<Desc/Clms Page number 1>
Tube électronique et circuits pour son utilisation
La présente invention concerne les tubes électro- niques et plus particulièrement, les tubes de ce genre comportant une électrode destinée à neutraliser la charge spatiale, qu'on appellera ci-après électrode de charge spatiale, agencée pour créer une cathode virtuelle de grande étendue. L'invention concerne également les circuits d'uti- lisation de ce tube destinés à l'amplification, à la détec- tion, au changement de fréquence, et à la production d'une énergie d'oscillation locale à l'aide de tubes de ce genre.
Etant donné que la puissance d'amplification d'un tube électronique est proportionnelle à la transconductance anodique, les autres facteurs restant les mêmes, on cherche continuellement à améliorer ce facteur de commande, Le per- fectionnement recherché par la présente invention n'est pas un simple agrandissement des éléments du tube. En effet,
<Desc/Clms Page number 2>
ceci reviendrait à augmenter les dimensions d'un moteur d'un type déterminé, c'est-à-dire à. augmenter sa puissance, ce qui ne conduirait pas forcément à une amélioration de son rendement.
Ce problème de construction d'un tube a généra- lement pour but l'obtention d'une plus grande transconduc- tance par milliampère de courant anodique sans augmentation de la puissance de chauffage de la cathode, et sans augmen- tation appréciable des dimensions extérieures du tube,
Un procédé usuel consiste à, réduire l'intervalle entre la oathode et la grille de commande et à utiliser un fil de grille d'une grosseur aussi réduite que possible.
Il est bien évident que ce procédé est limité par les condi- tions de construction telles que la rigidité et l'intervalle admissible pour éviter les courts-circuits à l'intérieur du tube, les variations considérables des caractéristiques des tubes d'un modèle déterminé, et l'émission électronique de grille.
Un autre procédé consiste à créer une cathode dite ''virtuelle* de grande étendue, qui présente effectivement une aire beaucoup plus grande que celle de la cathode réelle correspondante. La grille de commande peut être approchée de la cathode virtuelle autant qu'on le désire, sans aucun risque de court-circuit, étant donné que la cathode virtuelle est une aire imaginaire située dans l'espace, L'émission de grille est réduite parce que la grille de commande ne se trouve pas à proximité de la cathode chaude, Une cathode virtuelle peut être obtenue facilement par l'emploi d'une grille positive, qu'on appellera grille de charge spatiale, prévue de préférence à côté de la cathode, c'est-à-dire entre la cathode et la grille de commande.
La cathode virtuelle envisagée est une aire imaginaire présentant les caractéris- tiques d'une cathode, intercalée dans l'intervalle entre la
<Desc/Clms Page number 3>
grille de charge spatiale et la grille positive suivante, dont tous les points sont portés au plus bas potentiel d'espa- ce. On peut obtenir une cathode virtuelle de grande étendue par un choix convenable de la position et de la constitution des électrodes. Les tubes à charge spatiale de ce genre peu- vent être fabriqués avec un très grand rapport de transconduc- tance par mA de courant anodique. Malgré ce fait, ces tubes n'ont pu satisfaire aux conditions industrielles évidentes.
La raison principale réside probablement dans les difficultés de fabrication pour l'obtention de tubes à caractéristiques uniformes pour un modèle déterminé. Les variations centési- males sont bien plus importantes que dans les tubes de cons- truction usuelle ne oomportant aucune cathode virtuelle, et leur cause ne peut être attribuée que partiellement aux élé- ments mécaniques des éléments. La présente invention apporte une solution pratique de ce problème fondamental,
L'application des tubes à charge spatiale aux cir- cuits est sérieusement limitée par les capacités relativement élevées entre les électrodes et plus particulièrement entre l'électrode de commande et l'anode.
Une autre difficulté ré- side dans le problème de l'obtention d'un facteur d'amplifi- cation variable satisfaisant pour créer une caractéristique finale de courant anodique - tension de grille de commande en vue de la réduction des effets de transmodulation sans qu'il en résulte une réduction sensible de la transconduc- tance, La présente invention apporte également une solution à ces deux problèmes, Un tube qui sera décrit plus loin en détail présente ces indications, Ce tube particulier est destiné à l'amplification et à la détection des fréquen- ces radioélectriques générales.
La capacité grille-anode effective de ce tube est tellement faible qu'il est possi- ble d'utiliser des circuits d'entrée et de sortie à rapport
<Desc/Clms Page number 4>
réaotanoe-résistanoe usuel sans qu'il en résulte une réac- tion entre ces circuits. On peut réaliser un gain d'amplifica'- tion par étage cinq fois plus important. Ce tube présente également une caractéristique totale de courant anodique - grille de commande.
Un but de l'invention est de réduire les varia- tions de caractéristiques des tubes comportant une cathode virtuelle de grande étendue, par un agencement spécial des électrodes.
Un autre but de l'invention est de coupler les éléments d'un tube de façon à réduire la réaction entre les circuits d'entrée et de sortie correspondants.
Un autre but de l'invention est de coupler les éléments d'un tube de façon à réduire la charge imposée au circuit d'entrée correspondant.
Un autre but de l'invention est de coupler les éléments d'un tube de façon à, obtenir une caractéristique totale finale de courant anodique - tension de grille, sans qu'il soit nécessaire de prévoir un rapport réactance-résis- tance variable pour les éléments du tube produisant une transconductance relativement élevée.
Sur le dessin annexé :
La figure lA est un schéma montrant l'agencement de plusieurs électrodes suivant l'invention; la figure 1B est un schéma similaire montrant de quelle manière cet agen- cement peut être utilisé dans un circuit d'amplification simple.
Les figures 2A et 3A sont des schémas montrant d'autres agencements de plusieurs électrodes suivant l'inven- tion; les figures 2B et 3B sont des schémas similaires mon- trant de quelle manière ces agencements peuvent être utilisée dans un circuit d'amplification simple.
Les figures 4 et 5 sont des schémas montrant deux
<Desc/Clms Page number 5>
autres agencements de plusieurs électrodes suivant l'inven- tion.
La figure 6 est un schéma représentant un mode de oouplage de plusieurs électrodes et un circuit d'amplifica- tion simple suivant l'invention.
D'après la figure lA du dessin, une ampoule à vide 9 contient les électrodes du tube. La cathode 7, chauffée par un filament 8, constitue une source d'émission d'éleo- trons, La grille 1 est une grille de charge spatiale. Lors- qu'on applique une tension positive appropriée à cette gril- le, on crée une cathode virtuelle.quelque part dans l'espace entre cette grille et l'anode 6. La grille 2 est une grille de commande. Elle est reliée à une grille spéciale 3. Cet agencement peut être considéré comme un tube triode à char. ge spatiale comportant une grille supplémentaire spéciale dont l'action sera décrite plus loin.
La figure 1B montre de quelle manière ce tube peut être utilisé dans un circuit d'amplification simple pour lequel le signal d'entrée est appliqué aux bornes 12, tandis que le courant de sortie est recueilli aux bornes 13. 10, 11 et 23 sont des sources de tension nécessaires au fonctionnement du dispositif.
Sur toutes les figures du dessin, les mêmes chif- fres de référence désignent des éléments similaires qui ne seront donc pas décrits à nouveau.
Les figures SA et 2B sont des vues similaires à, cel- les des figures lA et 1B, mais elles montrent en plus une grille-écran 4. Cet agencement peut être considéré comme un tube tétrode à charge spatiale complété par la grille spé- ciale 3. Dans ce cas, la cathode virtuelle est formée quelque part dans l'espace entre la grille de charge spatiale 1 et la grille-écran 4.
Les figures 3A et 3B sont des vues similaires à, celles des figures 2A et 2B, mais montrent en plus une/,
<Desc/Clms Page number 6>
d'arrêt 5. Cet agencement peut être considéré comme un tu- be pentode à charge spatiale complété par la grille spéciale 3.
La figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 3A, sauf que la grille spéciale 3 est reliée à la ca- thode 7 et non pas à la grille de commande 2. Cette variante est également applicable aux tubes d'après les figures lA et 2A.
La figure 5 est une vue similaire à, celle de la figure 3A, sauf que la grille spéciale 3 est séparée des autres grilles au lieu d'être reliée à la grille de commande 2, afin qu'elle puisse être reliée à volonté à la grille de commande 2. à la cathode 7, à la grille de charge spatiale 1, ou à une borne de faible potentiel négatif ou positif par rapport à la cathode. Cette variante est également applicable aux tubes d'après les figures lA et 2A.
Le terme "grille" employé dans cette description ne sert qu'à, l'explication et ne limite l'invention en aucune manière à une constitution physique particulière de l'éleo- trode, Le terme "grille" peut s'appliquer à une électrode de constitution connue quelconque commandant le nombre, la vi- tesse ou la direction des électrons se déplaçant entre la cathode et l'anode.
Pour expliquer de quelle manière l'électrode spé- ciale précédemment décrite réduit la variation de la trans- conductance de ces dispositifs, on peut adopter la théorie suivante ; la position de la cathode virtuelle, qui est éta- blie quelque part dans l'intervalle entre la grille de char- ge spatiale et l'anode ou la grille-écran, peut être considé- rée comme une aire imaginaire formée par tous les points de l'espace portés au potentiel spatial minimum. Pour le cas idéal d'un effet maximum de commande, la grille de commande
<Desc/Clms Page number 7>
devrait être placée juste au delà. de cette surface imaginaire et elle devrait créer un champ de commande s'adaptant à la forme de cette surface.
Pratiquement, cette surface imaginai- re est loin de constituer un plan uni, et sa forme ainsi que sa position varient considérablement dans les tubes d'un mo- dèle déterminé. Il en résulte des variations de la transcon- ductance par mA de courant anodique. Lorsque le gradient de potentiel est abaissé sur le côté anode ou sur le côté grille- écran de la grille de commande, la forme de la cathode vir- tuelle devient plus uniforme et sa position devient plus sta- ble. Dans de nombreux cas, une faible tension d'anode ou de grille-écran n'est pas souhaitable. Fréquemment, des considé- rations ayant trait aux dimensions limitent la distance maxi- mum entre les éléments.
La grille spéciale intercalée entre la grille de commande et l'anode ou la grille-écran peut effi- cacement abaisser le gradient de potentiel immédiatement après la grille de commande, sans réduire la transconductan- ce par mA de courant anodique, Si la grille spéciale est constituée et agencée par rapport à la grille de commande de façon que son action sur la transconductance anodique soit très inférieure à celle exercée par la grille de commande, et si elle est connectée à la grille de commande, la trans- conductance par mA de courant anodique peut être supérieure à celle de tubes d'un modèle similaire, mais ne comportant pas la grille spéciale. Cette grille spéciale peut être reliée à la cathode ou à une borne de faible potentiel posi- tif ou négatif.
Mais, lorsque la grille spéciale est connec- tée à la grille de commande, on réalise un perfectionnement supplémentaire pour la réduction des variations de caracté- ristique. Cet effet peut être expliqué par le fait que la profondeur du champ de commande est augmentée. Le tube est alors moins exposé aux déplacements et aux irrégularités de forme de la cathode virtuelle. Ce procédé de réduction des
<Desc/Clms Page number 8>
variations de oaraotéristique est réellement simple et très efficace. Il permet la fabrication de tubes à transconductan- oe très élevée presque comparable à la variation centésimale comme dans la fabrication de triodes ou de pentodes ordinai- res.
Il ressort de ce qui précède qu'un but de la grille spéciale est de produire un gradient de faible potentiel immédiatement après la cathode virtuelle. Un autre but est d'augmenter la profondeur de la zone de commande du signal qui suit directement la cathode virtuelle. Bien entendu, un oompromis est préférable car, si le gradient au delà de la cathode virtuelle est choisi trop plat, il en résulte que le facteur de commande est modifié. Ces explications peuvent sembler vagues, mais cette technique est trop nouvelle pour qu'il soit possible d'établir des expressions mathématiques permettant le calcul des conditions les plus favorables ex- primées en paramètres des éléments du tube et des potentiels.
Il semble suffisant de spécifier qu'un but de la grille spé- ciale est de produire un gradient de faible potentiel pour une distance appréciable immédiatement après la cathode vir- tuelle. Dans le cas d'un tube d'une taille moyenne, cette distance peut être de 0,625 mm, et la pente moyenne peut être égale à une fraction seulement de la tension de l'électrode positive suivante, Il peut également suffire de spécifier qu'un but de la grille spéciale est d'augmenter la profon- deur de la zone de commande du signal qui suit directement la cathode virtuelle, Dans le cas d'un tube de taille moyenne, cette profondeur peut être égale à 0,625 mm.
Pour éviter aux techniciens les essais inutiles en vue de l'application pratique de la présente invention, on indiquera ci-après plusieurs cotes se rapportant spécia- lement à un modèle. Le tube en question est agenoé de manié-
<Desc/Clms Page number 9>
re représentée sur la figure 3A, et mesuré dans un circuit tel que le montre la figure 3B, Une cathode émettrice d'élec- trons à chauffage indirect, d'un diamètre de 0,750 mm est entourée de grilles concentriques du type hélicoïdal, fixée chacune par le grand diamètre à deux oolonnettes latérales.
Voici quelques cotes de ces grilles,
EMI9.1
<tb> Grand <SEP> Petit <SEP> Diamètre <SEP> du <SEP> Nombre <SEP> de
<tb>
<tb> Grilles <SEP> diamètre <SEP> diamètre <SEP> fil <SEP> hélicol <SEP> spires
<tb>
<tb> en <SEP> mm. <SEP> en <SEP> mm. <SEP> dal <SEP> en <SEP> mm, <SEP> par <SEP> cm,
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 2,75 <SEP> 3,75 <SEP> 0,05 <SEP> 24
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 8,00 <SEP> 7,75 <SEP> 0,075 <SEP> 16
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 10,50 <SEP> 9,00 <SEP> 0,100 <SEP> 10
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 13,25 <SEP> 10,37 <SEP> 0,100 <SEP> 22,4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 16,00 <SEP> 15,00 <SEP> 0,150 <SEP> 7,2
<tb>
Une anode cylindrique d'un diamètre de 22,8 mm entoure les grilles.
Ces éléments du tube sont montés de tel- le manière qu'ils soient isolés les uns des autres, sauf que le nombre des conducteurs de connexion est réduit par le fait que la troisième grille est reliée à la deuxième, et la cin- quième à, la cathode, La longueur effective de ces éléments est de 20 mm, tandis que la longueur du rêve tement de la cathode est de 14,8 mm, Il est préférable de "blinder" l'ano- de de façon à réduire le bombardement électronique de l'am- poule. Voici un tableau destiné à faciliter l'évaluation de l'amélioration apportée à la transconductance anodique, par comparaison avec celle de l'une des pentodes normales actuel- lement les plus connues, appelée 6K7G.
<Desc/Clms Page number 10>
EMI10.1
<tb>
Il <SEP> Tube <SEP> sui-
<tb>
<tb>
<tb> Fonctionnement <SEP> et <SEP> caractéristiques <SEP> vant <SEP> l'in <SEP> 6K7G
<tb>
<tb>
<tb> vention
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Puissance <SEP> de <SEP> chauffage <SEP> ................. <SEP> 1,2 <SEP> 1,89 <SEP> W
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Tension <SEP> anodique <SEP> ....................... <SEP> 250 <SEP> 250
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Tension <SEP> de <SEP> grille-écran................
<SEP> 100 <SEP> 125 <SEP> V
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Tension <SEP> de <SEP> grille <SEP> de <SEP> charge <SEP> spatiale <SEP> 30
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Courant <SEP> anodique <SEP> 6,0 <SEP> 10,5 <SEP> mA
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Courant <SEP> de <SEP> grille-écran <SEP> 2,3 <SEP> 2,6 <SEP> mA
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Courant <SEP> de <SEP> grille <SEP> de <SEP> charge <SEP> spatiale <SEP> ...
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> iRésistance <SEP> anodique <SEP> 0,6 <SEP> 0,6 <SEP> Megchr
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Transconductance <SEP> ....................... <SEP> 13.000 <SEP> 1650 <SEP> mhos
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Transconductance <SEP> par <SEP> mA <SEP> de <SEP> courant <SEP> ano-
<tb>
<tb>
<tb> ;
dique <SEP> ................................... <SEP> 2.170 <SEP> 157 <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ,;Transconductance <SEP> par <SEP> mA <SEP> de <SEP> courant <SEP> ca-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> thodique <SEP> ............................... <SEP> 980 <SEP> 126 <SEP> "
<tb>
Les valeurs précitées pour le tube 6K7G sont cel- les indiquées par les constructeurs, Les valeurs indiquées pour le tube suivant l'invention sont des valeurs moyennes approximatives obtenues avec un certain nombre de tubes de ce modèle. L'amélioration de la transconductance est à peu près huit fois supérieure. L'amélioration de la transconduc- tance par mA de courant anodique est à peu près quatorze fois supérieure, L'amélioration de la transconductance par mA du courant cathodique total est à peu près huit fois su- périeure.
L'intervalle réel entre le tube de cathode et la première grille est d'environ 1,45 mm dans le tube suivant l'invention. Dans le tube 6K7G, dont la cathode présente généralement un diamètre de 1,125 mm, tandis que le petit diamètre de la première grille est de 2 mm, cet intervalle est de 3,6 mm. Il en résulte donc une amélioration quatre fois supérieure pour l'intervalle entre la cathode et la première grille.
<Desc/Clms Page number 11>
Mais les tubes de ce genre présentent de façon nuisible des capacités élevées entre les électrodes. Les limites d'application des tubes amplificateurs sont bien connues, plus particulièrement en ce qui concerne la capa-4 cité entre grille et anode, Etant donné que cette capacité apparaît par rapport aux circuits associés effectivement comme une valeur égale à la capacité grille-anode multipliée par le gain du tube, on voit que l'utilité générale des tu- bes à transconductance élevée est limitée, à, moins que cette capacité soit extrêmement réduite ou annulée. De même, ces capacités inter-électrodes élevées, ainsi que la transconduo- tance, font que l'admittance d'entrée est importante, et il en résulte une autre limitation provenant de la charge impo- sée au circuit d'entrée.
Ces difficultés peuvent être facile-- ment évitées par l'emploi d'un couplage spécial entre les éléments du tube tel que le montre la figure 6.
D'après cette figure 6, l'ampoule évacuée 9 contient, deux groupes d'électrodes, c'est-à-dire un groupe conducteur composé d'une cathode 14, d'une grille de commande 15 et d'une anode 16, et un groupe de sortie présentant le même agencement des électrodes que la figure 3A. La cathode 14 est reliée intérieurement aux grilles 2 et 3, l'anode 16 est reliée à, la grille 4, et la grille 5 est reliée à la cathode 7, Ces connexions internes réduisent le nombre né. cessaire des bornes du culot et diminuent également la ca- pacité de dispersion et l'inductance des conducteurs.
Le re- tour de la cathode 14 aboutit à la borne négative de la sour- ce de tension 11 à travers une impédance 17 en série, Cet élément 17 est représenté sous la forme d'une impédance pour simplifier le dessin, et il est bien entendu qu'il peut être constitué par un organe en série connu, accordé ou non.
Le retour de la cathode 7 aboutit à la borne négative de la source de tension 11 à travers une impédance 18 en série,
<Desc/Clms Page number 12>
et cet élément est "shunté" par un condensateur 190 La polarisation des grilles 15 et 2 est produite par les chutes de tension aux bornes des éléments 17 et 18. Ce couplage d'un groupe conducteur à un groupe de sortie, ainsi que le mode de polarisation, sont similaires à ceux décrits au Brevet américain N 2.154.783. Un circuit d'entrée connu peut être connecté aux bornes 12 pour appliquer le signal d'entrée entre la grille 15 et une borne négative de la source de tension 11, Un circuit de sortie connu quelconque peut être connecté entre les bornes 13 pour appliquer une charge utile entre l'anode 6 et une borne positive de la source de tension 11.
Au lieu d'appliquer les tensions de la grille 1 et de la grille 4 par de simples prises sur la sour- ce de tension 11, le dessin montre un procédé pratique pour appliquer ces tensions aux grilles en partant d'un seul point de la source. Le retour de la grille aboutit à la sour- ce de tension à travers des résistances 21 et 22, Le retour de la grille 4 aboutit à la source de tension à travers la grille 22 qui est découplée vers la cathode 7 par un conden- sateur 20 destiné à, stabiliser sensiblement la tension de la grille 4. Si le tube est correctement construit, il ne se produit aucune perte sans découplage de la résistance 21, Au contraire, dans certains modèles, on obtient une aug- mentation du gain avec une résistance 21 non découplée. Le filament de chauffage 8 produit l'émission des électrons par les cathodes 7 et 14.
Les avantages de ce mode de couplage sont nom- breuxo Grâce à la réaction négative répétée du groupe con- ducteur, donnant un gain inférieur à l'unité, son admittan- ce effective est très faible par rapport au circuit d'entrée, Etant donné que l'entrée du groupe de sortie est "shunté" par un élément 17 à impédance relativement faible, son admittance d'entrée élevée ne produit aucune perturbation
<Desc/Clms Page number 13>
Le résultat est que le groupe conducteur isole effectivement le circuit d'entrée du circuit de sortie, pour réduire au minimum la réaction entre ces circuits. De même, la charge appliquée au circuit d'entrée est très faible.
Lorsqu'on désire obtenir une caractéristique finale de courant anodique- tension de grille de commande en vue de la réduction de la transmodulation, il n'est pas nécessaire d'employer un facteur d'amplification variable dans le groupe de sortie, étant donné que la caractéristique désirée peut être obtenue par un proportionnement du régime d'arrêt du oourant anodique des différents groupes, et par un choix approprié des élé- ments 17 et 18, Cette souplesse permet d'utiliser un groupe de sortie à arrêt brusque du courant anodique, et un groupe conducteur à facteur d'amplification variable. L'avantage de cet agencement consiste en ce qu'on peut obtenir une transconductance totale plus élevée par mA de courant anodi- que, et une meilleure stabilité des caractéristiques.
D'après la description qui précède, il est bien entendu qu'il n'est pas essentiel d'utiliser les deux grou- pes d'électrodes dans une ampoule commune. On peut également et facilement utiliser des tubes séparés. Il est également entendu que ce mode de oouplage n'est pas limité aux signaux répétés d'une bande de fréquences particulière, étant donné qu'il peut être utilisé à la répétition d'impulsions de fréquences audibles ou radioélectriques, L'emploi de ce mode de couplage n'est pas uniquement limité à l'amplifica. tion de signaux. Au contraire, il peut également servir à la détection et au changement de fréquence, de même qu'à l'ob- tention d'une énergie d'oscillation locale.