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Régulateur de courant transistorisé pour aimant varian
de 12 pouces
Paul Jung
To cite this version:
39
RÉGULATEUR
DE COURANTTRANSISTORISÉ
POUR AIMANT VARIAN DE 12 POUCES Par PAULJUNG,
European Research Associates, Bruxelles. Résumé. 2014
Le courant d’un aimant Varian V 4012 est réglé au moyen de transistors de
puis-sance. Un servo-mécanisme limite la tension
appliquée
aux transistors, en agissant sur unauto-transformateur placé à l’entrée du redresseur. Un facteur de stabilisation de 1,5 105 est obtenu.
Une description détaillée est fournie.
Abstract. 2014 Power transistors are used to control the current of
a Varian V 4012 magnet.
The voltage applied to the transistors is limited by a servo-mechanism which acts upon a
variable transformer at the input of the rectifier. A stabilization factor of 1.5 x 105 has been achieved. A detailed description of the instrument is given.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUNJ
PHYSIQUE APPLIQUÉE
SUPPLÉMENT AU N" 3
TOME 21, MARS 1960, PAGE
Introduction. - La
régulation
et la stabilisation du courant dans les électro-aimants est engénéral
nécessaire
pour lesapplications
à la résonance nucléaire etélectronique.
Lorsque
l’on utilise des tubes de passage pour contrôler lecourant,
les enroulements de l’électro-aimant sont depréférence
à hauteimpédance
et l’on doitappliquer
des tensions élevées. Dans ce cas, le rendementglobal
durégulateur
nedépasse
guère
50%.
Unexemple
en est lerégulateur
decourant construit par Varian
[1].
Par
contre,
l’emploi
de transistors de passageexige
des enroulements à faibleimpédance
et le passage d’un courant élevé. Le rendementglobal
peut
atteindre une valeur élevée : 95%.
Un telrégulateur
a été réalisé par R. L. Garwin[2].
L’amélioration du rendement conduit nonseule-ment à une économie de courant
électrique,
mais encoresimplifie
leproblème
de ladissipation
des calories.Au
laboratoire,
leproblème
se pose souvent dans un ordre inverse. Onpossède
un aimant et on désire stabiliser le courant. Dans cequi suit,
nous nous proposons de décrire la stabilisation partran-sistors d’un aimant Varian V 4012 A.
Le
principe
durégulateur.
- Les enroulements de l’aimantpeuvent
être mis enparallèle.
Leur résistance est alors de18,4
ohms. Une tension de 300 volts est nécessaire pour atteindre le courantmaximum de 16
ampères.
Cette tensiondépasse
latension limite
permise
pour les transistors et desdispositifs spéciaux
sont nécessaires pourprotéger
ces derniers. Dans ce
but,
nous avonsapporté
quelques
modifications aumontage
de R. L. Gar-win[2].
Un autotransformateur àrapport
variable fournit la tension d’alimentation au redresseur. Un servomécanismeagit
sur l’autotransformateur de manière à maintenir la tensioncollecteur-émet-teur des transistors de passage
au-dessous
de 9 volts.Le
diagramme synoptique.
- Lafigure
1(p. 40)
montre le
diagramme
synoptique,
ainsi que le schéma détaillé desparties
essentielles durégula-teur. La source de courant se compose d’un
auto-transformateur variable suivi d’un redresseur et
d’un filtre.
Le courant passe ensuite par les
transistors,
le shunt et l’aimant. La tensiondéveloppée
aux bornes du shunt estopposée
à une tension de réfé-rence et la différence(tension d’erreur)
estamplifiée
par un microvoltmètreamplificateur.
La tension de sortie de ce dernier estappliquée
commepotentiel
de contrôle aux transistors de passage.La tension collecteur-émetteur des transistors de passage est
comparée
à une tension de référence de 9 volts. La différence de tension commande unmoteur asservi
agissant
sur l’autotransformateur variable.Description
détaillée durégulateur.
---a)
LA SOURGE DE COURANT. - Le redresseur est constitué par 12 éléments au silicium WN 5051E,
Westing-house,
montés enpont
monophasé.
Le filtre se compose d’une self de 40 mH et d’une batterie decapacités électrolytiques (3
000yF).
b)
LES TRANSISTORS DE PASSAGE. - Les
tran-sistors de passage
(4
X 2 N 278Delco)
sont montéschacun sur une ailette en cuivre de 15 X 15 cm refroidie
par ventilation
forcée et sont commandés par un transistor monté en emitter-follower. Commela
rapidité
deréponse
du servomoteur est insuf-fisante pourempêcher
des ’surtensions transitoiresbrèves,
deux diodes Zener(Texas
Instrument653)
protègent
les transistors contre des surtensionsquasi instantanées,
venant soit de la chaîned’am-plification,
soit de l’alimentation.C)
LE SHUNT ET LE CIRCUIT DE RÉFÉRENCE.--Le shunt est bobiné en fil de
manganine
et refroidi par convection dans l’air. Lepotentiel
de40
FIG. 1. -
41
rence formé par une
pile
au mercureMallory
TR 140R,
est divisé au moyen de deuxpoten-tiomètres de
précision.
Si une stabilité et une repro-ductibilité àlong
terme sontindispensables,
l’en-semble shunt et référencepeut
êtreplus soigné.
d)
LE MICRO-VOLTMÈTRE AMPLIFICATEUR. - Lemicro-voltmètre
amplificateur
est dutype
à vibreur. A Feutrée de cetappareil
se trouvent un vibreurPhilips
R 741750 et une transformateurd’adaptation
Philips
AM7627/0,90
H. Legain
effectif del’amplificateur
(volts
continussortie/
volts continusentrée)
est de1,5.10g.
e)
L’UNITÉ DE COUPLAGE. - Nousnous sommes servis d’une double triode montée en cathode
follo-wer pour commander les transistors. Ceci nous semblait commode en raison de la facilitéd’appli-quer les
potentiels
avec les constantes detemps
convenables.Ainsi,
la sortie du micro-voltmètre estconnectée à une
grille
au travers d’un filtre0,25 Mn,
20yF.
L’autregrille reçoit
une tension dérivée directement de l’aimant. Cette boucleagit
comme un stabilisateur de tension aux bornes de l’aimant. Elle assure la stabilité de l’ensemble en évitant les oscillationsspontanées [2].
f)
L’AMPLIFICATEUR POUR SERVOMOTEUR.-L’amplificateur
pour servo-moteur estégalement
dutype
à vibreur. Comme il n’est pas nécessaire de contrôler la tension à l’entrée avec uneprécision
supérieure
à :!:
0,2 volts,
unpetit
relaispolarisé
fait office de vibreur(Ch3).
Le servo-moteurEvershed
Fc)
estcouplé
par unedémultiplication
à l’autotransformateur variable.
Principe
de fonctionnement. -- Nousavons la relation :
Dans notre cas yg y 1 et r yg > R
Soit I le courant constant de repos et E la
ten-sion constante de repos de F alimentation
facteur de stabilisation S
Le
gain
du micro-voltmètre est1,5.106.
Legain g
est leproduit
dugain
en tension des tran-sistors(environ
14)
et du cathode follower(envi-ron
0,7).
Le facteur de stabilisation est donc de l’ordre de 105. Si l’on tient
compte
enplus
du fait quee/E
est certainement inférieur à
10-1,
laprécision
rela-tive de la stabilisation en courant est de 10-6.FIG. 2. -
Schéma
simplifié
du régulateur.e : variation de tension à l’entrée du régulateur,
R : résistance de l’aimant,
r : résistance du shunt,
(1. : gain du y-voitmètre amplificateur,
g : gain en tension de l’ensemble - unité de
couplage
---transistors,
v : variation de tension aux bornes des transistors,
i : courant dans l’aimant.
Nous utilisons
généralement
unchamp
de 3 000 gauss. La stabilité duchamp
est donc de 3 000 X 10-6 = 3.10-3gauss, si l’on ne tient pas
compte
de variations duchamp
provenant
d’autresperturbations.
Cetteprécision
est suffisante pour lesexpériences
de résonanceparamagnétique
élec-tronique
et n’est d’ailleurs pas inférieure à celle durégulateur
construit par Variant[1].
Quelques
remarques à propos de la réalisation. -L’aimant Varian estprotégé
contre les défauts depression
d’eau de refroidissement.Lorsque
les en-roulements sont mis enparallèle,
laprotection
contre les surtensions
prévue
par le constructeur devient inefficace. Nous avons, parconséquent,
ajouté
uneprotection
sous forme d’une diode au siliciumWestinghouse
303-E branchée aux bornes de l’aimant.Le choix
judicieux
dupoint
de masse estimpor-tant. Nous avons mis le
point
commun du shunt etde l’émetteur du transistor de passage à la masse. Ce
point
estégalement
commun au micro-voltmètreet au
servo-amplificateur.
Nous avons monté les transistors et l’unité de
couplage
sur unchâssis,
sur le panneauduquel
setrouvent deux
appareils indiquant
latension
aux42
Le shunt de l’unité de référence se trouve sur un autre châssis. Les
potentiomètres
de 100 et de 1 000 ohms sont du modèle à 10 tours linéaires(Hélipot).
La résolution de ces derniers estplus
fine que la
graduation
du cadran. Si l’on admet que l’onpeut
reproduire
sur le cadran1/2
division sur1 000,
les deuxpotentiomètres
en sériepermettent
unréglage
à1/20 000
près ;
cequi
repré-sente
0,15
gauss sur 3 000 gauss. Les axes despotentiomètres
«Helipot
» sont accessibles depart
et d’autre de
ceux-ci,
cequi permet
de monter du côté du panneau les boutonsgradués
et de l’autre côté un moteur à deux sens de rotation. Ce moteurpeut
êtreembrayé
sur l’un ou sur l’autre axe,effec-tuant ainsi un
balayage
linéaire lent ourapide,
positif
ounégatif.
La vitesse de cebalayage
peut
enplus
être modifiée eninterchangeant
les engrenages. Le fonctionnement de l’ensembleautotransfor-mateur-moteur-amplificateur
nécessitequelques
remarques. La tension d’un autotransformateurcourant varie par bonds d’une fraction de volts. Il n’en résulte
pourtant
aucun « bruit » dans lesystème,
grâce
à la bouclerapide
de contre-réaction en tension.Par
contre,
le moteur travaillerait sans arrêt sil’amplificateur-servo
étaittrop
sensible. Nous avonsréglé
legain
de manière à laisser une « zone morte »de *
0,5 volts,
tension insuffisante pour entraîner l’autotransformateur. Larapidité
deréponse
de la rotation de l’axe du transformateur doit êtreégale
ou inférieure à la vitesse maximum
d’augmentation
du courant dans l’aimant. Dans ce cas, à la mise en marche de
l’installation,
lepoint
de fonctionnementest atteint sans « overshot ». Un inverseur monté sur le panneau
permet
de commander leservo-moteur,
sans passer par leservo-ampli.
Mode
opératoire :
La mise en marche se fait dans l’ordresuivant :
On ouvre la circulationd’eau,
L’autotransformateur est àzéro,
lepotentiel
de référenceégalement.
Le transformateur est ensuite branché sur lecourant,
en mêmetemps
que le ventilateur pour les transistors. Le micro-voltmètreest
enclenché,
ainsi que lapile
de référence et leservo-moteur. Le micro-voltmètre atteint son fonctionnement de
régime
endéans une minute. On amène ensuite manuellement ouautomati-quement
lespotentiomètres
à laposition
désirée. L’ensemble se met àl’équilibre
endéans1/2
minute environ.Pour arrêter le
régulateur
nous remettons engénéral
lespotentiomètres
à zéro et attendons que le servo-mo,teur fasse revenir l’autotransformateur àzéro,
avant de couper les autres circuits.Étant
données les
protections
prévues,
onpeut
cependant
couperl’interrupteur général
pour arrêter le régu-lateur sans causer desdommages
à l’installation. De fausses manoeuvres éventuelles ne causeraient pas dedégâts.
Ce travail a été financé par la Union
Carbide
Corporation,
New York: N. Y.Manuscrit reçu le 29 janvier 1960.
BIBLIOGRAPHIE
[1] Regulated Magnet Power Supply V 2100, Varian Tech-nical Manuel TM 5 B. [2]
GARWIN (R. L.), Rev. Sc. Instr., 1958, 29, 3, 223. GARWIN (R. L.), HUTCHISON (D.), PENMAN (S.) et
