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La présente invention est relative aux dispositifs amplificateurs et concerne plus particulièrement un disposi- tif amplificateur utilisant des phénomènes magnétiques en vue de produire l'amplification voulue . '
On connait parfaitement des amplificateurs utilisant l'action de redressement exercée par une grille polarisée sur un courant. électronique. Les amplificateurs de ce type sont caractérisés par une durée relativement limitée et le caractère périssable de la source d'électrons; de plus, plusieurs types sont relativement fragiles. On conn dt éga - lement d'autres amplificateurs qui font appel a une variation d'impédance due à une variation de perméabilité d'un circuit
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magnétique.
De tels dispositifs, connus sous la dénomination de "sels à noyau saturable" sont caractérisés par une longé, vite pratiquement illimitée. Jusqu'à présent, de tels amplificateurs ont été d'un emploi restreint principalement en raison de. leur poids relativement important et de la limite supérieure, assez peu élevée, de la gamme de fréquen- ces pour laquelle ils peuvent être employés avec succès. Cer derniers temps, les récentes recherches effectuées sur des matières pouvant être utilisées dans des amplificateurs magnétiques ont permis d'étendre les limites supérieures de.la gamme de service et de réduire considérablement le poids minimum.
Néanmoins, le coût de fabrication de tels amplificateurs est encore considérable, étant donné que l'on doit fabriquer séparément le noyau et bobiner sur celui-ci les enroulements nécessaires, d'une façon ou d'une autre.
Partant de ce qui précède, le principal objet de la présente invention consiste à établir un appareil d'ampli- fication nouveau et inédit.
Un autre objet de l'invention consiste à établir un système amplificateur nouveau et inédit, utilisant des phénomènes magnétiques.
Un autre objet de l'invention consiste à établir un système amplificateur nouveau et inédit, dans lequel l'ac- tion d'amplification est renforcée par le déplacement des lignes de flux dé courant, observé sous l'action de l'effet Kelvin qui se manifeste dans les conducteurs magnétiques.
D'autres objets et avantages de l'invention s'impo- sent à l'esprit pour une part et seront exposés, pour l'au- tre part, dans la description qui suit et qui doit être considérée en regard des .dessins annexés, dans lesquels :
La fig. 1 est une représentation schématique d'un circuit amplificateur établi suivant les principes de l'invention.
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La fig. 2 représente la coupe transversale d'un con- ducteur magnétique plein, applicable dans l'appareil selon la fige 1.
La fig. 3 représente une coupe transversale d'un conducteur magnétique composite pouvant être utilisé dans l'appareil selon-la fige 1.
La fig. 4 représente graphiquement les rapports entre les excitations d'entrée .et les signaux de sortie dans l'ap- pareil selon la fig.l.
La fig. 5 représente schématiquement un mode d'exé- cution- de variante de l' invention.
La fig. 6 représente graphiquement les rapports en- tre les excitations d'entrée et de sortie du système selon la fig. 5.
La fige 7 représente schématiquement un autre sys- tème de variante établi conformément aux principes de l'in- vention.
La fige 8 représente schématiquement les rapports entre les signaux d'entrée et de sortie dans l'appareil selon la fig. 7.
Comme montré dans la fig. 1 des dessins annexés, une impédance de charge 10 est connectée à l'enroulement secon- daire d'un transformateur à air 12 par un conducteur disposé en 14. et un .conducteur disposé en 15. Le conducteur 14 peut être non magnétique et être constitué en cuivre,'tandis que le conducteur 15 est paramagnétique. Le secondaire 12 du transformateur à air 13 est couplé magnétiquement au primai- re 16, lequel.peut faire partie du circuit anodique réson- nant de n'importe quel système classique d'oscillateur ou d'amplificateur de puissance ou peut être alimenté par n'im- porte quelle autre source appropriée d'énergie à haute fré- quence auxiliaire.
La fréquence auxiliaire appliquée au pri- maire 16 du transformateur 13, d'une part, et les dimensions
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du conducteur paramagnétique 15, d'autre part, sont corréla- tifs, comme on le verra dans la sorte. L'extrémité d'alpen- tation et l'extrémité de charge du conducteur paramagnétique 15 sont également connectées, par l'entremise d'impédances isolantes 18; et 20 aux extrémités du secondaire d'un trans- formateur d'entrée 22 dont le primaire 23 et excité par la source d'énergie des signaux. La fréquence la plus élevée appliquée au primaire 23 du transformateur 22 est plus basse que la fréquence auxiliaire appliquée au primaire 16 du transformateur 13. Un condensateur 24 assure la dérivation de la fréquence auxiliaire autour du secondaire 21 du transfor- mateur d'entrée 22.
Les dimensions du conducteur paramagnétique 15, d'une part, et la fréquence appliquée au primaire 18 du transformateur 13, d'autre part, sont entre eux dans un rapport tel que l'impédance opposée par le conducteur 15 à l'énergie de fréquence auxiliaire est sensiblement plus éle- vee que la résistance de ce conducteur vis-à-vis du courant continu.
Dans un cas particulier, on peut supposer que le conducteur 15 est un fil de fer pur dont la section trans- versale est sensiblement analogue à celle représentée dans la fig. 2. L'impédance relativement élevée vis-à-vis de courants alternatifs de la fréquence auxiliaire relativement @ de élevée est due à l'effet Kelvin, ou '}peau", lequel agit de manière à concentrer le-flux de courant, qui s'écoule dans le conducteur 15; en une pellicule relativement mince à la surface de ce conducteur. On se reportera à l'ouvrage
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l11Zlectrcity and :¯agnetism" par Jormaii E. Gilbert, en ce qui concerne l'exposé de ce phénomène d'effet kelvin.
Les points d'ombre que l'on remarque autour de la périphérie du conduc- teur de la fig. 2 mettent en évidence cette concentration.
L'épaisseur du film peut être .aisément déterminée par le rapport
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D = ,54.¯35 / ¯d¯ cm -"\If pc u Ee rapport des résistances est exprimé très approximative- ment par
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Ra±- = 0.0060df l'PL: 0.26 3de V P où "d" est le diamètre du conducteur. remarquera immédiatement que la profondeur de pénétration et le rapport des résistances dépendent de la perméabilité du rendue-leur. Le fer qui constitue le conduc- teur 15 possède une haute .perméabilité, mais est caracté- risé par une perméabilité qui va en diminuant en présence de puissances appréciables du champ magnétique.
La tension appliquée aux bornes de l'enroulement secondaire 12, l'im- pédance du conducteur 15 et la charge 10 sont proportionnées de telle fagon que le flux de courant à travers le conduc- teur 15, à partir de la source, n'est jamais suffisant pour saturer la périphérie extérieure du conducteur en l'absence de signaux de commande. Toutefois, le circuit de commande qui s'étend depuis le secondaire 21 du transformateur 22, en passant par.les impédances d'isolement 18, 20, pour aboutir au conducteur 15, constitue un système permettant de diriger un courant supplémentaire à travers le c.onducteur 15, de manière à engendrer des forces magnétiques supplémentaires à la périphérie de ce dernier.
De telles forces magnétiques sont suffisamment importantes pour pousser le fer dans la partie de sa courbe de réponse magnétique où sa perméabilité est grandement diminuée, à la suite de quoi l'impédance vis-à-vis de l'énergie à la fréquence auxiliaire fournie par le.secondaire 12 du transformateur 13 diminue également, @ de manière à augmenter la tension de fréquence auxiliaire qui se manifeste aux bornes de la charge 10. On se reporsera à la revue "Mevierws of Lodern Physics", janvier 1947. pages 34 et 35, en ce qui concerne l'exposé et la représenta-
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tion mettant en évidence la variation de perméabilité utili- sée dans la présente invention.
Dans un cas pratique, dans lequel le conducteur peut être constitué par un filament de fer de 0,003 pouce (0,0762 mm),ayant une perméabilité de 56.000 et une fréquenc auxiliaire de un mégacycle par seconde, le rapport des ré- sistances observé peut être de l'ordre de trente à un, ce qui permet une variation très importante de la tension apparaissant aux bornes de l'impédance de charge 10 sous l'effet de signaux de commande appliqués au primaire 23 dû-transformateur 22' Dans ces conditions, une puissance de sortie d'environ trente fois aussi importante que la puis- sance d'entrée peut être réalisée lorsque l'impédance du dispositifde charge 10 se, rapproche de l'impédance minimum présentée par le conducteur 15.
Le circuit de la fig. 1 fonctionne d'une facon essen- tiellement symétrique, comme il ressort de sa caractéristique entrée-sortie représentée dans la fig. 4. Ici, les excitation: d'entrée sont portées en abscisse, tandis que la tension de sortie aux. bornes de la charge 10 est portée en ordonnée.
En l'absence d'excitations de commande d'entrée, le conduc- teur 15 présente une impédance maximum et la tension aux bornes de la charge 10 présente une valeur minimum. Lorsque l'excitation d'entrée croit dans le sens positif, de l'éner- gie à la fréquence auxiliaire est appliquée en quantités croissantes à l'impédance de charge 10, comme .1' indique la partie 'de droite de la courbe 26. Inversement, lorsque l'excitation d'.entrée croit dans le sens négatif, la tension de sortie apparaissant aux bornes de la charge 10 croît éga- lement. Une amplification linéaire peut être obtenue avec ce système en appliquant un courant de polarisation au conduc- teur 15 par l'entremise d'autres circuits isolants appropriés.
Bien. que l'on ait représenté en 18 et en 20, dans la fig.l,
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des bobines de choc à haute impédance en tant qu'impédances d'isolement, il est bien entendu que des bobines d'induction d'une impédance moins élevée peuvent être employées en ces points, conjointement avec des systèmes prévus pour les faire résonner à la fréquence auxiliaire, ou que l'on peut utiliser des filtres passe-.bas appropriés.
. La fig. 3 représente une section transversale de variante du conducteur qui peut être employé en 15 dans la fig. 1. Ce conducteur présente un caractère composite et com- porte un noyau intérieur à haute conductivité 28, qui peut être constitué en cuivre, en argent, ou analogues, ainsi qu' une partie paramagnétique 30, caractérisée par la plus haute perméabilité qui puisse être réalisée sans difficulté. Les substances paramagnétiques utilisées possèdentgénéralement une résistivité unitaire plus élevée que le cuivre ou l'ar- gent. L'utilisation d'un conducteur du type représenté dans la fig. 3 a pour effet d'abaisser, d'un facteur de 1' ordre de cinq, l'impédance minimum présentée par le conducteur.15 lorsque ses couches extérieures sont magnétiquement saturées.
Cette construction présente l'avantage de réduire la puis- sance des signaux nécessaires pour saturer les parties exté- rieures du conducteur composite de la fig. 3 et, par consé- quent, élève notablement le gain de puissance réalisable à l'aide du système selon la fig. 1. Du point de vue qualita- tif, il apparaît que, lorsque la profondeur de la "'peau" atteint l'épaisseur de la couche magnétique extérieure 30, la presque totalité de la section transversale du conduc-- teur composite 'de la fig. 3 participe au processus de conduc- tion.
La pente de certaines parties de la courbe de la fig. 4 sera augmentée par l'emploi du conducteur composite selon la fig. 3; toutefois, pour de nombreuses applications, en particulier pour l'amplification d'impulsions, ceci ne repré- sente pas une restriction sérieuse.
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Le gain de puissance réalisable avec le système à cour- be de réponse symétrique, selon la fig. le peut être accru par l'insertion d'un conducteur unilatéral en série avec la charge 10 de la fig. 1. La fig. 5 représente ce mode de construction;' ici, l'impédance de charge 10 est connectée au secondaire 12 du transformateur 13 par l'entremise d'un conducteur 14 du conducteur unilatéral 32 et du conducteur paramagnétique 15. L'énergie de commande est appliquée au conducteur 15 à partir du secondaire 21 du transformateur 22 par l'entremise des circuits-bouchons 34, 36. qui sont accor- dés .de manière à rejeter la fréquence auxiliaire présente dans le circuit primaire du transformateur 13.
Le conducteur unilatéral 32 de la fig. 5 sert essen- tiellement à rendre inopérant le circuit amplificateur pen- dant les demi-cycles de la tension auxiliaire caractérisés par une polarité déterminée. La polarité des demi-cycles de tension auxiliaire, est choisie, en considérant l'impédance inverse du conducteur unilatéral 32, de façon qu'elle sende à envoyer, à travers le conducteur paramagnétique 15, un courant dans le'sens opposé au sens positif du courant de signaux en 15.
Lorsque le conducteur unilatéral 32 est orien- té dans le sens ainsi déterminé, les demi-cycles restants de la tension auxiliaire - c'est-à-dire, deux qui ne font pas l'objet d'une discrimination par suite de la présence du conducteur unilatéral 32 - ont toujours tendance à envoyer du courant à travers le conducteur paramagnétique 15, de manière à favoriser tout courant de signal positif qui circulerait déjà dans ce conducteur.
Il en résulte que dans le cas où un courant de signal positifs'établirait dans le conducteur paramagnétique 15 (ce courant tendant à saturer les parties extérieures extrêmes de ce conducteur et, par conséquent, à réduire l'effet Kelvin de de conducteur et donc aussi son impédance vis-à-vis du courant de fréquence
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auxiliaire), le courant que la tension auxiliaire serait à môme de susciter dans le conducteur 15 favoriserait toujours cet effet de saturation du courant de signal. L'adjonction du conducteur unilatéral 32 a pour effet d'empêcher qu'un demi-cycle sur deux de la tension auxiliaire n'agisse dans le sens de la désaturation des parties extérieures du con- ducteur paramagnétique 16 .'-lorsque ces parties ont été satu rées par le courant de. commande positif.
Le gain de puissan ce réalisable avec. le circuit de variante selon la fig. 5 sera donc plus important que celui réalisable avec. le circuit de la f ig. 1.
Au contraire, lorsque dans le circuit de la fige 5, le courant du signal se dirige dans le sens négatif dans le conducteur paramagnétique 15, son effet de saturation sur des parties de ce conducteur rencontrera toujours l'op- position des demi-cycles de la fréquence auxiliaire qui n'ont pas fait l'objet d'une discrimination de la part du conducteur unilatéral 32, avec le résultat que l'on ob- tiendra dans ce cas un gain de puissance moins élevé que pour les courants de commande positifs. La courbe de réponse caractéristique entrée-sortie du système selon la fig. 5 sera donc asymétrique, la sortie correspondant aux courants de commande positifs étant plus élevée que pour les courants de commande négatifs, comme montré dans la fig. 6.
Des cas 'peuvent se présenter où il est- souhaitable d'isoler électriquement le circuit des signaux de commande d'avec le circuit commandé. Cette condition est remplie et satisfaite par le dispositif selon la fig. 7, dans lequel l'impédance de charge 10 peut être connectée au secondaire 12 du transformateur de fréquence auxiliaire 13 par l'en- tremise d'un conducteur 14 et d'un second conducteur para- magnétique 40. Ce dernier conducteur peut être entouré d'un enroulement hélicoïdal 42 disposé concentriquement et
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alimente en énergie depuis la source de signaux de commande 44. Si l'on désire améliorer le rendement du circuit magné- tique, on peut y adjoindre une culasse 46.
Cette dernière est munie, dans ses branches descendantes, d'orifices desti- nés à recevoir le donducteur et est caractérisée par une bonne perméabilité de service aux fréquences maximum qui apparaissent dans les circuits des signaux de commande. A propos des circuits des fige. 1 et 5, décrits plus haut, il convient de noter que les vecteurs magnétiques se situent dans unsens normal par rapport à la longueur du fil, c'est- à-dire, dans le plan de sa section transversale normale.
Les vecteurs magnétiques fournis par les circuits des si- -gnaux de commande s'ajoutent directement aux vecteurs magné- tiques dus au passage'du courant auxiliaire à travers le conducteur de commande, ou se retranchent directement de ces derniers vecteurs. Toutefois, dans le système de la fig.
7, les vecteurs magnétiques engendrés par le courant de fré- quence auxiliaire et par le courant de fréquence de commande sont disposés perpendiculairement les uns par rapport aux autres cependant que le vecteur engendré par le courant de fréquence auxiliaire est situé, comme précédemment, dans le plan de la section transversale normale du conducteur 40, tandis que'le vecteur magnétique engendré par le courant de commande .qui traverse la bobine 42 est disposé dans le sens longitudinal du conducteur 40 et est situé prpendicu- lairement par rapport au vecteur engendré par.le courant de fréquence auxiliaire. Les deux vecteurs donnent naissance à un vecteur résultant, comme il est connu en soi, qui, lorsqu'il est d'une grandeur suffisante, sature la périphé- rie du conducteur 40.
Le conducteur 40 peut être, comme précédemment, soit un conducteur paramagnétique plein, soit un conducteur paramagnétique composite, comme montré respec- tivement dans les figs. 2 et 3. La caractéristique de com- mande ou entrée-sortie du circuit de la fige 7 est repré-
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sentée dans la fig. 8 et est symétrique par rapport à l'axe d'excitation, zéro de la part des circuits des signaux de com- mande. En l'absence d'excitation dans le circuit d'entrée, le conducteur 40 possède l'impédance maximum, cette impédan- ce diminuant progressivement à mesure que l'excitation du circuit d'entrée augmente soit dans le sens positif, soit dans le sens négatif.
Bien que l'effet d'amplification principal soit dû aux impulsions 'de courant qui passent dans les cir- cuits des figs. 1 et 5, pendant les demi-cycles de l'énergie de fréquence auxiliaire,caractérisés par l'une ou l'autre polarité, l'addition vectorielle de vecteurs disposés nor- malement;
dans la fige 7 fait en sorte que les demi-cycles positifs et négatifs de la fréquence auxiliaire apporte cha- cun une contribution égale, On peut démontrer que la puissance qui a été dérivée des circuits du type montré dans les fige. 1 et 5 s'exprime approximativement par le rapport
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-L -12 Ca + 1) aRa .16 2' où H est l'intensité magnétique requise pour saturer la péri- phérie extérieure du conducteur paramagnétique. Le gain de .puissance pour un tel circuit s'exprime avec une très grande approximation par la relation
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1. {a -:- 1 ...
8 ' 1 où a représente le rapport des impédances observé en ce qui concerne l'énergie de courant alternatif et l'énergie de cou- rant continu. Dans le cas supposé d'un conducteur de 0,003 pouce ( 0,0762 ces) excité à une fréquence auxiliaire de 1 mégacycle par seconde, le gain de puissance réalisable est de l'ordre de 80. D'autres perfectionnements peuvent être réali- més, comme indiqué plus haut, par l'emploi de structures com- posités pour le conducteur de commande et, par l'adjonction
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d'un conducteur unilatéral en série avec la charge de l'amplificateur.
Un revêtement paramagnétique sur un conducteur ayant la structure composite de la fig. 3 peut être produit avantageusement par dépôt électrolytique sur une base de cuivre. Les épaisseurs de l'ordre de quelques dix-millièmes de pouce (quelques millièmes de mm) représentent des pro- fondeurs de placege satisfaisantes.
D'autres variantes d'applications, qui ne s'écar- tent pas sensiblement des principes de l'invention, appa- raîtront aux hommes de métier après nouvelle étude.
REVENDICATIONS
1. Dispositif amplificateur électrique caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur au moins partiellement paramagnétique,un dispositif de charge, un premier cir- cuit fournissant de l'énergie d'une première fréquence à la dite charge,par l'intermédiaire du conducteur susdit, et un second circuit, en parallème avec cette charge et ce conducteur,ce second circuit transportant une énergie à une fréquence différente et inférieure, à travers le conducteur, pour influencer le champ magnétique dans au moins'une partie du conducteur précité.