la tension appliquée aux grilles des pentodes PI et P2.
Avec le circuit jusqu'à présent décrit, on peut produire des impulsions rectangulaires très courtes de tension élevée et leur puissance est également élevée, car le circuit de sortie présente une impédance faible.
L'énergie de sortie est appliquée, à travers un condensa- teur de couplage O3' à la grille d'un tube V3' générateur d'impulsions, connecté d'une façon connue, de manière à produire des tensions de pointe très élevées à grande puissance pendant des périodes très courtes. A chaque impulsion appliquée à la grille du tube, le courant de plaque augmente rapidement, et, après avoir atteint une valeur de pointe, il est coupé brusquement. L'énergie ac- cumulée dans la self-inductance L se décharge alors dans le circuit formé'par la capacité résiduelle CR. Des im- pulsions ayant la forme représentée à la figure 4 et
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dont la tension et la puissance de pointe sont très élevées se développent aux bornes de la résistance de charge LR.
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IMPROVEMENTS IN THE PRODUCTION AND AMPLIFICATION OF SHORT-TERM ELECTRICAL PULSES.
The present invention relates to improvements in the generation and amplification of electric pulses of short duration.
In signaling by pulses or in the use of pulses for obstacle detection, determination of heights etc ... it is possible to concentrate in each pulse a greater energy than in the case of waves. maintained. The shorter the duration of the pulse compared to the recurrence period, the greater the concentration of energy can be. If, for example, each pulse has a duration of one centimeter of the recurrence period,
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the instantaneous energy capable of being dissipated by an amplifier or pulse generator tube during said pulses is a hundred times greater than the instantaneous energy that the same tube can dissipate during a sustained transmission.
To obtain a very high instantaneous emission, the plate voltage is increased during the duration of the pulse, which causes a simultaneous increase in the plate current. The energy thus increases according to a law of faster growth than that of the tension.
An important problem in the establishment of pulse transmitters is, therefore, in the production of very high peak voltages for a very short period of time, at considerable power rates. according to one of the most frequently adopted methods, a high-value self-inductance is inserted into the plate circuit of a tube and the grid of the tube is supplied by means of rectangular pulses. With each pulse the plate current increases rapidly and reaches a peak value, after which it is cut off abruptly.
The energy which has accumulated in the self-inductance is then discharged into the circuit formed by the residual capacitance and, if the circuit is correctly established, it is possible to obtain aperiodic pulses of very high peak voltage and power. A normal power pentode of 1 KW will give, for example, peak voltages of 20,000 to 30,000 volts and peak currents of 15 amps, for pulses having a duration of 10 microseconds. This gives a peak power of 300 to 450 KW.
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Therefore, to obtain these high output energies and peak voltages, it is necessary that the gate be very positive during the emission of the pulse. On the other hand, the gate voltage must fall to very negative values, so that the cutoff effect can be obtained.
The problem therefore arises of constituting a source of rectangular pulses producing pulses with very steep edges at high voltages, said source having a low impedance.
It was customary in the past to use a generator of rectangular pulses at low power and to amplify said pulses by means of a series of tubes connected in cascade. However, it was necessary, in such arrangements, to use high output current power amplifier stages, which was really needed only for a small fraction of the time. Hence a significant waste of power.
The object of the invention is in particular to constitute an amplifier system intended to convert relatively low voltage pulses into high voltage pulses of high power developed in a low impedance circuit, by virtue of the use of a multi-stage amplifier, the first stage of which is set to amplify the voltage of the pulses, the second and subsequent stages being set to amplify their power, the voltage remaining substantially the same. Each stage comprises one or more electron tubes preferably operated at a large number of times their normal power during the transmission of a pulse. At the same time, said stages can preferably be arranged so as to consume only a small power in the intervals between pulses.
In accordance with a preferred embodiment, too, the tubes can be mounted as cathodynes.
In addition, an increase in power saving can be achieved
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by supplying the plate circuits of the tubes with an alternating voltage, instead of supplying them with a direct voltage.
Another subject of the invention is a device for producing rectangular pulses using low power tubes, so as to produce pulses whose peak power corresponds to several times the power of the tubes.
In accordance with a particular feature of the invention, a system for producing rectangular pulses of short duration from a source of sine waves comprises a circuit of electronic tubes for converting the sine waves into rectangular pulses. voltage and low power and means for applying said pulses to one or more electron tube amplifier stages, arranged to function as power amplifiers and not contributing, in practice, to the amplification of voltage. According to a preferred arrangement, the power amplifier comprises one or more stages of the cathodyne type.
These characteristics of the invention and others that are less important will be better understood on reading the detailed description which follows and on examining the accompanying drawings which schematically represent, by way of nonlimiting examples, two modes of operation. production.
Figures I and 2 are diagrams of two embodiments of the invention and Figures 3 and 4 are waveform diagrams mentioned in the description.
A, FIG. I, the reference TI designates a tilt, preferably of low power. VI and V2 are amplifier tubes which can include a number
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any electrodes, but which has been shown, for simplicity, in the form of triodes. These tubes may be of the indirectly heated cathode type, as shown. for clarity, the heating circuits have been omitted. PI is mounted as an ordinary amplifier and the VI and V2 tubes are connected as cathodynes.
If a negative pulse is applied to the grid of the PI tube, a positive pulse appears across the plate resistance Rp. This pulse is transmitted to the grid of the next tube VI. The tube VI produces, across its resistance cathode RI, a pulse having practically the same amplitude as that applied to the grid. In addition, since the cathode resistance may be of much lower value than the previous plate resistance, Rp the peak power of the pulse produced by the VI tube may be much greater than the peak power of the pulses produced. tes by the previous tube PI.
The power of the pulses is again amplified in the same way thanks to the connection of the grid of tube V2 to the cathode of VI and thanks to the fact that the resistance of cathode R2 of tube V2 is much lower than RI, the power pulse peak can be further increased without appreciable voltage variation. It is clear that this process can be repeated as many times as desired. With two power amplifier tubes, as shown in Figure I, it is possible to increase the peak power of the pulse fifty times, or more.
To obtain high power efficiency, the PI tube should preferably be a high slope pentode. Its various grids must then all be close to the cathode and the plate must be much further from it. It is therefore possible to apply very high voltages to the plate, without acting on the field in the vicinity of the cathode. Consequently, the emissive surface does not run any risk of deterioration.
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as a result of the violent attraction of its electrons, or of the bombardment by positive ions.
Since we arrange for the incoming pulse to apply a negative voltage to the gate, we can make the plate current almost zero during the pulse.
In this way, the plate voltage can be very high without dissipation of a very great power in the tube.
During the remainder of the time, however, a plate current is flowing, but power dissipation can be limited by setting the plate resistance RP a value large enough to reduce the plate voltage to a low value.
In the power amplifier stages, tubes are used in which the normal power dissipated is of the same order as the average power dissipated by the plate current during the transmission of the pulses. Thus, since said pulses have only a very short duration, the peak power dissipated as a result of plate current during any pulse can be made equal to many times this average power. For example, if the pulses occupy 1% of the time, the instantaneous power dissipated in the tube during the transmission of any pulse can be equal to one hundred times this average power.
In order to obtain pulses at high voltage, a much higher potential than the normal potential is applied to the plate, which can be done without danger for the tube: for the following reasons. The tube only supplies power during the periods of the pulses and the potential of the cathode rises during these periods. We arrange so that the difference in potential between the plate and the cathode does not exceed the
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maximum admissible value during the pulse duration.
In addition, the tubes are operating in the region of the grid current, at a point of the characteristic such that the instantaneous cathode current is much greater, eg a hundred times greater, than the normal current. To achieve this, the invention contemplates the use of tubes with a large space charge, or with an emissive surface which is practically not saturated, or which combine these two characteristics. For example, oxide-coated cathodes hardly saturate.
The plate circuits of all tubes can be supplied with AC voltage if the pulses are regularly repeated. The frequency of said alternating voltage must be the same as that of the pulses, or one of its harmonics, and the potential applied to each plate must be maximum at the moment of the pulses.
This arrangement has a particular advantage when it is applied to the first tube. It considerably increases the power efficiency of the device due to the application of the maximum plate voltage only at the moment of the pulses. The potential at other times is lower, or negative, and thus the power dissipation in the tubes is reduced. This process will be explained in detail later, with reference to FIG. 2.
In Figure I, resistors R4 and R5, shunted by capacitors, are shown connected in the cathode circuits of V1 and V2. Said resistors are chosen from values such that the plate currents of the tubes are reduced to very low values during the intervals between pulses, so that the power consumption in the tubes during said intervals is low. With an arrangement of the type shown in figure I, it is possible to produce peak voltage pulses of 1 '
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order of 1,000 volts across an impedance of 500 ohms - (ie a peak power of 2 KW.) from pulses having a peak voltage of a few volts, using tubes of rated power not exceeding 25 watts.
FIG. 2 represents the assembly of a generator of sinusoidal pulses in which the special characteristics described in connection with FIG. 1 have been incorporated. In accordance with these provisions, an alternating current of frequency equal to the repetition frequency of the pulses is applies to the primary winding of a transformer T. The secondary windings feed the grills of two pent, odes PI. P2. and they are of such sense that the voltages which they apply to the grids are in phase opposition. However, a small capacitor C allows these voltages to be shifted slightly from the exact phase opposition.
The secondary windings of the transformer T supply very high voltages, 1000 volts for example, so that the tubes PI. P2. are very suddenly saturated, but each voltage is transmitted to the grill through a very high resistance RO which limits the positive voltage applied to the grill. The negative voltages are also limited by a diode D, which connects the grid to the earth, or to any other point of stable potential, the cathode of said diode being linked to the grid of the pentode and the plate of the diode, to earth through a bias resistor RI.
The plates of the two pentodes are connected together and supplied from a very high voltage source (from one to a few thousand volts) through an RP resistor.
The PI pentodes. P2. are preferably tubes
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at low power, which is operated at abnormally high plate voltages. As explained previously, it is therefore desirable to employ pentodes with a large slope, in which the three grids are situated in the vicinity of the cathode, the plate being at a relatively considerable distance from said cathode.
The operation of the portion of the assembly so far described will now be explained with reference to the waveform diagrams of Figure 3.
In FIG. 3a, the two sinusoidal waves applied to the grid circuits have been shown. These waves are very slightly offset from each other, through the exact phase opposition.
One of the waves is shown in thin lines in FIG. 3b. As its amplitude is very high, only a small fraction of it is actually transmitted to the gate, the rest appearing across resistor RO, in the form of a potential drop produced alternately by the gate current and the diode current. . The wave actually transmitted to the grid is shown in FIG. 3b in strong lines. It has the shape of a series of practically rectangular trapezoids, the slopes of which are very steep if the amplitude of the wave is large enough.
The plate currents II and 12 of the two pentodes take the form of rectangles as shown in Figures 3c and 3d, in strong lines. These rectangles are in phase opposition, with a slight angular shift. The resulting current which passes through the common resistor RP takes the form represented by the strong continuous line in FIG. 3e and is obtained by adding together the ordinates of the two curves of FIGS. 3c and 3d. It can be seen that this resulting current has the form of positive and negative pulses.
The plate voltage has the inverse form of the current
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resulting. It is maximum when the current is zero and minimum when the current is maximum, as indicated in 3f. If, for example, the voltage applied to resistor RP is 2,000 volts, the amplitude of the pulses can be (for example) 1,500 volts, if the value of resistor RP has been chosen sufficiently large, also taking into account the current grid of the tube following V, which is not negligible.
If the tubes used in the type of assembly just described operate in the usual way, the resistance RP will have to be very large, so that the potential drop across its terminals due to the plate current is sufficient to produce l desired pulse amplitude. Moreover, since the plate voltage during the intervals between the signals (that is to say during approximately 99% of the time) is, in the example just chosen, of approximately 1,000 volts, the tubes will dissipate considerable power for most of the time.
This will obviously prevent the use of low power tubes operating with abnormally high plate voltages, which, on the other hand, would be to be desired.
! ,,,, aisy if we apply an alternating voltage to the resistor RP, instead of a direct voltage, these objections can be largely overcome, because, by this means, the power consumption in the intervals between im- urges can be greatly reduced, as will now be explained.
The AC voltage applied to the plate resistor RP is shown in Figure 3g. As indicated, it should be in quadrature with the voltages applied to the PI and P2 gates and it should be at its maximum positive when the resulting plate current, as shown in Figure 3c, is zero. In Figures 3c and 3d, the lines
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dotted lines represent the plate currents of the tubes TI and T2 when the AC voltage of Figure 3g is applied to the resistor RP, instead of the DC voltage.
The peak voltage of the wave in Figure 3g is equal to this DC voltage and, as the peak occurs at the same time as the pulses, the currents II and I2 have approximately the same values at this time as when 'DC voltages are used. As the alternating voltage drops to zero at times midway between the pulses, the plate currents II and I2 must also both drop to zero at these same times and, therefore, they must follow the curves in dots in figures 3c and 3d. For half a period out of two, when the applied alternating voltage is negative, the plate current is zero.
Thus, the total plate current IP = II + I2 which passes through RP takes the form represented by the dotted lines of FIG. 3e, obtained by adding the ordinates of the dotted lines of FIGS. 3c and 3d. The negative pulses at the intermediate half-periods disappear, because the plate voltage is then negative. Accordingly, the total plate current is zero for the duration of the positive pulses and for all of the periods when the applied AC voltage is negative.
The plate voltage is shown in Figure 3h, where the dotted line represents the applied AC voltage. The plate voltage is negative or maximum when the total plate current is zero and it can be made to take a very low value, as shown in figure 3h, during the period when a current is flowing, making the resistance RP quite large.
It can be seen in Figures 3c and 3d, that, when the tubes operate with an alternating plate voltage,
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the plate current of each tube, as shown by the dotted lines, is zero except for 1/4 of the period of the wave of Figure 3g. In addition, the plate current during this 1/4 period is not constant, but varies continuously from the maximum Il, ±., To zero.
The average current during this period can therefore be estimated as very approximately equal to IM / # 2 Thus, the average plate current during a whole period of the alternating voltage will be approximately I m 4 # 2, or approximately I @ 6 . Thus, if IM is the maximum allowable plate current for dc dissipation with normal dc voltage applied, a plate current of 6 IM will be allowable with ac voltage applied. This means that, to produce the desired voltage drop when the pulse is received, the resistance RP can be reduced to I / 6 of the value needed with a DC plate voltage applied.
The resistor RP is preferably adjusted as already mentioned, so that, with an AC plate voltage, the plate voltage during the times when a plate current is flowing is much lower than the plate voltage. normal tube plate. This allows the plate current to be much higher, for the same average power dissipated. For example, this current can be at least doubled which gives it a value of 12 IM. When operation takes place with a DC voltage applied to the plate, the maximum allowable plate current is only 2IM because, as shown in Figures 3c and 3d, (solid line) the plate current of each tube is zero for half of each period.
The advantage obtained by the use of an al-
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ternative will be best illustrated by an example. A normally operating tube with a DC plate voltage of 300 volts and a plate current of 50 milliamps can be operated with an AC plate voltage of 2000 volts and an instantaneous plate current of 300 milliamps.
In the first case, the value of RP should be about 300/50 x 103 = 6,000 ohms, and in the second case, RP should be around 2,000 / 300 x 103 = 6,567 ohms. In other words, through the use of an alternating voltage, the peak voltage of the pulses was increased from 300 volts to 2,000 volts and the peak power was increased almost by 50, the plate resistance RP remaining virtually the same.
It is also recommended that the power supply for the screen grids also be an alternative. The voltage applied to the screen grids must be in phase with that applied to the plate circuits. The magnitude of the voltage applied to the screen gates must, however, be of the same order of magnitude as the normal voltage in the case of direct current operation.
The assembly described above provides suitable voltage pulses, but from a high impedance.
The object of the power amplifier stage is to obtain an increase in power by producing said voltages from much lower impedances.
This is achieved through the use of one or more tubes connected as cathodynes, in a manner analogous to that already described with regard to FIG. I. The pulses are applied to the grid of tube V through the capacitor CI and the output voltage is collected on a resistor R2, interposed between the cathode and the earth. R is a gate circuit resistor. A voltage approximately equal to that applied to the grid appears at the cathode, and, as already explained, the
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resistance R2 of the cathode circuit can be much lower than the resistance RP across which the pulses are applied.
If it is desired to obtain even lower output impedances, it is possible to have this stage (as shown) followed by another cathodyne stage using two V1 tubes. V2. connected in parallel. The output takes place at the terminals of resistors R4. R5. in the cathode circuit. The resistor R5 which is shunted by a capacitor C2, provides the bias to the VI tubes. V2. If desired, other cathodyne stages can be used and each stage can consist of one, two, or more than two tubes in parallel, if necessary.
The cathodyne stage (s) can be supplied by means of alternating voltage, as before, said voltage having to be approximately in quadrature with the voltage applied to the gates of the pentodes PI and P2.
With the circuit so far described, it is possible to produce very short rectangular pulses of high voltage and their power is also high, since the output circuit has a low impedance.
The output energy is applied, through a coupling capacitor O3 'to the gate of a pulse generator tube V3', connected in a known manner, so as to produce very high peak voltages at great power for very short periods. With each pulse applied to the grid of the tube, the plate current increases rapidly, and, after reaching a peak value, it is cut off abruptly. The energy accumulated in the self-inductance L is then discharged in the circuit formed by the residual capacitance CR. Pulses having the form shown in Figure 4 and
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whose peak voltage and power are very high develop across the load resistor LR.