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Commande du courant de grille d'un oscillateur.
L'invention concerne les dispositifs de régulation pour appareils à tubes électroniques et, en particulier, un dispositif de réglage de la relation entre courant de sortie et tension de sortie pour un générateur d'oscillations à tubes électroniques.
Si on utilise des générateurs d'oscillations pour la production de courants électriques à haute fréquence utilisés pour le chauffage par induction ou le chauffage de charges diélectriques, il est souvent important de pouvoir régler la manière dont la tension de sortie varie en fonction des variations dans les carac- téristiques électriques de la charge. Par exemple, lorsqu'on chauffe une charge diélectrique, la constante diélectrique et le facteur de puissance subissent de grandes variations quand la tem- pérature de la charge s'élève. Ceci entraîne un changement de la
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fréquence de résonance de la charge avec comme résultat de très sérieuses modifications dans la tension et le courant de sortie ainsi que dans d'autres conditions de fonctionnement du générateur d'oscillations.
A défaut de certaines mesures préventives, il peut en résulter une surcharge de tension ou de courant pour di- vers éléments tels que les électrodes de grille et de plaque d'un tube électronique utilisé comme générateur d'oscillations.
Quoiqu'il soit possible de prendre des mesures préventi- ves jusqu'à un certain point par l'utilisation de relais mécaniques de surcharge, ceux-ci se sont avérés insuffisants aux fréquences les plus élevées fréquemment utilisées.
Le but principal de l'invention est donc de créer un dispositif dans lequel des variations dans les caractéristiques électriques d'un circuit de charge à haute fréquence règleront la tension créée par un générateur haute fréquence.
A cet effet, l'invention consiste essentiellement en un générateur d'oscillations, spécialement destiné au chauffage haute fréquence, comprenant un tube oscillateur à grille de commande, dans lequel la polarisation de grille pour le tube oscillateur est produite en redressant la sortie d'un circuit résonnant de commande couplé inductivement au circuit de sortie de l'oscillateur et qccordé de telle manière que tout changement de fréquence, dû à des variations d'impédance de la charge connectée au générateur d'oscillations, produit un réglage déterminé de la tension de sor- tie de l'oscillateur.
A titre d'exemple, doux formes d'exécution choisies de l'invention sont représentées dans le dessin.
La figure 1 est un schéma d'un circuit conforme aux principes de l'invention.
La figure 2 donne un groupe de courbes servant à l'exposé des principes de l'invention ; et , @
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La figure 3 est un schéma d'un circuit montrant comment l'invention est appliquée au chauffage d'une charge magnétique .
Comme le montre la figure 1, un tube à décharge électrique 1 composé d'une anode 2, d'une cathode 3 et d'une électrode de com- mande 4, reçoit du courant de la borne positive 5 d'une source de courant continu dont la borne négative est mise à la terre.
L'anode 2 et l'électrode de commande 4 sont reliées entre elles par un condensateur de blocage 6, une self 7 et un condensateur de by-pass 8. La cathode 3 est reliée à un point intermédiaire sur la self 7 et l'extrémité de cette self éloignée de l'anode 2 est mise à la terre. Une charge 9 et un condensateur variable 10 sont mis en parallèle sur la self 7. Les circuits décrits jusqu'ici sont les circuits de type classique d'un générateur d'oscillations.
L'électrode de commande 4 est reliée à la terre à travers une self 11 et une paire de résistances 12 et 13.
La self 7, la charge 9 et le condensateur 10 forment un circuit oscillant dont la fréquence de résonance dépend de l'induc- tance et de la capacitance pures des éléments 7, 9 et 10. Quand la température de la charge 9 varie, cette fréquence de résonance varie en conséquence et il en est de même de la tension et du courant de sortie produits par le tube 1 dans la self 7. Il serait donc possible, pour toute charge 9 quelconque, de reproduire la loi qui relie la fréquence de ce circuit oscillant à la tension de sortie du générateur 1, ou, comme variante dans le cas d'une charge diélectrique, de reproduire la courbe reliant la constante diélectrique, ou la température, de la charge 9 à la tension de sortie du tube 1.
Pour pouvoir étudier la forme de telles courbes caractéristiques, on décrira ci-après les circuits restants de la figure 1.
Cet appareillage de commande comprend une self 14 couplée inductivement à la self 7. La self 14 est shuntée par un condensa- teur variable 15 aux bornes duquel sont reliées les anodes d'un
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redresseur à double alternance 16. La cathode de celui-ci est con- nectée par un condensateur de by-pass 17 au point milieu de la self 14. Le condensateur 17 est shunté par la résistance 13.
Le mode de fonctionnement du circuit de commande décrit ci-dessus est supposé être le suivant. Avant de connecter la charge 9, le condensateur 15 est réglé à une certaine valeur ayant une correspondance voulue avec la fréquence du circuit oscillant 7-10 de la figure 1. Cette correspondance est un facteur de détermination de la forme de la courbe reliant la tension du tube générateur 1 aux caractéristiques, telles que la réactance, de la charge 9.
Comme premier exemple, le condensateur 15 est réglé de façon que le circuit 14, 15 résonne à la même fréquence que le circuit oscil- lant 7,10. C'est le cas où il n'y a pas de charge.
Sur la figure 2, la courbe A représente la relation qui existe entre la tension induite aux bornes du redresseur 16 (portée en ordonnées) et la fréquence du courant qui parcourt la self 7 (portée en abscisses). La verticale f1 de la fréquence 2 correspond à la fréquence de résonance du circuit 14, 15.
Il est évident que la tension de poiarisation fournie par le re- dresseur 16, et donc la chute de tension continue dans la résis- tance 13, est maximum à cette fréquence de résonance. La polarité de la chute de tension dans la résistance 13 est telle qu'elle applique une polarisation négative au tube 1, de façon à réduire la tension de sortie de ce tube à un minimum.
Quand la charge 9 est ajoutée en parallèle à la self 7, la réactance totale du circuit oscillant comprena.nt les éléments 7, 9 et 10 sera changée dans son ensemble et la fréquence de la tension appliquée au circuit 14, 15 prendra, une valeur différente de f1. Ce changement de fréquence fera décroître la tension appli- quée au redresseur 16, quel que soit le sens de ce changement, comme la figure 2 le montre à l'évidence, et il en résultera une
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diminution correspondante de la polarisation négative appliquée par la résistance 13 à l'électrode de commande 4 du tube 1. La tension de sortie du tube générateur 1 augmentera d'autant.
Le rôle du circuit de commande 14, 15,16 est donc de réagir contre une diminution quelconque de la tension de sortie de l'oscillateur 1 provoquée par une variation des constantes diélectrique ou magnétique de la charge.
Le pourcentage de variation de la tension appliquée au redresseur 16 dû à un glissement donné de fréquence par rapport à f1 dépendra du facteur Q du circuit résonnant 14, 15 ; ce pourcentage peut varier dans de larges limites, si l'on établit convenablement le circuit résonnant. Comne la tension de sortie du tube 1 est largement déterminée par la tension de polarisation ap- pliquée par le redresseur 16 à la résistance 13, il s'ensuit que la forme de la courbe donnant la tension de sortie du tube 1 en fonc- tion de la fréquence du circuit de charge (ou, ce qui revient au même, en fonction de la réactance ou des constantes diélectri- ques de la charge 9) peut varier dans de larges proportions, en donnant au Q du circuit 14, 15 la valeur appropriée.
On peut atteindre le même but en variant le couplage entre les selfs 7 et 14.
Si le circuit 14, dans l'exemple donné, résonne à la fréquence de l'oscillateur quand la charge 9 est enlevée du circuit, il peut y avoir des cas où l'on désire qu'une variation de la fréquence de l'oscillateur dans un sens provoque une aug- mentation de la tension produite par le tube 1, et qu'une varia- tion dans l'autre sens provoque une diminution de la tension pro- duite par le tube 1 et cela dans une gamme étendue de fréquences.
On peut arriver à ce résultat en établissant une relation appro- priée entre la fréquence de résonance du circuit 14, 15 et celle
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du circuit oscillant 7, 9, 10. Donc si la verticale f2 de la figure 2 représente la fréquence du circuit oscillant 7, 9,10 à laquelle le tube 1 travaille à un moment quelconque, et si la courbe A représente la courbe de résonance du circuit 14, 15, il est évident que si la fréquence de l'oscillateur se déplace de la valeur f2 dans un sens, la tension appliquée au redresseur 16 et donc la polarisation appliquée au tube 1 par la résistance 13, augmentera ; et de même si la fréquence de l'oscillateur varie en sens opposé de la valeur f2, la tension de polarisation appliquée au tube 1 par la résistance 13, diminuera.
La tension de sortie du tube 1 augmentera si la fréquence de l'oscillateur monte au- dessus de f2, et elle diminuera si la fréquence de l'oscillateur dé - croît. Un tel changement de fréquence peut avoir lieu, par exemple, si la constante diélectrique ou magnétique de-la charge 9 varie quand la charge s'échauffe.
Soit le cas du chauffage par induction d'acier au moyen de l'oscillateur 1, 7,10. Dans un tel cas, la charge 30 est chauffée au moyen d'une bobine 32 en série pratiquement avec la self 7, comme on peut le voir à la figure 3. Une description dé- taillée est inutile, les mêmes éléments qu'à la figure 1 étant désignés par les mêmes chiffres de référence. Aussi longtemps que la charge se trouve à une température inférieure au point de Curie, l'inductance de la charge et de la bobine est importante. Au-delà du point de Curie, la charge devient non-magnétique, l'inductance diminue et la fréquence augmente. La polarisation négative augmente en conséquence et le potentiel des oscillations diminue. Ce phéno- mène est intéressant en ce qu'il empêche un excès de courant grille dans le tube 1.
Sans l'effet stabilisateur du circuit résonnant 14, 15, il y aurait un surcourant grille du fait que la charge est inca- pable d'absorber les oscillations.
Il faut remarquer que, comme la polarisation négative pro- @
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duite par le circuit 14, 15 augmente, l'impédance du tube 1 aug- mente. Cette condition provenant d'une diminution de la charge, les variations introduites par le circuit 14, 15 tendent à adapter l'impédance de sortie du tube 1 à la charge qu'il alimente.
D'autre part, si l'on désire que la tension de sortie du générateur 1 diminue quand la fréquence de l'oscillateur monte au-dessus de f2, et qu'elle augmente quand la fréquence de l'oscil- lateur descend en-dessous de f2, les éléments 14, 15 peuvent être réglés de sorte que leur résonance soit représentée par la courbe B de la figure 2. En appliquant les principes exposés au sujet de la courbe A, on verra qu'en réglant les éléments 14 et 15 de façon à obtenir la courbe B, des variations de fréquence autour de la valeur f2 produiront des changements dans la tension du générateur 1 du type décrit ci-dessus.
Il est clair que la pente des courbes A et B varie nettement à des fréquences différentes et que le degré de varia- tion de la tension de sortie pour une différence de fréquence don- née par rapport à f2 peut être réglé à une valeur quelconque en choisissant les constantes du circuit 14 et 15 de manière à fixer de façon appropriée la fréquence de résonance des courbes' A et B par rapport à la fréquence f2. La valeur de Q et/ou le couplage peuvent aussi se régler dans le but de changer le degré de variation de la tension pour une fréquence donnée.
Il est évident qu'en modifiant les données du circuit 14, 15 de la manière décrite ci-dessus, le degré de gariation de la tension de sortie du générateur 1 en fonction de varia- tions de la fréquence, la réactance, les constantes diélectriques, magnétiques ou autres de la charge 9, peut être réglé pratique- ment à n'importe quelle valeur désirée, au moins dans une gamme de variation limitée.
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Control of the gate current of an oscillator.
The invention relates to regulating devices for electron tube apparatus and, in particular, to a device for adjusting the relationship between output current and output voltage for an electron tube oscillation generator.
If oscillation generators are used for the production of high frequency electric currents used for induction heating or for heating dielectric charges, it is often important to be able to adjust how the output voltage varies with changes in the electrical characteristics of the load. For example, when heating a dielectric load, the dielectric constant and the power factor undergo large variations as the temperature of the load rises. This causes a change in the
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resonant frequency of the load resulting in very serious changes in the output voltage and current as well as in other operating conditions of the oscillation generator.
In the absence of certain preventive measures, this can result in a voltage or current overload for various elements such as the grid and plate electrodes of an electron tube used as an oscillation generator.
Although it is possible to take preventive measures to a certain extent by the use of mechanical overload relays, these have proved insufficient at the higher frequencies frequently used.
The main aim of the invention is therefore to create a device in which variations in the electrical characteristics of a high frequency charging circuit will regulate the voltage created by a high frequency generator.
To this end, the invention consists essentially of an oscillation generator, specially intended for high frequency heating, comprising a control grid oscillator tube, in which the grid bias for the oscillator tube is produced by rectifying the output of a resonant control circuit inductively coupled to the oscillator output circuit and tuned in such a way that any change in frequency, due to variations in the impedance of the load connected to the oscillation generator, produces a determined adjustment of the voltage output of the oscillator.
By way of example, selected embodiments of the invention are shown in the drawing.
FIG. 1 is a diagram of a circuit according to the principles of the invention.
FIG. 2 gives a group of curves serving for the presentation of the principles of the invention; and, @
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Figure 3 is a circuit diagram showing how the invention is applied to heating a magnetic load.
As shown in figure 1, an electric discharge tube 1 composed of an anode 2, a cathode 3 and a control electrode 4, receives current from the positive terminal 5 of a current source. continuous whose negative terminal is earthed.
The anode 2 and the control electrode 4 are connected to each other by a blocking capacitor 6, an inductor 7 and a bypass capacitor 8. The cathode 3 is connected to an intermediate point on the inductor 7 and the end of this coil remote from the anode 2 is earthed. A load 9 and a variable capacitor 10 are placed in parallel on the inductor 7. The circuits described so far are the circuits of the conventional type of an oscillation generator.
The control electrode 4 is connected to earth through an inductor 11 and a pair of resistors 12 and 13.
The choke 7, the load 9 and the capacitor 10 form an oscillating circuit, the resonant frequency of which depends on the pure inductance and capacitance of the elements 7, 9 and 10. When the temperature of the load 9 varies, this resonant frequency varies accordingly and it is the same for the output voltage and current produced by tube 1 in choke 7. It would therefore be possible, for any load 9 whatever, to reproduce the law which links the frequency of this circuit oscillating at the output voltage of generator 1, or, as a variant in the case of a dielectric load, to reproduce the curve relating the dielectric constant, or the temperature, of the load 9 to the output voltage of the tube 1 .
In order to be able to study the shape of such characteristic curves, the remaining circuits of FIG. 1 will be described below.
This control apparatus comprises a choke 14 inductively coupled to choke 7. Choke 14 is shunted by a variable capacitor 15 to the terminals of which are connected the anodes of a
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full-wave rectifier 16. The cathode of the latter is connected by a bypass capacitor 17 to the midpoint of the inductor 14. The capacitor 17 is shunted by the resistor 13.
The operating mode of the control circuit described above is assumed to be as follows. Before connecting the load 9, the capacitor 15 is set to a certain value having a desired correspondence with the frequency of the oscillating circuit 7-10 of Figure 1. This correspondence is a factor in determining the shape of the curve connecting the voltage. of the generator tube 1 to the characteristics, such as the reactance, of the load 9.
As a first example, capacitor 15 is set so that circuit 14, 15 resonates at the same frequency as oscillating circuit 7,10. This is the case where there is no charge.
In FIG. 2, curve A represents the relationship which exists between the voltage induced at the terminals of the rectifier 16 (plotted on the ordinate) and the frequency of the current flowing through the choke 7 (plotted on the abscissa). The vertical f1 of frequency 2 corresponds to the resonant frequency of circuit 14, 15.
It is evident that the polarization voltage supplied by rectifier 16, and therefore the DC voltage drop across resistor 13, is maximum at this resonant frequency. The polarity of the voltage drop across resistor 13 is such that it applies a negative bias to tube 1, so as to reduce the output voltage of this tube to a minimum.
When the load 9 is added in parallel to the choke 7, the total reactance of the oscillating circuit comprising the elements 7, 9 and 10 will be changed as a whole and the frequency of the voltage applied to the circuit 14, 15 will take a value different from f1. This change in frequency will decrease the voltage applied to rectifier 16, whatever the direction of this change, as FIG. 2 clearly shows, and it will result from it.
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corresponding decrease in the negative bias applied by resistor 13 to control electrode 4 of tube 1. The output voltage of generator tube 1 will increase accordingly.
The role of the control circuit 14, 15, 16 is therefore to react against any decrease in the output voltage of oscillator 1 caused by a variation in the dielectric or magnetic constants of the load.
The percentage variation of the voltage applied to the rectifier 16 due to a given frequency slip with respect to f1 will depend on the factor Q of the resonant circuit 14, 15; this percentage can vary within wide limits, if the resonant circuit is properly established. As the output voltage of tube 1 is largely determined by the bias voltage applied by rectifier 16 to resistor 13, it follows that the shape of the curve giving the output voltage of tube 1 as a function of of the frequency of the load circuit (or, which comes to the same thing, depending on the reactance or the dielectric constants of the load 9) can vary widely, giving the Q of the circuit 14, 15 the value appropriate.
The same goal can be achieved by varying the coupling between the chokes 7 and 14.
If circuit 14, in the example given, resonates at the frequency of the oscillator when load 9 is removed from the circuit, there may be cases where it is desired that a variation of the frequency of the oscillator in one direction causes an increase in the voltage produced by tube 1, and that a variation in the other direction causes a decrease in the voltage produced by tube 1 and this over a wide range of frequencies .
This can be achieved by establishing an appropriate relation between the resonant frequency of circuit 14, 15 and that
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of the oscillating circuit 7, 9, 10. So if the vertical f2 of figure 2 represents the frequency of the oscillating circuit 7, 9,10 at which the tube 1 is working at any time, and if the curve A represents the resonance curve from circuit 14, 15, it is evident that if the frequency of the oscillator moves by the value f2 in one direction, the voltage applied to rectifier 16 and therefore the bias applied to tube 1 by resistor 13, will increase; and likewise if the frequency of the oscillator varies in the opposite direction from the value f2, the bias voltage applied to the tube 1 by the resistor 13, will decrease.
The output voltage of tube 1 will increase if the oscillator frequency rises above f2, and it will decrease if the oscillator frequency falls. Such a change in frequency can take place, for example, if the dielectric or magnetic constant of the load 9 changes as the load heats up.
Consider the case of induction heating of steel by means of the oscillator 1, 7,10. In such a case, the load 30 is heated by means of a coil 32 in series substantially with the inductor 7, as can be seen in FIG. 3. A detailed description is unnecessary, the same elements as above. Figure 1 being designated by the same reference numerals. As long as the load is at a temperature below the Curie point, the inductance of the load and the coil is important. Beyond the Curie point, the charge becomes non-magnetic, the inductance decreases and the frequency increases. The negative polarization increases accordingly and the potential of the oscillations decreases. This phenomenon is interesting in that it prevents an excess of grid current in tube 1.
Without the stabilizing effect of the resonant circuit 14, 15, there would be a gate overcurrent because the load is unable to absorb the oscillations.
It should be noted that, as the negative polarization pro- @
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driven by circuit 14, 15 increases, the impedance of tube 1 increases. This condition resulting from a reduction in the load, the variations introduced by the circuit 14, 15 tend to adapt the output impedance of the tube 1 to the load which it supplies.
On the other hand, if it is desired that the output voltage of generator 1 decreases when the frequency of the oscillator rises above f2, and that it increases when the frequency of the oscillator falls below below f2, the elements 14, 15 can be adjusted so that their resonance is represented by the curve B of figure 2. Applying the principles set out with regard to the curve A, it will be seen that by adjusting the elements 14 and 15 in order to obtain curve B, variations in frequency around the value f2 will produce changes in the voltage of generator 1 of the type described above.
It is clear that the slope of curves A and B varies markedly at different frequencies and that the degree of variation of the output voltage for a given frequency difference with respect to f2 can be set to any value by choosing the constants of the circuit 14 and 15 so as to appropriately fix the resonant frequency of the curves' A and B with respect to the frequency f2. The value of Q and / or the coupling can also be adjusted in order to change the degree of variation of the voltage for a given frequency.
It is evident that by modifying the data of circuit 14, 15 in the manner described above, the degree of change in the output voltage of generator 1 as a function of variations in frequency, reactance, dielectric constants , magnetic or other of the load 9, can be set to virtually any desired value, at least within a limited range of variation.