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Régulation de chauffage de filament de spectrographe de
masse
C. Davila, P. Martin
To cite this version:
41 A
RÉGULATION DE CHAUFFAGE DE FILAMENT DE SPECTROGRAPHE DE MASSE
Par C. DAVILA et P.
MARTIN,
Section Mesures du Commissariat à
l’Énergie
atomique.Sommaire. 2014 Réalisation d’une alimentation régulée permettant de chauffer un filament de spectrographe de masse porté à 2 000 V continus, variant de 0,2 Ohm à froid à 1 Ohm à chaud par
un courant alternatif réglable entre 1 A et 5 A, la stabilité de l’émission étant meilleure que 1/1 000 pour des fluctuations lentes du secteur de ± 10 %.
PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 17, MARS 1956,
L’alimentation réalisée est destinée à chauffer un
filament de
spectrographe
de masse surlequel
on adéposé
des matières émissives que l’on veutétu-dier ;
on nepeut
donc
se servir de l’émissionélec-tronique
propre du filament. Par ailleurs cefila-ment est
porté
à une tension continue élevée parrapport
à la masse, cequi impose
une alimentationalternative par transformateur à secondaire isolé. En
parallèle
sur cet enroulementprincipal,
undeuxième enroulement chauffe une diode saturée
dont le
débit,
à travers unerésistance,
estcomparé
à une tension de référence et fournit le
signal
d’erreur à larégulation.
Les conditions de stabilité
adoptées
étaient lessuivantes : .
1)
ramener les variations lentes du secteur de:1: 10
%
de la tension nominale à des variationssur le courant d’émission du filament inférieures à
1/1 000;
2)
assurer la stabilitérequise =dans
une gammede courants de
chauffage
allant de 1 A à 5A,
la résistance du filament évoluant de0,2
Ohm àfroid à 1 Ohm à chaud. Un tube TM 75 chauffé
avec l’alimentation réalisée et avec une batterie
d’accumulateurs et dont on mesurait le courant
d’émission,
nous apermis
de’ constater que lasta-bilité sur une
période
de 3h de l’alimentationest meilleure que celle donnée par les
accumu-lateurs.
Fonctionnement. -
(Diagramme fig. 1).
EntreFtc. 1. -- Diagramme général.
la référence considérée comme entrée et la sortie de
régulation,
ledispositif
constitue unmodula-teur à contre-réaction
d’enveloppe,
lafréquence
porteuse
à 50c/s
étantinjectée
aupoint
A,
et la diode saturéejouant
le rôle de démodulateur. Onpeut
appliquer
à ce circuit la théorieclassique
desamplificateurs
àcontre-réaction,
les variationsrelatives AU /U
qui
sans contre-réaction seraientintégralement
transmises à la sortie seront divi-sées par legain
deboucle,
pour autantqu’elles
seproduisent
à unefréquence
telle que ladiode
saturée les transmette.
Celle-ci,
une .1 U4chauffée
sous 30 m.A a un filament dont l’inertiecalorifique
est bien inférieure à celle du filament
beaucoup
plus
gros, dans
lequel
ils’agit
finalement deréguler
lecourant ;
les variationsrapides qui
n’affecterontpas l’émission de la 1 U4 affecteront encore moins
l’émission du filament du
spectrographe.
Parailleurs,
la transmission de la diode n’étant pas dutype
àdéphasage
minimum,
pour déterminer les conditions destabilité,
nous avons relevé lescourbes
phase-fréquence,
etatténuation-fréquence,
en chauffant le filament de la 1 U4 avec du 50 Hz
modulé en très basse
fréquence.
Étant
donné le matériel de mesure dont nousdisposions,
lesmesures résumées dans le tableau ci-dessous sont
assez
grossières
mais suffisantescependant, puisque
dans la détermination du réseau correcteur à par-tir du
diagramme
deNyquist,
on se réserve unemarge de sécurité
importante.
COURANT DE FRÉQUF,11;CE DE RAPPORT COURANT DE FREQUENCE DE
DÉPHASAGE
RAPPORT D’
ATTE-CHAUFFAGE MODULATION DÉPHASAGE
DATTÉ-NUATIONCes mêmes mesures effectuées à d’autres valeurs du courant de
chauffage
donnent une courbed’atté-nuation
différente,
alors que lacourbe desdépha-sages n’est pas modifiée à la
précision
des mesuresprès.
La diode étant le seul élémentdéphaseur
dela
chaîne,
onpeut
déterminer le réseau correcteur42 A
que nous avons choisi du
type
avance-retard etintercalé entre la référence et
l’amplificateur.
Réseau correcteur. -- Nous nous sommes fixé comme condition de ramener les variations de sec-teur de 20
%
à des variations de 1/1000,
cecisup-pose un
gain
de boucleégal
à200 ;
à 8 Hz ladiode amène un
déphasage
de - 27C et uneatténua-tion de
87,
legain
de boucle reste encoreégal
à200/87
et lediagramme
deNyquist
entoure lepoint
(-
1,0)
lesystème
accroche.Fie. 2. - Réseau correcteur.
Le réseau stabilisateur avance-retard
adopté
(fig. 2)
a la fonction de transfert :avec :
En
régime
sinusoïdal :donc,
E°
est réelle pour 6) = 0 et w = oo etprend
Eila valeur 1.
De
mémeEo
est encore réelle pour la valeur witelle que
donc :
Le lieu de
est un cercle
avec
Ces résultats
classiques
étantprécisés,
nouspou-vons tracer le cercle
représentation géométrique
de la fonction de transfertEgo
/Ei
et legraduer
enfonction de la
fréquence.
A
partir
delà,
il suffit demultiplier
les rayonsvecteurs
correspondant
à une mêmefréquence,
pris
sur lediagramme
de la diode et sur celui du réseau correcteur pourpouvoir
tracer lediagramme
deNyquist.
Si nous choisissons pour
fréquence
d’atténuationmaximum du réseau la valeur 3 Hz l’atténuation
T2
1maximum étant
10,
et lerapport
T2
=1/4nous
trousvons
v,v
A 3 c
Is
ledéphasage
amené par le réseaucorrec-teur est
nul ;
la diodedéphase
de 3 rc/4
il reste doncune marge de sécurité de
450 ;
la marge de sécurité engain
est trèslarge
étant donné que la diode etle réseau atténuent
déjà
à 3c /s.
Ces calculs sont donnés à titre
indicatif ;
nousn’avons pas
poussé
très avant la déterminationprécise
desdiagrammes, préférant
alterner les cal-culs des réseaux correcteurs et la méthodeexpé-rimentale,
pourplusieurs
raisons :a)
les éléments de base : courbesphase-fréquence
etatténuation-fréquence
de la diode déterminées pour une valeur duchauffage
filamentsont fonction de ce
chauffage,
la variationpouvant
aller du
simple
au double pourl’atténuation,
enpassant
d’une valeur de 25 m.A à 35m.A ;
b)
le filament duspectrographe qui
fait0,2
Ohmà froid évolue en fonction de la
température,
jusqu’à
faire 1 Ohm à 5 A d’où variation dans latransmission du transformateur de
sortie ;
c)
il nous était demandé de varier le courantd’utilisation d’une
façon
continue entre 1 A et 5A,
d’où pour les différentsrégimes
ungain
deboucle différent.
Réalisation du
montage (voir
schémafig.
3)..-La stabilisation donnée par le
montage
est fonction dugain
deboucle ;
pourpouvoir
régler
le courantde sortie il faut introduire un élément dans la
chaîne tel que la sensibilité de cet élément soit
petite,
nous avons intercalé unpotentiomètre
dansle
chauffage
de la 1 U4. Eneffet,
la sensibilitéétant définie comme l’inverse du
rapport
de lavariation relative de la sortie à la variation rela-tive de la résistance de ce
potentiomètre
(voir
Bode,
Netwoork
analysais
andfeedback
amplifier design,
p. 52 etsuiv.)
et lerapport
F /S
de la différenceen retour à la sensibilité étant donné pour
l’expres-sion 1 2013 eeo
/g0
où eeo et eereprésentent
respec-tivement lesgains
extérieurslorsque
lepotentio-mètre a sa valeur de
réglage
et la valeur o, on voitque S
serapetit
lorsque
e60 transmission directe seragrande,
c’est le cas pour lepotentiomètre.
Plus
simplement,
onpeut
dire que le secondaire1 U4 ne
chargeant
pas le transformateur desortie,
contre-43 A
réaction
comprend
le secondaire du transformateurla diode 1 U4 et que toute variation dans le
cir-cuit 03B2
est transmise en sortie.Dans le schéma
complet
représenté,
onretrouve,
détaillés,
les élémentsreprésentés
dans le dia-gramme ; la 1 U4attaque
à travers le réseaucorrec-teur et une
pile
deréférence,
l’amplificateur
conti-nu
représenté
par une UF42 ;
ensortie,
on aplacé
un filtre en doubleT
pour éliminer les résidus deporteuse
à 50 Hzqui
passent
tant parcapacité
dans le 1
U4,
que parce que l’émission de sonfila-ment bien
qu’elle
travaille àsaturation,
estrégie
par lechamp
électrique
auvoisinage
de celui-ciet
comporte
unepetite
composante
alternative due auchauffage (voir Barkhausen,
Tubes à vide T.I. ) ;
l’UF 41
qui
suit est la modulatrice sur lagrille
delaquelle
onapplique
laporteuse
à 50 Hz et laten-sion de modulation venant de l’UF
42 ;
une EL 41 driverattaque
unpush-pull
de 6L6 classe AB2per-mettant de sortir
largement
les 25 wattsrequis.
FIG. 3. - Schéma complet.
Deux connections manquent sur la figure : En bas, à gauche, la grille de contrôle du tube EL 41 doit être raccordée
entre la capacité 0,1 tiF et la résistance 100 kn. En bas, à droite, l’alimentation du push-pull doit être branchée sur la haute tension générale, après stabilisation.
Le transformateur de sortie
comporte
un enroule-ment secondaire isolé à 2 000 V service etqui
constitue la totalité de la
charge ;
il faut doncprendre
laprécaution
de nejamais
mettre enfonctionnement sans fermer cet
enroulement
sur sacharge,
sinon la tension s’élèveraitdangereu-sement pour le
filament
1 U4.Résultats des mesures de stabilité. --- Lès
varia-tions à
corriger
étant des variationslentes,
nous avonspréféré
pousser legain
de boucleplutôt
qued’étendre vers les
fréquences
hautes lastabilisation;
cet accroissement de
gain
est facile àobtenir,
ilsuffit d’accroître la résistance de
charge
de la 1 U4en
augmentant
conjointement
la tensionplaque
pour
toujours
travailler en diode saturée.Pour des variations du secteur de 20
% les
varia-tions de courant d’émission de la 1 U4 sont
3 /10
000 ;
il est à noter en cequi
concerne les dérives lentes que la contre-réaction n’étant pasprélevée
sur l’enroulement secondaireprincipal,
lesvariations de transmission dans le transformateur de sortie
qui
ne serépercuteraient
pas surl’enrou-lement 1 U4 ne sont pas
réduites,
et que par ailleurs les variations dé fonctionnementqui
peuvent
seproduire
dans la 1 U4 sontintégralement
trans-mises ensortie ;
néanmoins ces variations sontfaibles,
les dérives de courant d’émission d’une diode consommant 5 A chauffées sur une batteried’accumulateurs 60 Ah
atteignent déjà
5%
aubout de 2 heures de
