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PERFECTIONNEMENTS AU GENERATEUR d'OSCILLATIONS à ELEMENT PIEZOELECTRIQUE-
La présente invention se rapporte aux oscillateurs dans lesquels la fréquence est réglée au moyen d'un dispositif piézo-électrique,un cristal de quartz par exemple.Elle permet d'établir des oscillateurs du type considéré dans lesquels la fréquence des oscillations entretenus est moins sérieusement affectée que dans les oscillateurs actuels par les réglages des circuits et les influences extérieures.
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Ces oscillateurs se caractérisent par la stabilité de leur fréquence et ils sont susceptibles de donner une énergie à haute fréquence beaucoup plus élevée à la sortie d'un tube à décharge donné qu'avec les oscillateurs usuels.
L'invention ajoute à ces caractéristiques et avantages,la possibilité d'utiliser un tube à décharge à trois électrodes fonctionnant sous une tension anodique extrêmement élevée, sans soumettre le cristal à des efforts susceptibles d'en entraîner la rupture.
On comprendra lieux les caractéristiques nouvelles et les avantages de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent,donnés simplement à titre d'exemple non limitatif,et dans lesquels :
La Fig. 1 représente une forme de réalisation de l'invention.
La Fig. 2 est une variante.
Dans la Fig. 1 on voit un tube à décharge électronique comportant une anode I,une grille 2 et une cathode 3.Entre la grille et la cathode est disposé un quartz piézo-électrique 4 en série avec un circuit accordé comprenant une inductance 5 et un condensateur 6.Le quartz est shunté par une résistance 7,suivant l'usage,pour offrir un passage au courant de grille et pour établir une polarisation appropriée de cette grille.L'inductance 5 du circuit accordé comprend l'enroulement secondaire d'un transformateur abaisseur de tension dont le primaire 8 est branché entre anode et cathode du tube à décharge, en série avec une source de potentiel anodique 9.Si on le désire, une bobine de choc 10 peut être disposée en série avec la source 9, et un conden- sateur by-pass(en dérivation avec celle-ci)
peut servir à éviter le passage des courants de haute-fréquence dans la batterie 9.Les oscillations produites entre anode et cathode du tube à décharge peuvent être'fournies à un circuit d'utilisation quelconque.Le dessin représente, par le rectangle
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12, les étages d'amplification d'un émetteur de T.S.F. au moyen duquel les oscillations émanant de l'anode I sont amplifiées et fournies à l'antenne 13.
Le fonctionnement de cet oscillateur peut être perfectionné en réglant le circuit 5-6 sur une fréquence intermédiaire comprise entre un quart et trois quarts de la fréquence du cristal, et en montant le transformateur 5-8 de manière à amortir le circuit d'entrée en l'absence du cristal c'est-à-dire de manière telle que,si la grille était connectée directement à l'extrémité de l'enroulement 5 ou si le cristal 4 était retiré du circuit,le système ne pourrait pas osciller par suite de l'accouplement entre les circuits d' anode et de grille.Le cristal, dans le système ainsi disposé, parait affecter la phase des oscillations appliquées sur la grille 2, de telle sorte qu'il se produit des oscillations.
En d'autres termes,il semble que la f.e.m.sur la borne de grille de l'enroulement 5 et la f.e.m;appliquée à la grille soient pratiquement en opposition de phase sous l'action du cristal,On a trouvé que,avec le système ainsi réglé,des oscillations de grande puissance sont produites dans le circuit de sortie,ayant la fréquence naturelle du cristal, et qu'en outre la fréquence de ces oscillations demeure insensible au réglage de circuit sur une très large échelle.par exemple,la fréquence reste pratiquement constante sur toute l'étendue des réglages du circuit 5-6 pour la résonance à toute fréquence tombant entre le quart environ et les trois quarts de la fréquence du cristal.
Avec le circuit accordé dans cette région, on n'a trouvé aucune conditions dans laquelle le système oscille'à une fréquence naturelle du cristal.Si l'accord du circuit est modifié et écarté du voisinage de 3/4 de la fréquence naturelle du cristal,et rapproché de cette fréquence, les oscillations cessent jusqu'à ce que soit atteint un point pour lequel le circuit est accordé sur une fréquence pratiquement égale à,ou légèrement supérieure à la fréquence du cris-tal,et des oscillations sont de nouveau produites sur un étroit accord du circuit.Au delà de cette zone,les oscillations
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cessent de nouveau.
Dans la construction des générateurs d'oscillations, on a jusqu'ici eu l'habitude de régler les circuits d'anode sur une fréquence fixe qui peut être égale ou lérèrement supérieure à la fréquence du cristal, et on disposait alors les circuits de façon que le circuit d'anode fût accouplé au circuit de grille par la seule capacité inhérente existant entre grille et anode du tube à décharge,le cristal étant relié entre grille et cathode.Ainsi établis,les appareils fonctionnent seulement par l'effet du couplage inhérent entre anode et grille à l'intérieur du tube à décharge.
Dans le système objet de l'invention,les oscillations sont au contraire produites seulement par l'effet du couplage serré qui existe entre les bobines 5 et 6.on a trouvé que, si ce couplage est supprimé ou si l'enroulement 5 est court-circuité, les oscillations cessent immédiatement.Cela reste vrai même si les enroulements primaires 8 ont une période naturelle supérieure à la fréquence du cristal.La capacité inhérente entre anode et grille du système construit suivant l'invention,n'a aucun effet apparent sur le fonctionnement du système,et on peut l'éliminer en utilisant, par exemple un tube à décharge à grille-écran dans lequel la grille est maintenue à un potentiel positif tout en étant mise à la terre au moyen d'un condensateur qui la relie à la cathode,sans affecter fâcheusement le fonctionnement du système.
Un autre avantage important qui résulte de l'invention,réside dans le fait qu'on peut utiliser des tensions anodiques extrêmement élevées, sans sownettre le cristal à des efforts dangereux.On a l'habitude,dans les oscillateurs à tube à décharge électronique connus jusqu'ici,d'utiliser une tension anodique relativement faible, moins de la moitiépar exemple de la tension maximum normale de l'anode du tube à décharge.Cette précaution est nécessaire pour assure la stabilité désirée au fonctionnement du système sous le contrôle du cristal,et.pour protéger ce cristal contre les efforts excessifs.On a trouvé
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cependant que, avec le circuit disposé comme indiqué ici,il était possible d'utiliser une tension anodique à peu près égale,ou même supérieure,à la tension normale du tube à décharge,
sans réduire la stabilité et sans l'amener au-dessous de ce qu'il est possible d'obtenir de mieux avec les meilleurs circuits comme utilisant au plus 50% de la tension anodique nominale.Comme exemple spécifique,lorsqu'on utilisé un tube à décharge particulier,du genre U. 210;on peut employer une tension anodique de 400 volts sans soumettre le cristal à des efforts dangereux; et au contraire,quand ce tube à décharge est monté dans les circuits connus jusqu'ici, il est dangereux d'utiliser une tension'dépassant 50% de cette valeur.
Comme épreuve da bon fonctionnement du dispositif,la Société Demanderesse,l'a monté de façon à contrôler la fréquence d'un émetteur de radio-diffusion de grande puissance fonctionnant à une fréquence de 790 kilocycles par. seconde.Il est resté en service continu pendant un mois et, durant ce temps,les variations de la fréquence maximum,par rapport à la normale,n'ont pas dépassé 7 périodes et l'écart de la fréquence moyenne 4,6 périodes.
Un oscillateur à circuit anodique accordé, dans lequel la capacité entre grille et plaque assurait le fonctionnement du dispositif émetteur., et dans les mêmes conditions de fonctionnement,y compris le même tube à décharge et les mêmes valeurs des tensions de fonctionnement,à (pour une période d'un mois) donné un écart de fréquence maximum par rapport à la normale de 90 périodes et un écart de fréquence moyenne de 35 périodes.Dans cet essai,la tension anodique utilisée avait une valeur appropriée à ce dernier type de circuit.Même dans ces conditions,le débit obtenu du circuit établi suivant l'invention était à peu pràs une fois et demie plus grand que celui qu'on obtenait avec les appareils connus jusqu'ici pendant la durée totale des essais.
La variante de la Fig. 2 assure des avanta-
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ges supplémentaires : on y a introduit une réactance 14 en série avec le circuit d'anode du tube à décharge, et un condensateur 15 relié de façon variable aux bornes d'une partie de cette résistance.pour permettre de modifier la résistanoe en courant alternatif du circuit de plaque.
C'est une disposition avantageuse au cas où l'impédance du circuit d'entrée du transformateur 8-5 (comme il en résulte par exemple de la capacité distribuée de l'enroulement 8) est faible comparativement à l'impédance anodique du tube à décharge,à la fréquence de fonctionnement du système.
Dans ce cas,la résistance apparente du circuit anodique doit être de valeur voulue pour que l'impédance extérieure du circuit anodique s'accorde approximativement,c'est-àdire soit adaptée à l'impédance interne du tube à décharge, ou dans le cas d'un tube à faible impédance, pour dépasser cette impédance interne. Au cas où le système est étudié pour fonctionner à une seule fréquence la résistance 14 peut être omise et la bobine 8-5 étudiéede façon à fournir l'impédance désirée ;mais le système fonctionne sur une gamme de fréquence déterminée, il est généralement désirable que la résistance soit utilisée pour maintenir l'impédance du circuit de plaque à la valeur voulue,aux fréquences où l'impédance de la bonine est trop faible pour un fonctionne ment efficace du tube à décharge.
La résistance a pour effet d'augmenter la portée de réglage des circuits pour laquelle on désire faire fonctionner le système,sous le contrôle du cristal.On a trouvé qu'avec un réglage approprié de la résistance 14,il était possible de produire des oscillations ayant la fréquence du cristal, sur une gamme de réglage du circuit 5-6 couvrant des fréquences variant entre un quart de la fréquence du cristal et la fréquence même de ce cristal,et même légèrement au-dessus de cette dernière fréquence,suivant l'activité du cristal utilisé.L'impédance pour laquelle le cir-
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cuit 5-6 est accordé pour le meilleur fonctionnement du système, varie toujours aveo la fréquence naturelle du cristal.Par exemple, un cristal ayant la fréquence naturelle de I.928,75 kilocycles a,
d'après les essais de la Société demanderesse,son meilleur fonctionnement quand le circuit de grille est accordé sur une fréquence voisine de 94 % de la fréquence du cristal;tandis qu'un cristal à fréquence naturelle de 4.750 kilocycles a son fonctionnement optimum avec son circuit de grille accordé pour 72 % environ de la fréquence du cristal .Des cristaux ayant des fréquences naturelles intermédiaires ont le fonctionnement optimum avec le circuit de grille accordé à des pourcentages intermédiaires de la fréquence du cristal.
Ainsi,pour le meilleur fonctionnement du système,le pourcentage de la fréquence du cristal, pour laquelle le circuit 5-6 doit être accordé, diminue lorsque la fréquence du cristal augmente.Aux très faibles fréquences par exemple,avec un cristal de I00 kilocycles,il n'est donc plus nécessaire d'isoler la cellule de la terre pour éviter certains effets de capacité indésirables.
La résistance 7 est,dans la figure,reliée directement entre grille et cathode.
Bien qu'on ait représenté et décrit deux formes de réalisation de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières,données simplement à titre d'exemple et sans aucun caractère restrictif, et que par conséquent toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.
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IMPROVEMENTS TO THE PIEZOELECTRIC ELEMENT OSCILLATION GENERATOR-
The present invention relates to oscillators in which the frequency is adjusted by means of a piezoelectric device, a quartz crystal for example. It makes it possible to establish oscillators of the type considered in which the frequency of the sustained oscillations is less seriously affected only in current oscillators by circuit settings and external influences.
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These oscillators are characterized by the stability of their frequency and they are capable of giving a much higher high frequency energy at the output of a given discharge tube than with the usual oscillators.
The invention adds to these characteristics and advantages, the possibility of using a three-electrode discharge tube operating at an extremely high anode voltage, without subjecting the crystal to forces liable to cause it to break.
The new features and advantages of the invention will be understood by referring to the following description and to the accompanying drawings, given simply by way of non-limiting example, and in which:
Fig. 1 represents an embodiment of the invention.
Fig. 2 is a variant.
In Fig. 1 shows an electronic discharge tube comprising an anode I, a grid 2 and a cathode 3. Between the grid and the cathode is arranged a piezoelectric quartz 4 in series with a tuned circuit comprising an inductor 5 and a capacitor 6. The quartz is shunted by a resistor 7, according to use, to provide a passage for the gate current and to establish an appropriate polarization of this gate. Inductor 5 of the tuned circuit comprises the secondary winding of a step-down transformer of voltage whose primary 8 is connected between anode and cathode of the discharge tube, in series with a source of anode potential 9. If desired, a shock coil 10 can be arranged in series with the source 9, and a condenser. by-pass sator (in bypass with it)
can be used to avoid the passage of high-frequency currents in the battery 9. The oscillations produced between anode and cathode of the discharge tube can be supplied to any circuit of use. The drawing represents, by the rectangle
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12, the amplification stages of a T.S.F. by means of which the oscillations emanating from the anode I are amplified and supplied to the antenna 13.
The operation of this oscillator can be improved by setting circuit 5-6 to an intermediate frequency between one quarter and three quarters of the crystal frequency, and by mounting transformer 5-8 so as to damp the input circuit in the absence of the crystal i.e. in such a way that, if the gate was connected directly to the end of the winding 5 or if the crystal 4 was removed from the circuit, the system could not therefore oscillate of the coupling between the anode and gate circuits. The crystal, in the system thus arranged, appears to affect the phase of the oscillations applied to the gate 2, so that oscillations occur.
In other words, it seems that the emf on the gate terminal of winding 5 and the emf applied to the gate are practically in phase opposition under the action of the crystal, It has been found that with the system so set, high power oscillations are produced in the output circuit, having the natural frequency of the crystal, and furthermore the frequency of these oscillations remains insensitive to circuit tuning on a very large scale. for example, frequency remains nearly constant over the full range of the settings in circuit 5-6 for resonance at any frequency falling between about a quarter to three quarters of the crystal frequency.
With the circuit tuned in this region, no conditions were found in which the system oscillates at a natural frequency of the crystal. If the tuning of the circuit is changed and moved away from around 3/4 of the natural frequency of the crystal. , and brought closer to this frequency, the oscillations cease until a point is reached at which the circuit is tuned to a frequency almost equal to, or slightly higher than, the frequency of the cris-tal, and oscillations are again produced on a close tuning of the circuit. Beyond this zone, the oscillations
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cease again.
In the construction of oscillation generators, it has heretofore been customary to set the anode circuits to a fixed frequency which may be equal to or slightly greater than the frequency of the crystal, and the circuits were then arranged in such a way. that the anode circuit was coupled to the grid circuit by the only inherent capacitance existing between grid and anode of the discharge tube, the crystal being connected between grid and cathode. Thus established, the devices operate only by the effect of the inherent coupling between anode and grid inside the discharge tube.
In the system which is the subject of the invention, the oscillations are on the contrary produced only by the effect of the tight coupling which exists between the coils 5 and 6, it has been found that, if this coupling is eliminated or if the coil 5 is short -circuity, the oscillations cease immediately. This remains true even if the primary windings 8 have a natural period greater than the frequency of the crystal. The inherent capacitance between anode and gate of the system built according to the invention, has no apparent effect on system operation, and can be eliminated by using, for example, a screen-grid discharge tube in which the grid is held at a positive potential while being grounded by means of a capacitor that connects it at the cathode, without adversely affecting the operation of the system.
Another important advantage which results from the invention resides in the fact that extremely high anode voltages can be used without subjecting the crystal to dangerous stresses. It is usual in known electronic discharge tube oscillators heretofore, to use a relatively low anode voltage, less than half, for example, the normal maximum voltage of the anode of the discharge tube. This precaution is necessary to ensure the desired stability in the operation of the system under the control of the crystal. , and. to protect this crystal from excessive strain.
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however, that with the circuit arranged as shown here it was possible to use an anode voltage roughly equal to, or even greater than, the normal voltage of the discharge tube,
without reducing the stability and without bringing it below what is best possible with the best circuits as using at most 50% of the nominal anode voltage. As a specific example, when using a tube with particular discharge, of the type U. 210, an anode voltage of 400 volts can be used without subjecting the crystal to dangerous stresses; and on the contrary, when this discharge tube is mounted in circuits known hitherto, it is dangerous to use a voltage exceeding 50% of this value.
As a proof of proper functioning of the device, the Applicant Company has mounted it so as to control the frequency of a high-power radio-broadcasting transmitter operating at a frequency of 790 kilocycles per. It remained in continuous service for one month and, during this time, the variations of the maximum frequency, compared to the normal, did not exceed 7 periods and the deviation from the average frequency 4.6 periods.
A tuned anode circuit oscillator, in which the capacitance between gate and plate ensured the operation of the emitting device., And under the same operating conditions, including the same discharge tube and the same values of the operating voltages, at (for a period of one month) gave a maximum frequency deviation from normal of 90 periods and an average frequency deviation of 35 periods. In this test, the anode voltage used had a value suitable for this latter type of circuit. Even under these conditions, the flow rate obtained from the circuit established according to the invention was approximately one and a half times greater than that obtained with the devices known hitherto during the total duration of the tests.
The variant of FIG. 2 provides advantages
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Additional ges: there is introduced a reactance 14 in series with the anode circuit of the discharge tube, and a capacitor 15 variably connected to the terminals of a part of this resistor. to allow the resistance to be modified in alternating current of the plate circuit.
This is an advantageous arrangement in the event that the impedance of the input circuit of transformer 8-5 (as it results for example from the distributed capacitance of winding 8) is low compared to the anode impedance of the tube to discharge, at the operating frequency of the system.
In this case, the apparent resistance of the anode circuit must be of the desired value so that the external impedance of the anode circuit approximately matches, i.e. is matched to the internal impedance of the discharge tube, or in the case of a low impedance tube, to exceed this internal impedance. In case the system is designed to operate at a single frequency resistor 14 can be omitted and coil 8-5 designed to provide the desired impedance; but the system operates over a set frequency range it is generally desirable that the resistor is used to maintain the impedance of the plate circuit at the desired value, at frequencies where the impedance of the bar is too low for efficient operation of the discharge tube.
The resistance has the effect of increasing the range of adjustment of the circuits for which it is desired to operate the system, under the control of the crystal. It has been found that with an appropriate adjustment of resistance 14, it is possible to produce oscillations. having the frequency of the crystal, over an adjustment range of circuit 5-6 covering frequencies varying between a quarter of the frequency of the crystal and the frequency of this crystal itself, and even slightly above the latter frequency, according to the activity of the crystal used The impedance for which the
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fired 5-6 is tuned for the best functioning of the system, always varies with the natural frequency of the crystal, for example, a crystal with the natural frequency of I 928.75 kilocycles a,
according to the tests of the Applicant Company, its best operation when the gate circuit is tuned to a frequency close to 94% of the frequency of the crystal; while a crystal with a natural frequency of 4,750 kilocycles has its optimum operation with its gate circuit tuned for about 72% of the crystal frequency. Crystals having intermediate natural frequencies perform best with the gate circuit tuned at intermediate percentages of the crystal frequency.
Thus, for the best functioning of the system, the percentage of the frequency of the crystal, for which the circuit 5-6 must be tuned, decreases as the frequency of the crystal increases.At very low frequencies for example, with a crystal of I00 kilocycles, it is therefore no longer necessary to isolate the cell from the earth to avoid certain undesirable capacitance effects.
Resistor 7 is, in the figure, connected directly between grid and cathode.
Although two embodiments of the invention have been represented and described, it is obvious that one does not wish to be limited to these particular forms, given simply by way of example and without any restrictive character, and that consequently all the variants having the same principle and the same object as the arrangements indicated above would fall within the scope of the invention as they do.