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Installation comprenant une génératrice électrostatique et un générateur d'excitation primaire à haute tension permettant le réglage de la tension de sortie de ladite génératrice L'invention a pour objet une installation comprenant une génératrice électrostatique principale et un générateur d'excitation primaire à haute tension permettant le réglage de la tension de sortie de la génératrice principale à partir de la variation de sa tension de sortie propre et en fonction d'une tension de polarisation fournie par un dispositif placé entre ce générateur et la haute tension de sortie de la génératrice,
caractérisée en ce qu'elle comprend une génératrice électrostatique d'excitation montée en ampli- ficatrice de tension entre ledit générateur d'excitation primaire qui l'excite et la génératrice électrostatique principale qu'elle excite.
Les dessins annexés représentent, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'installation objet de l'invention.
La fig. 1a représente un schéma explicatif simplifié d'une installation connue, les fig. lb, 1c et 1d montrant certaines caractéristiques de cette installation, la polarité de la borne isolée étant négative.
Les fig. 2 et 3 représentent les schémas de deux générateurs d'excitation primaire connus.
Les fig. 4a et 4b concernent une génératrice électrostatique à transporteur isolant montée en ampli- ficatrice.
La fig. 5a représente une premiére forme d'exécution, les fig. 5b à 5g en montrent certaines carac- téristiques, la polarité de la borne isolée de la génératrice principale étant négative. La fig. 6 représente une forme d'exécution analogue comprenant une amplificatrice électrostatique, la polarité de la borne isolée étant positive.
La fig. 7 représente schématiquement une génératrice électrostatique à transporteur isolant dont la polarité de la borne isolée est liée au sens de rotation. La fig. 8 représente une autre génératrice électrostatique à transporteurs conducteurs ayant la même propriété.
La fig. 9 représente une forme d'exécution de l'objet de l'invention comprenant l'ensemble des organes nécelssaires pour le fonctionnement à une polarité ou à une autre, le schéma pour le fonctionnement à la polarité positive correspondant à la fig. 6, et celui pour le fonctionnement à polarité négative à la fig. 5a. Dans ce qui suit, les potentiels seront, sauf précision contraire, supposés mesurés par rapport à la terre. L'installation schématiquement représentée sur la fig. la comprend une génératrice électrostatique à transporteur isolant Gp, excitée par un générateur auxiliaire de haute tension G.
E., dont la tension aux bornes EZ peut être commandée au moyen d'une tension réglable de polarisation p.
La génératrice Gp débite sur un récepteur P, la polarité de sa borne isolée étant négative.
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Cette génératrice sera -avantageusement du type décrit dans le brevet suisse No 317644. On y reconnaît l'ioniseur de charge 1 relié à la terre, l'induc- teur de charge 2 relié au générateur d'excitation G. E., l'ioniseur de débit 3 et son inducteur de débit 4, ainsi que le rotor transporteur de charges électriques 5. Pour la clarté du dessin, l'organe répartiteur de tension en matière légèrement conductrice n'a pas été représenté.
On suppose que la, tension EZ diminue lorsque la tension p croit en valeur absolue.
La tension U aux bornes de la génératrice principale, qu'il s'agit de régler, est appliquée à une chaîne de résistances stables R formant diviseur de tension. Une fraction donnée de la haute tension, soit
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est prélevée sur la chaîne et appliquée comme Polarisation au générateur d'excitation G. E.
En supposant que les polarités soient celles indiquées sur la figure, on voit que cette fraction v1 de la haute tension U introduit une réaction, et le montage est tel qu'il assure la régulation, avec une certaine approximation, de ladite haute tension. Si celle-ci, pour une raison quelconque (par exemple, diminution du courant demandé par le récepteur P) a tendance à augmenter, la tension v1 croît, entraînant une réduction de la tension d'excitation E2, donc du courant engendré par la machine principale Gp, ce qui a pour effet de rétablir l'équilibre.
Le processus inverse a lieu si la haute tension U tend à diminuer (augmentation du courant demandé).
Afin d'accroître la sensibilité du dispositif de réglage, on a avantage à placer, en série avec la fraction de tension prélevée sur la chaîne de résistances, une source CT donnant une tension vo parfaitement stable (piles, alimentation stabilisée...) telle que la valeur de la tension de polarisation appliquée au générateur G. E., soit alors, en valeur absolue p = v1 - vo . Pour une même valeur de p, la fraction v1 , prélevée, doit être plus grande que précédemment (vo en plus) et une même variation AU de la haute tension se traduit par une variation absolue plus forte de la valeur effective de p.
Les diagrammes représentés montrent - sur la fig. lb, le courant 1 débité par la génératrice principale, en fonction de sa tension d'excitation F2 ; - sur la fig. 1c, la tension d'excitation fournie par le générateur G. E. en fonction de la valeur de la tension de polarisation p qu'on lui applique.
Le passage de la marche pratiquement à vide (courant la) à la marche en pleine charge (courant lb), nécessite un accroissement AEz de l'excitation, permis par une variation Ap de la tension de polarisation. Cette variation Ap suppose que la haute tension a varié de AU = Ap - n. Cette variation AU représente donc la chute de tension aux bornes, entre les marches à vide et à pleine charge. D'où la caracté- ristique U (1) que confère à la génératrice le dispositif de régulation, et représentée sur la fig. 1d.
On conçoit que cette caractéristique sera d'autant moins inclinée (chute de tension en charge réduite, donc bonne régulation) que a - Les tangentes à la caractéristique 1 (E.,) de la génératrice Gp, dans la zone de fonctionnement correspondant à AE., , auront des pentes 5> plus fortes.
b - Le générateur G. E. aura une tension rapidement variable en fonction de la tension de polarisation.
c - La fraction de tension prélevée sur la chaîne sera plus grande, donc, pour un générateur G.E. donné, que la contre-tension vo sera plus grande, et par conséquent qu'il y aura la possibilité de travailler avec un
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On peut accroître également la sensibilité, dans le but de réduire la chute de tension en charge AU, en attaquant le générateur G. E. par l'intermédiaire d'un amplificateur (tube électronique, par exemple, monté en amplificateur à courant continu). On trouvera plus loin un exemple d'un tel montage.
On remarque qu'il est possible de modifier la valeur de la haute tension ainsi réglée, en n'agissant que sur des circuits à basse tension: par exemple, en déplaçant le curseur K sur la chaîne de résistances, de manière à faire varier le rapport n. La valeur de la tension v1 n'est, en effet, au maximum, que de quelques centaines de volts.
Enfin, la liaison entre la tension de polarisation p et la tension de @ débit U peut être, bien entendu, obtenue autrement que par un diviseur de tension à résistances, en utilisant, par exemple, un dispositif rotatif à influence électrostatique, analogue à ceux utilisés dans les voltmètres électrostatiques rotatifs.
Si la génératrice principale Gp doit fournir une tension telle que sa borne isolée soit positive, le générateur G. E. sera relié à l'ioniseur 1 au lieu d'être relié à l'inducteur 2.
Dans les deux cas, il est indispensable que les valeurs absolues des tensions E., et p varient en sens inverse. Avec la plupart des sources électroniques ordinaires cette condition exigera que l'attaque du générateur G. E. se fasse à travers un dispositif (tube électronique, par exemple), renversant la polarité du potentiel du point x, et pouvant avoir en outre une fonction amplificatrice, le sens de branchement de la source C. T. étant également renversé.
Le générateur d'excitation G. E. peut être du type à redresseurs alimenté par des impulsions ou par un oscillateur à fréquence relativement élevée (20 à 300 kHz, par exemple).
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Les petits générateurs de ce type sont devenus courants et bon marché, étant en particulier utilisés en télévision.
Les fig. 2 et 3 représentent schématiquement deux générateurs d'excitation.
Sur la fig. 2, la fraction orn d'un bobinage B est traversée par un courant fonction de la polarisation de repos - (Vgo -I- p) appliquée à une pentode H. A cette polarisation de repos, un petit oscillateur, non représenté sur le schéma, superpose une tension en dent de scie qui vient bloquer périodiquement la pentode, annulant ainsi subitement le courant. A chaque blocage, une surtension Va importante apparaît entre la borne n de la bobine et la masse, suivie d'oscillations amorties. La bobine se comporte alors comme un transformateur élévateur vis-à-vis du dispositif redresseur sur lequel elle débite.
Dans le cas de la fig. 2, ce dispositif redresseur est du type multiplicateur de tension et comprend trois condensateurs Cl , C.., et C,3, et trois redresseurs Rl , R, et R. Finalement, il apparaît entre la borne de sortie Se de ce dispositif et la masse une tension continue Fû , fonction de la surtension Va, donc du courant coupé, et en fin de compte de la tension de polarisation p appliquée à la pentode. Lorsque le potentiel négatif p du point x (voir fig. 1 a) augmente en valeur absolue, E.# diminue.
Sur la fig. 3, la pentode H fonctionne en oscilla- trice normale, grâce aux enroulements d'anode A et de grille F du transformateur L qui comporte un secondaire haute tension C. Ce transformateur pourra fonctionner à une fréquence comprise entre 20 kHz (bobinage à circuit magnétique) et 300 kHz (bobinage à air). Les bornes K et Y du secondaire alimentent ensuite un dispositif redresseur quelconque, non représenté sur le schéma.
La polarisation moyenne de la pentode, liée à la tension p fixe, dans une certaine mesure, la valeur de la haute tension redressée. L'installation représentée sur la fig. 1 fonctionne d'une manière satisfaisante si la génératrice Gp se contente d'une tension d'excitation modérée et se trouve appelée à fonctionner sous un régime à peu près constant. Dans le cas contraire, on est conduit à y introduire quelques modifications.
En effet, des essais ont montré, par exemple, qu'une génératrice électrostatique à transporteur isolant à deux pôles dont le rotor avait comme dimensions: longueur: 250 mm, diamètre: 140 mm, et d'une puissance de 300 W sous 150 kV, devait être pourvue d'une tension d'excitation capable de varier de 20 kV à 40 kV entre la marche à vide et la marche à pleine charge.
Il en résulte que la régulation d'une telle machine peut être difficilement assurée par les petits générateurs haute tension des modèles décrits. Ils fournissent le plus souvent des tensions de 20 kV environ, variant au maximum de quelques kV par ajustement de la polarisation. Il est donc nécessaire d'in- tercaler, dans certains cas, entre le générateur d'excitation G. E. et la génératrice principale Gp, une machine électrostatique Ga fonctionnant en am- plificatrice.
Les génératrices électrostatiques à transporteurs conducteurs ou à transporteurs isolants peuvent, en effet, être montées en amplificatrices.
La fig. 4a donne un exemple d'une telle génératrice à transporteur isolant. Une source de tension continue 8 fait apparaître une différence de potentiel E entre l'inducteur de charge 9 et l'ioniseur de charge 10. L'inducteur de débit 11 et l'ioniseur de débit 12 débitent le courant i' dans le circuit récepteur Q.
Pour des caractéristiques de construction données (épaisseur et nature du rotor, distance ioniseur- rotor, nature et pression du gaz ambiant, etc.) et pour une vitesse de rotation déterminée, le courant débité par la machine est fonction de la tension E. Le courant, d'abord nul, apparaît assez brusquement lorsque E atteint une valeur Ea correspondant au seuil d'amorçage des ioniseurs. Il croît alors très vite en fonction de E, suivant une allure presque linéaire dans une certaine zone ; puis, à partir d'une certaine valeur, une saturation se manifeste.
La courbe i' = f (E) varie un peu, suivant que la machine débite en court-circuit (tension de sortie nulle) ou au contraire débite dans un circuit Q aux bornes duquel apparaît la tension V. L'apparition de cette tension se traduit dans la machine par des flux parasites qui provoquent une réaction : à égalité d'excitation, le courant i' décroît lorsque V augmente.
De toute manière, il est possible de tracer la courbe i' = f (E) réelle (voir fig. 4b), en tenant compte de la tension de débit V = QI', Q représentant la résistance (réelle ou équivalente) du circuit au point de fonctionnement envisagé. En partant de cette courbe i = f (E), on peut définir pour chaque point de fonctionnement ce qu'on appellera la pente de la machine, ayant pour valeur
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On l'exprimera, par exemple, en microampères par kilovolt.
La pente est approximativement constante dans toute la région où la courbe i=f (E) peut être assimilée à une droite ; elle varie naturellement de part et d'autre de cette région.
La pente est fonction de certaines caractéristiques de construction de la machine.
Pour une machine donnée, travaillant dans des conditions et sur une résistance de charge déterminée, la pente est une caractéristique bien définie.
Si la machine précédente débite sur un circuit de charge Q que l'on supposera être une résistance obéissant à la loi d'Ohm, une tension V = QI' apparaît aux bornes de ce circuit. Si l'excitation varie de
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AE, le courant doit varier de Ai = sAE et la tension V de AV = QAi = QsAE. On peut donc écrire AV = ME, avec k = Qs Le facteur k représente un coefficient d'amplification qui met en évidence la fonction amplifica- trice que peut jouer une machine électrostatique :
les variations de la tension de sortie sont k fois plus grandes que les variations de la tension d'excitation ou tension d'entrée .
Toutes les considérations précédentes restent valables, quelle que soit la polarité imposée par la source d'excitation 8. Elles sont valables également lorsque la source 8, au lieu de polariser l'inducteur de charge, se trouve insérée entre l'ioniseur de charge et la masse.
Enfin, il est également possible de remplacer la résistance de charge Q, que l'on a supposé suivre la loi d'Ohm, par une charge quelconque ayant toute caractéristique tension-courant désirée. Le coefficient d'amplification est alors fonction de la résistance équivalente de cette charge, au point de fonctionnement considéré.
Une résistance de charge, suivant au moins approximativement la loi d'Ohm, est toutefois intéressante dans la plupart des applications, car elle confère à la machine une amplification à peu près linéaire dans toute la zone de travail utilisée.
Une variation de la tension d'entrée E se répercute sur la tension de sortie V avec un certain retard dû - au temps de transfert des charges électriques depuis les ioniseurs de charge jusqu'à ceux de débit ; - au temps nécessaire pour charger ou décharger les capacités du circuit de débit. Le temps de réponse peut être rendu assez faible pour que la machine amplificatrice puisse être utilisée dans un circuit de régulation. On notera que pour le réduire, il y a lieu - d'augmenter la vitesse de rotation et de multiplier le nombre de pôles, - de réduire les capacités du circuit de débit.
Pour une vitesse de rotation de 3000 tr/min, et une machine à deux pôles seulement, le temps de transfert n'est que de l'ordre du centième de seconde.
Au cours d'essais on a obtenu les résultats suivants, avec une génératrice à transporteur isolant à rotor cylindrique, à deux pôles Rotor: Diamètre : 90 mm Epaisseur : 2 mm Longueur: 40 mm Vitesse de rotation : 2800 tr/min.
Gaz ambiant: Hydrogène sous 12 atm. Résistance de charge Q :1000 M62 Seuil d'amorçage Ea = 14 kV. Zone utilisée (i : de 10 à 40 RA (V : de 10 à 40 kV.
Variation nécessaire de la tension d'excitation pour couvrir la zone ci-dessus : 15,3 à 16,3 kV.
Pente moyenne de la zone d'utilisation : s=30RA/kV. Coefficient d'amplification moyen dans la zone d'utilisation : k = 30. La fig. 5a représente une première forme d'exécution dans laquelle la polarité de la borne isolée de la génératrice principale est négative.
Le générateur G. E. fournit la tension d'excitation primaire -;- El (qui diminue lorsque la tension de polarisation qu'on lui applique augmente en valeur absolue). Cette tension El excite l'amplificatrice Ga qui fait apparaître aux bornes de sa résistance de charge o la tension E., qui sert à exciter la génératrice principale Gp dont l'inducteur de charge 2 est positif. Une fraction de la tension de débit U, prélevée sur la chaîne de résistance R, se trouve comparée à la contre-tension de référence fournie par la source CT et la différence est appliquée comme tension de polarisation au générateur G. E.
Les fia. 5b, 5c et 5d représentent respectivement des exemples de courbes de réponse des trois organes: G. E., Ga et Gp.
Les fig. 5e, 5f et 5g représentent respectivement les trois mêmes courbes, en montrant les correspondances entre chacune d'elles. On voit que le passage de la marche à vide (la) à la marche en pleine charge (Ib) nécessite la variation AE, de la tension d'excitation pour Gp ; cette variation, grâce à la génératrice Gca, est réduite à AEl pour le générateur G. E. Cette variation AEl , enfin, est produite par une variation Ap de la tension de polarisation.
D'essais réalisés sur la génératrice dont il a été question ci- dessus, il résulte que les ordres de grandeur des variations des diverses tensions peuvent être, par exemple, les suivants : si E. doit varier de 20 à 40 kV (AE, = 20 kV), El doit varier de 15 000 à 15 000 V. (AE-, = 500 V.) et p de - 20à - 30 V. (Ap=10V).
On a supposé dans l'exemple précédent (fig. 5a) que la borne isolée du générateur G. E. était positive (cas fréquent des petits générateurs ordinaires pour télévision), alors que la borne isolée de la génératrice principale était négative. La tension El doit être, dans ces conditions, appliquée à l'iosineur de charge 6 de l'amplificatrice Ga, et la réaction se produit dans le bon sens si le générateur G. E. est tel que El diminue lorsque sa tension de polarisation p augmente en valeur absolue.
La fig. 6 représente une installation analogue à la précédente, mais dans laquelle la borne isolée du circuit d'utilisation est positive.
Dans ces conditions, la tension d'excitation E., , fournie par l'amplificatrice Ga doit être telle que l'inducteur de charge de la génératrice principale Gp soit négatif. Le générateur G. E. est relié à l'inducteur de charge 7 de Gcc, parce que la polarité de sa borne isolée est positive.
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Si le générateur G. E. est tel que sa tension de sortie diminue lorsque le potentiel négatif du point x augmente en valeur absolue, il est nécessaire de prévoir un dispositif renversant le sens des variations de la fraction de tension prélevée sur la chaîne de résistances R. Ce dispositif pourra comprendre un tube électronique monté convenablement, et pouvant travailler également en amplificateur.
La fig. 6 donne un exemple d'un tel dispositif, comprenant un tube électronique T, alimenté par une source Vd de tension anodique, et une résistance de charge r, . Le sens des variations de la tension de polarisation p est ainsi renversé, et la réaction se fait dans le bon sens, c'est-à-dire que lorsque la tension U augmente, la tension p' appliquée à la grille du tube T diminue en valeur absolue, la tension de polarisation p augmente en valeur absolue, et le potentiel El diminue.
Pour permettre d'inverser à volonté la polarité de la borne isolée de la génératrice principale, l'utilisation d'un montage tel que celui représenté sur la fig. 6 exigerait d'y inclure des moyens permettant de modifier les connexions pour que lorsque la borne isolée est négative - d'une part, le dispositif comprenant le tube T soit mis hors-circuit ; - d'autre part, le générateur G. E. soit relié à l'ioniseur de charge 6 au lieu d'être relié à l'inducteur de charge 7. Dans ce dernier cas, les connexions à modifier sont des connexions haute tension, ce qui est pratiquement à éviter. Il y a alors intérêt à utiliser des génératrices électrostatiques d'un type particulier, n'exigeant qu'une action sur des organes à basse tension.
Les fig. 7 et 8 représentent schématiquement deux génératrices électrostatiques permettant un tel changement de polarité.
La génératrice électrostatique à transporteur isolant représentée sur la fig. 7 comprend - un ioniseur de charge Il , relié à la masse, et son inducteur de charge Dl , relié à un générateur d'excitation 13 ; - un ioniseur de débit 12 et son inducteur de de débit D., tous deux reliés à la borne de sortie isolée 14 ; - un ioniseur de débit 13 et son inducteur de débit D3, tous deux reliés à la masse (par l'intermédiaire du circuit auxiliaire 15) et à un inducteur de charge D4, l'ioniseur de charge hl étant relié à la masse.
En supposant que le générateur 13 porte l'inducteur Dl à un potentiel positif, le fonctionnement de la génératrice est le suivant : si le rotor 16 tourne dans le sens indiqué par la flèche f 1, les charges négatives déposées par l'ioniseur Il sont recueillies par l'ioniseur I2 , et le potentiel de la borne de débit 14 est négatif." Si le rotor 16 tourne dans le sens indiqué par la flèche f2, les charges négatives déposées par l'ioni- seur Il sont recueillies par l'ioniseur I3 .
En s'écoulant par le circuit 15, ces charges font apparaître aux bornes de ce circuit une tension telle que le potentiel de l'inducteur de charge D4 est négatif. L'ioniseur de charge 14 qui fait face à cet inducteur dépose sur le rotor 16 des charges positives, qui sont recueillies par l'ioniseur 12 et le potentiel de la borne 14 est positif.
De multiples variantes sont possibles à partir de ce schéma. On notera les points suivants a) le raisonnement fait en supposant positive la borne isolée du générateur d'excitation 13 s'applique de la même façon si cette borne est négative : toutes les polarités sont alors changées ; b) au lieu de polariser l'inducteur de charge Dl , la source d'excitation pourrait être insérée entre l'ioniseur Il et la masse. Mais cette source doit alors débiter le même courant que la machine; c) la machine peut être réalisée de telle sorte que les quatre groupes inducteurs-ioniseurs soient à 900. Mais il peut être préférable de répartir ces groupes en tenant compte des différences de potentiel apparaissant entre eux au cours du fonctionnement.
Généralement, la tension de débit étant supérieure aux tensions d'excitation (directe ou indirecte), on peut avoir intérêt à réduire le développement des sections auxiliaires S2 et S3 au profit des sections principales Sl et S4 ; d) le circuit auxiliaire 15 peut être constitué par une simple résistance obéissant à la loi d'Ohm. Dans certains cas, on peut, au contraire, avoir intérêt à utiliser une résistance ne suivant pas cette loi, par exemple un circuit à caractéristique tension-courant non linéaire, un circuit à caractéristique genre effluve , etc.
Le circuit influe, en effet, sur la caractéristique générale de la machine qu'il est possible, de cette façon, d'amener à l'allure désirée ; ë) enfin, la génératrice peut jouer, en plus, un rôle d'amplificatrice tel que celui qui a été décrit ci-dessus. La fig. 8 représente une génératrice électrostatique à transporteurs conducteurs dont les propriétés sont analogues à la génératrice précédente.
Le fonctionnement est le suivant: en supposant que la borne isolée de la source d'excitation 17 est positive si les transporteurs conducteurs tournent dans le sens indiqué par la flèche fi , le transporteur 20 situé en regard de l'inducteur 18 rompt le contact avec le plot de masse 21 en emportant des charges négatives.
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Celles-ci sont recueillies par le plot de débit 22 relié à l'inducteur de débit 19 et à une borne de débit isolée 23, dont le potentiel est alors négatif.
Si les transporteurs tournent dans le sens indiqué par la flèche f2, le transporteur 20 vient charger négativement l'inducteur de débit 24, relié à la masse (à travers le circuit auxiliaire 25) et à l'inducteur 26 celui-ci provoque donc dans des transporteurs venant en regard, l'apparition de charges positives qui sont recueillies par le plot de débit 22. Le potentiel de la borne 23 est alors positif.
La fig. 9 représente schématiquement une installation dans laquelle la polarité de la tension aux bornes de la génératrice peut être inversée, et dans laquelle on retrouve superposés les deux schémas des fig. 5a et 6.
La génératrice amplificatrice Ga a un double rôle: amplification et changement de polarité.
La rotation des génératrices Ga et Gp est assurée par un moteur triphasé asynchrone M. Un inverseur 27 permet de renverser à volonté le sens de rotation.
Des inverseurs 28 et 29 permettent de mettre hors circuit ou en circuit le dispositif de renversement de polarité comprenant le tube T.
Si la génératrice Ga tourne dans le sens indiqué par la flèche f2 , le potentiel de l'ioniseur de débit 30 de la génératrice Ga et de l'inducteur de charge 31 de la génératrice Gp est négatif, et le potentiel U est positif. Inversement, si la génératrice Ga tourne dans le sens indiqué par la flèche f 1 , le potentiel de l'ioniseur 30 et de l'inducteur 31 est positif et le potentiel U est négatif.
On remarquera qu'une polarité positive de la borne isolée de la génératrice Gp correspond, dans la génératrice Ga, au recueillement direct par l'ioniseur de débit 30 des charges négatives déposées par l'io- niseur de charge 32, alors qu'une polarité négative de ladite borne correspond à la mise en action des ioniseurs 33 et 34, et des inducteurs 35 et 36.
Le montage inverse de la génératrice Ga pourrait également être réalisé, mais le premier est préférable. En effet, le coefficient d'amplification de la génératrice Ga correspondant au sens de rotation f 1 est normalement plus élevé que celui correspondant au sens f2 .
Si la borne isolée de la génératrice Gp est positive, le générateur G. E. est attaqué par l'intermédiaire du tube électronique T, qui peut déjà jouer un rôle amplificateur. Il y a donc intérêt à ce que le plus faible coefficient d'amplification de la génératrice Ga corresponde à la mise en circuit du tube T.
L'installation qui vient d'être décrite peut être modifiée à condition que les trois conditions suivantes se trouvent remplies a) la source CT donnant une contre-tension constante, doit être placée de telle sorte que sa tension se retranche de la tension prélevée sur la chaîne de résistances. A noter qu'elle peut se trouver insérée soit dans la connexion de polarisation, soit dans la chaîne de résistances (emplacemnt Z de la fig. 5a) ; b) le générateur G. E. doit débiter un certain courant de manière à permettre les variations de la tension d'excitation primaire El dans les deux sens et avec une constante de temps suffisamment réduite (sans débit, El pourra augmenter, mais ne diminuera pas, les condensateurs du dispositif ne se déchargeant pas).
Ce courant doit être d'autant plus grand que - les condensateurs du dispositif ont une capacité plus importante ; - le temps de réponse du dispositif de réglage de la tension doit être faible ; - les variations exigées pour El sont grandes. Pratiquement, grâce à l'amplificatrice Ga, ces variations sont faibles (quelques centaines de volts) ; quant aux condensateurs du dispositif, leur capacité être très réduite en raison de la fréquence relativement grande du courant alimentant le système redresseur.
Si la source G. E. alimente l'ioniseur de l'amplifi- catrice Ga (cas de la fia. 5a), elle doit débiter le courant 1a qui peut être suffisant ; on peut toutefois adjoindre une résistance de fuite en parallèle sur la source G. E. dans le but d'accroître le débit total.
Mais si la source G. E. polarise simplement l'inducteur de l'amplificatrice Ga dont la consommation est pratiquement nulle, cette résistance de fuite additionnelle devient indispensable (résistance ri de la fig. 6). c) Si la tension d'excitation primaire El fournie parle générateur G.E. diminue lorsque le potentiel négatif p du point x croît en valeur absolue (cas de la plupart des montages), le fonctionnement stable est assuré seulement lorsque la borne isolée de la génératrice principale est négative (à un accroissement U correspond une diminution de El). Une polarité positive de la borne isolée de la génératrice Gp exigerait au contraire que la tension El diminue lorsque la polarisation appliquée à la source G. E. devient moins négative - ou plus positive.
Comme il a été dit ci-dessus avec la plupart des sources électroniques, cette condition rend nécessaire que l'attaque se fasse par l'intermédiaire d'un tube renversant le sens des variations de la fraction de tension prélevée sur la chaîne de résistances.
La chute de tension AU en pleine charge, obtenue avec le dispositif de régulation ci-dessus est assez faible, et convient à la plupart des cas (moins de 10 % par exemple).
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Installation comprising an electrostatic generator and a high-voltage primary excitation generator allowing the adjustment of the output voltage of said generator The object of the invention is an installation comprising a main electrostatic generator and a high-voltage primary excitation generator allowing the adjustment of the output voltage of the main generator from the variation of its own output voltage and as a function of a bias voltage supplied by a device placed between this generator and the high output voltage of the generator,
characterized in that it comprises an electrostatic excitation generator mounted as a voltage amplifier between said primary excitation generator which excites it and the main electrostatic generator which it excites.
The appended drawings represent, by way of example, several embodiments of the installation which is the subject of the invention.
Fig. 1a shows a simplified explanatory diagram of a known installation, FIGS. lb, 1c and 1d showing certain characteristics of this installation, the polarity of the isolated terminal being negative.
Figs. 2 and 3 represent the diagrams of two known primary excitation generators.
Figs. 4a and 4b relate to an electrostatic generator with insulating conveyor mounted as an amplifier.
Fig. 5a shows a first embodiment, FIGS. 5b to 5g show certain characteristics, the polarity of the isolated terminal of the main generator being negative. Fig. 6 shows a similar embodiment comprising an electrostatic amplifier, the polarity of the insulated terminal being positive.
Fig. 7 schematically represents an electrostatic generator with insulating carrier, the polarity of the insulated terminal of which is linked to the direction of rotation. Fig. 8 shows another electrostatic generator with conductive carriers having the same property.
Fig. 9 shows an embodiment of the object of the invention comprising all of the necessary components for operation at one polarity or another, the diagram for operation at positive polarity corresponding to FIG. 6, and that for negative polarity operation in fig. 5a. In what follows, the potentials will be, unless otherwise specified, assumed to be measured with respect to the earth. The installation schematically shown in FIG. 1a comprises an electrostatic generator with insulating carrier Gp, excited by an auxiliary high voltage generator G.
E., the voltage of which at the EZ terminals can be controlled by means of an adjustable polarization voltage p.
The generator Gp delivers to a receiver P, the polarity of its insulated terminal being negative.
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This generator will advantageously be of the type described in Swiss patent No. 317644. It recognizes the charge ionizer 1 connected to earth, the charge inductor 2 connected to the excitation generator GE, the flow ionizer. 3 and its flow inductor 4, as well as the electric charge conveyor rotor 5. For the clarity of the drawing, the voltage distributing member made of slightly conductive material has not been shown.
It is assumed that the voltage EZ decreases when the voltage p increases in absolute value.
The voltage U across the terminals of the main generator, which has to be adjusted, is applied to a chain of stable resistors R forming a voltage divider. A given fraction of the high voltage, i.e.
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is taken from the chain and applied as Polarization to the G. E.
Assuming that the polarities are those indicated in the figure, it can be seen that this fraction v1 of the high voltage U introduces a reaction, and the assembly is such that it ensures the regulation, with a certain approximation, of said high voltage. If this, for some reason (for example, decrease in the current demanded by the receiver P) tends to increase, the voltage v1 increases, causing a reduction in the excitation voltage E2, therefore in the current generated by the machine main Gp, which has the effect of restoring the balance.
The reverse process takes place if the high voltage U tends to decrease (increase in the current requested).
In order to increase the sensitivity of the adjustment device, it is advantageous to place, in series with the voltage fraction taken from the resistance chain, a CT source giving a perfectly stable voltage vo (batteries, stabilized power supply, etc.) such as that the value of the bias voltage applied to the generator GE, be then, in absolute value p = v1 - vo. For the same value of p, the fraction v1, taken, must be greater than previously (vo in addition) and the same variation AU of the high voltage results in a stronger absolute variation of the effective value of p.
The diagrams shown show - in fig. lb, the current 1 delivered by the main generator, as a function of its excitation voltage F2; - in fig. 1c, the excitation voltage supplied by the generator G. E. as a function of the value of the bias voltage p that is applied to it.
The change from practically no-load operation (current 1a) to full-load operation (current 1b) requires an increase AEz in the excitation, made possible by a variation Ap in the bias voltage. This variation Ap supposes that the high voltage has varied from AU = Ap - n. This variation AU therefore represents the voltage drop across the terminals, between no-load and full-load operations. Hence the characteristic U (1) conferred on the generator by the regulating device, and represented in FIG. 1d.
It can be seen that this characteristic will be all the less inclined (voltage drop under reduced load, therefore good regulation) than a - The tangents to characteristic 1 (E.,) of the generator Gp, in the operating zone corresponding to AE .,, will have steeper slopes.
b - The generator G. E. will have a rapidly variable voltage as a function of the bias voltage.
c - The fraction of voltage taken from the chain will be greater, therefore, for a given G.E. generator, the counter-voltage vo will be greater, and therefore there will be the possibility of working with a
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The sensitivity can also be increased, with the aim of reducing the voltage drop under load AU, by driving the generator G. E. via an amplifier (electron tube, for example, mounted as a direct current amplifier). An example of such an arrangement will be found below.
Note that it is possible to modify the value of the high voltage thus regulated, by acting only on low voltage circuits: for example, by moving the cursor K on the chain of resistors, so as to vary the report n. The value of the voltage v1 is, in fact, at most only a few hundred volts.
Finally, the connection between the bias voltage p and the flow voltage U can of course be obtained other than by a voltage divider with resistances, using, for example, a rotary device with electrostatic influence, similar to those used in rotary electrostatic voltmeters.
If the main generator Gp must provide a voltage such that its isolated terminal is positive, the generator G. E. will be connected to ionizer 1 instead of being connected to inductor 2.
In both cases, it is essential that the absolute values of the voltages E., and p vary in the opposite direction. With most ordinary electronic sources this condition will require that the drive of the GE generator be done through a device (electron tube, for example), reversing the polarity of the potential of the point x, and being able in addition to have an amplifying function, the connection direction of the CT source is also reversed.
The G.E. excitation generator may be of the rectifier type supplied by pulses or by an oscillator at a relatively high frequency (20 to 300 kHz, for example).
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Small generators of this type have become common and inexpensive, being used in particular in television.
Figs. 2 and 3 schematically represent two excitation generators.
In fig. 2, the orn fraction of a winding B is crossed by a current which is a function of the rest bias - (Vgo -I- p) applied to a pentode H. At this rest bias, a small oscillator, not shown in the diagram , superimposes a sawtooth voltage which periodically blocks the pentode, thus suddenly canceling the current. At each blocking, a significant overvoltage Va appears between terminal n of the coil and ground, followed by damped oscillations. The coil then behaves like a step-up transformer with respect to the rectifier device on which it debits.
In the case of fig. 2, this rectifier device is of the voltage multiplier type and comprises three capacitors C1, C .., and C, 3, and three rectifiers Rl, R, and R. Finally, it appears between the output terminal Se of this device and the mass a direct voltage Fû, a function of the overvoltage Va, therefore of the interrupted current, and ultimately of the bias voltage p applied to the pentode. When the negative potential p of point x (see fig. 1 a) increases in absolute value, E. # decreases.
In fig. 3, the pentode H operates as a normal oscillator, thanks to the anode windings A and gate F of the transformer L which has a high voltage secondary C. This transformer can operate at a frequency between 20 kHz (magnetic circuit winding ) and 300 kHz (air winding). The terminals K and Y of the secondary then supply any rectifier device, not shown in the diagram.
The average polarization of the pentode, linked to the voltage p fixes, to a certain extent, the value of the rectified high voltage. The installation shown in fig. 1 operates satisfactorily if the generator Gp is satisfied with a moderate excitation voltage and is called upon to operate under an approximately constant regime. Otherwise, we are led to introduce some modifications.
Indeed, tests have shown, for example, that an electrostatic generator with an insulating carrier with two poles whose rotor had the following dimensions: length: 250 mm, diameter: 140 mm, and with a power of 300 W at 150 kV , had to be provided with an excitation voltage capable of varying from 20 kV to 40 kV between no-load operation and full-load operation.
It follows that the regulation of such a machine can hardly be ensured by the small high voltage generators of the models described. They most often provide voltages of about 20 kV, varying at most a few kV by adjustment of the polarization. It is therefore necessary, in certain cases, to insert between the excitation generator G. E. and the main generator Gp, an electrostatic machine Ga operating as an amplifier.
Electrostatic generators with conducting carriers or with insulating carriers can, in fact, be mounted as amplifiers.
Fig. 4a gives an example of such a generator with insulating conveyor. A DC voltage source 8 causes a potential difference E to appear between the charge inductor 9 and the charge ionizer 10. The flow inductor 11 and the flow ionizer 12 deliver the current i 'in the receiver circuit. Q.
For given construction characteristics (thickness and type of rotor, ionizer-rotor distance, nature and pressure of ambient gas, etc.) and for a determined speed of rotation, the current delivered by the machine is a function of voltage E. current, initially zero, appears quite suddenly when E reaches a value Ea corresponding to the ignition threshold of the ionizers. It then grows very quickly as a function of E, following an almost linear pace in a certain zone; then, from a certain value, saturation occurs.
The curve i '= f (E) varies a little, depending on whether the machine delivers in short-circuit (zero output voltage) or on the contrary delivers in a circuit Q across which appears the voltage V. The appearance of this voltage is reflected in the machine by parasitic flows which cause a reaction: with equal excitation, the current i 'decreases when V increases.
In any case, it is possible to draw the real curve i '= f (E) (see fig. 4b), taking into account the flow voltage V = QI', Q representing the resistance (real or equivalent) of the circuit. at the intended operating point. Starting from this curve i = f (E), we can define for each operating point what we will call the slope of the machine, having for value
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It will be expressed, for example, in microamperes per kilovolt.
The slope is approximately constant throughout the region where the curve i = f (E) can be assimilated to a straight line; it naturally varies on either side of this region.
The slope is a function of certain construction characteristics of the machine.
For a given machine, working under conditions and on a determined load resistance, the slope is a well-defined characteristic.
If the preceding machine delivers on a load circuit Q which one will suppose to be a resistance obeying the law of Ohm, a tension V = QI 'appears at the terminals of this circuit. If the excitement varies from
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AE, the current must vary from Ai = sAE and the voltage V from AV = QAi = QsAE. We can therefore write AV = ME, with k = Qs The factor k represents an amplification coefficient which highlights the amplifying function that an electrostatic machine can play:
the variations in the output voltage are k times greater than the variations in the excitation voltage or input voltage.
All the preceding considerations remain valid, whatever the polarity imposed by the excitation source 8. They are also valid when the source 8, instead of polarizing the charge inductor, is inserted between the charge ionizer and the mass.
Finally, it is also possible to replace the load resistor Q, which has been assumed to follow Ohm's law, with any load having any desired voltage-current characteristic. The amplification coefficient is then a function of the equivalent resistance of this load, at the operating point considered.
A load resistance, at least approximately following Ohm's law, is however of interest in most applications, as it gives the machine roughly linear amplification throughout the working area used.
A variation of the input voltage E has repercussions on the output voltage V with a certain delay due to - the transfer time of the electric charges from the charge ionizers to those of flow rate; - the time required to charge or discharge the capacities of the flow circuit. The response time can be made low enough so that the amplifying machine can be used in a regulation circuit. It should be noted that to reduce it, it is necessary to - increase the speed of rotation and multiply the number of poles, - reduce the capacities of the flow circuit.
For a rotation speed of 3000 rpm, and a machine with only two poles, the transfer time is only of the order of a hundredth of a second.
During tests, the following results were obtained with a generator with insulating conveyor with cylindrical rotor, with two poles. Rotor: Diameter: 90 mm Thickness: 2 mm Length: 40 mm Rotation speed: 2800 rpm.
Ambient gas: Hydrogen at 12 atm. Load resistance Q: 1000 M62 Ignition threshold Ea = 14 kV. Zone used (i: from 10 to 40 RA (V: from 10 to 40 kV.
Necessary variation of the excitation voltage to cover the above area: 15.3 to 16.3 kV.
Average slope of the area of use: s = 30RA / kV. Average amplification coefficient in the area of use: k = 30. FIG. 5a represents a first embodiment in which the polarity of the isolated terminal of the main generator is negative.
The generator G. E. supplies the primary excitation voltage -; - El (which decreases when the bias voltage applied to it increases in absolute value). This voltage El excites the amplifier Ga which causes the voltage E. to appear at the terminals of its load resistor o, which serves to excite the main generator Gp whose load inductor 2 is positive. A fraction of the flow voltage U, taken from the resistance chain R, is compared to the reference counter-voltage supplied by the source CT and the difference is applied as a bias voltage to the generator G. E.
The fia. 5b, 5c and 5d respectively represent examples of response curves of the three organs: G. E., Ga and Gp.
Figs. 5e, 5f and 5g respectively represent the same three curves, showing the correspondences between each of them. It can be seen that the change from idle operation (la) to full load operation (Ib) requires the variation AE of the excitation voltage for Gp; this variation, thanks to the generator Gca, is reduced to AE1 for the generator G. E. This variation AE1, finally, is produced by a variation Ap in the bias voltage.
From tests carried out on the generator referred to above, it follows that the orders of magnitude of the variations of the various voltages may be, for example, the following: if E. must vary from 20 to 40 kV (AE, = 20 kV), El must vary from 15,000 to 15,000 V. (AE-, = 500 V.) and p from - 20 to - 30 V. (Ap = 10V).
It was assumed in the previous example (fig. 5a) that the isolated terminal of the generator G. E. was positive (frequent case of small ordinary generators for television), while the isolated terminal of the main generator was negative. The voltage El must be, under these conditions, applied to the charge iosinator 6 of the amplifier Ga, and the reaction occurs in the right direction if the generator GE is such that El decreases when its bias voltage p increases in absolute value.
Fig. 6 shows an installation similar to the previous one, but in which the isolated terminal of the user circuit is positive.
Under these conditions, the excitation voltage E.,, supplied by the amplifier Ga must be such that the charge inductor of the main generator Gp is negative. The generator G. E. is connected to the charge inductor 7 of Gcc, because the polarity of its isolated terminal is positive.
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If the generator GE is such that its output voltage decreases when the negative potential of point x increases in absolute value, it is necessary to provide a device reversing the direction of the variations of the voltage fraction taken from the chain of resistors R. This The device may include an electron tube suitably mounted, and may also work as an amplifier.
Fig. 6 gives an example of such a device, comprising an electron tube T, supplied by an anode voltage source Vd, and a load resistor r,. The direction of the variations of the polarization voltage p is thus reversed, and the reaction takes place in the right direction, that is to say that when the voltage U increases, the voltage p 'applied to the grid of the tube T decreases in absolute value, the polarization voltage p increases in absolute value, and the potential El decreases.
To allow the polarity of the isolated terminal of the main generator to be reversed at will, the use of an assembly such as that shown in FIG. 6 would require to include in it means making it possible to modify the connections so that when the isolated terminal is negative - on the one hand, the device comprising the tube T is switched off; - on the other hand, the generator GE is connected to the charge ionizer 6 instead of being connected to the charge inductor 7. In the latter case, the connections to be modified are high voltage connections, which is practically to be avoided. It is therefore advantageous to use electrostatic generators of a particular type, requiring only action on low voltage components.
Figs. 7 and 8 schematically show two electrostatic generators allowing such a change in polarity.
The electrostatic generator with insulating carrier shown in FIG. 7 comprises - a charge ionizer II, connected to ground, and its charge inductor D1, connected to an excitation generator 13; a flow ionizer 12 and its flow inductor D., both connected to the isolated output terminal 14; a flow ionizer 13 and its flow inductor D3, both connected to ground (via the auxiliary circuit 15) and to a charge inductor D4, the charge ionizer h1 being connected to ground.
Assuming that the generator 13 brings the inductor Dl to a positive potential, the operation of the generator is as follows: if the rotor 16 rotates in the direction indicated by the arrow f 1, the negative charges deposited by the ionizer Il are collected by the ionizer I2, and the potential of the flow terminal 14 is negative. "If the rotor 16 rotates in the direction indicated by the arrow f2, the negative charges deposited by the ionizer II are collected by the ionizer I3.
By flowing through circuit 15, these charges cause a voltage to appear at the terminals of this circuit such that the potential of charge inductor D4 is negative. The charge ionizer 14 which faces this inductor deposits positive charges on the rotor 16, which are collected by the ionizer 12 and the potential of terminal 14 is positive.
Many variations are possible from this diagram. The following points will be noted a) the reasoning made by assuming the isolated terminal of the excitation generator 13 to be positive applies in the same way if this terminal is negative: all the polarities are then changed; b) instead of polarizing the charge inductor Dl, the excitation source could be inserted between the ionizer II and the ground. But this source must then deliver the same current as the machine; c) the machine can be made so that the four inductor-ionizer groups are at 900. But it may be preferable to distribute these groups taking into account the potential differences appearing between them during operation.
Generally, the flow voltage being greater than the excitation voltages (direct or indirect), it may be advantageous to reduce the development of the auxiliary sections S2 and S3 in favor of the main sections Sl and S4; d) the auxiliary circuit 15 can be constituted by a simple resistance obeying Ohm's law. In some cases, on the contrary, it may be advantageous to use a resistor that does not follow this law, for example a circuit with a non-linear voltage-current characteristic, a circuit with a corona-like characteristic, etc.
The circuit influences, in fact, the general characteristic of the machine which it is possible, in this way, to bring to the desired speed; e) finally, the generator can play, in addition, an amplifier role such as that which has been described above. Fig. 8 shows an electrostatic generator with conductive carriers, the properties of which are similar to the previous generator.
The operation is as follows: assuming that the insulated terminal of the excitation source 17 is positive if the conductive conveyors rotate in the direction indicated by the arrow fi, the conveyor 20 located opposite the inductor 18 breaks contact with the ground stud 21 by carrying negative charges.
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These are collected by the flow rate pad 22 connected to the flow inductor 19 and to an isolated flow terminal 23, the potential of which is then negative.
If the conveyors rotate in the direction indicated by the arrow f2, the conveyor 20 negatively charges the flow inductor 24, connected to the mass (through the auxiliary circuit 25) and to the inductor 26 the latter therefore causes in carriers coming opposite, the appearance of positive charges which are collected by the flow pad 22. The potential of terminal 23 is then positive.
Fig. 9 diagrammatically represents an installation in which the polarity of the voltage at the terminals of the generator can be reversed, and in which the two diagrams of FIGS. 5a and 6.
The Ga amplifying generator has a dual role: amplification and change of polarity.
The rotation of the generators Ga and Gp is ensured by an asynchronous three-phase motor M. An inverter 27 makes it possible to reverse the direction of rotation at will.
Inverters 28 and 29 make it possible to switch off or on the polarity reversal device comprising the tube T.
If the generator Ga rotates in the direction indicated by the arrow f2, the potential of the flow ionizer 30 of the generator Ga and of the charge inductor 31 of the generator Gp is negative, and the potential U is positive. Conversely, if the generator Ga rotates in the direction indicated by the arrow f 1, the potential of the ionizer 30 and of the inductor 31 is positive and the potential U is negative.
It will be noted that a positive polarity of the isolated terminal of the generator Gp corresponds, in the generator Ga, to the direct collection by the flow ionizer 30 of the negative charges deposited by the charge ionizer 32, while a negative polarity of said terminal corresponds to the actuation of ionizers 33 and 34, and inductors 35 and 36.
The reverse assembly of the Ga generator could also be done, but the former is preferable. Indeed, the amplification coefficient of the generator Ga corresponding to the direction of rotation f 1 is normally higher than that corresponding to the direction f2.
If the isolated terminal of the generator Gp is positive, the generator G. E. is driven by the intermediary of the electron tube T, which can already play an amplifying role. It is therefore advantageous for the lowest amplification coefficient of the generator Ga to correspond to the switching on of the tube T.
The installation which has just been described can be modified provided that the following three conditions are fulfilled a) the CT source giving a constant counter-voltage, must be placed so that its voltage is subtracted from the voltage taken from the chain of resistance. Note that it can be inserted either in the polarization connection, or in the chain of resistors (location Z of fig. 5a); b) the generator GE must deliver a certain current so as to allow the variations of the primary excitation voltage El in both directions and with a sufficiently reduced time constant (without flow, El may increase, but will not decrease, the device capacitors not discharging).
This current must be all the greater as - the capacitors of the device have a greater capacity; - the response time of the voltage regulator must be low; - the variations required for El are large. In practice, thanks to the amplifier Ga, these variations are small (a few hundred volts); as for the capacitors of the device, their capacity is very small because of the relatively high frequency of the current supplied to the rectifier system.
If the source G. E. supplies the ionizer of the amplifier Ga (case of fia. 5a), it must deliver current 1a which may be sufficient; however, a leakage resistor can be added in parallel with the source G. E. in order to increase the total flow.
But if the source G. E. simply polarizes the inductor of the amplifier Ga, the consumption of which is practically zero, this additional leakage resistance becomes essential (resistance ri in FIG. 6). c) If the primary excitation voltage El supplied by the generator GE decreases when the negative potential p of point x increases in absolute value (in the case of most assemblies), stable operation is ensured only when the isolated terminal of the main generator is negative (to an increase U corresponds a decrease in El). A positive polarity of the isolated terminal of the generator Gp would on the contrary require that the voltage El decreases when the bias applied to the source G. E. becomes less negative - or more positive.
As was said above with most electronic sources, this condition makes it necessary for the attack to be made by means of a tube reversing the direction of the variations of the voltage fraction taken from the resistance chain.
The voltage drop AU at full load, obtained with the above regulating device is quite low, and is suitable for most cases (less than 10% for example).
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