Brevet FR2461354A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne un montage pour la commande de la puissance d'un canon électronique haute tension comportant une catho- de et une électrode de commande de la cathode, avec un régulateur relié au potentiel de terre et un générateur d'impulsions de tension rectangulaires, symétriques par rapport à l'axe et pour la transmis- sion desquelles la partie haute tension du montage comprend un trans- formateur d'isolement haute tension, muni d'un enroulement primaire porté sensiblement au potentiel de terre et d'un enroulement secon- daire porté au potentiel haute tension et relié a un redresseur double alternance, qu'un dispositif de filtrage à composants passifs connecte à la cathode et à l'électrode de commande. Les montages de commande du type précité sont utilisés, de pré- férence sous vide, dans de nombreux domaines et notamment pour la fusion, le soudage, l'usinage et l'évaporation de tous les types de matériaux à l'aide de faisceaux électroniques. Pour modifier l'in- tensité d'un faisceau électronique, il est possible de faire varier la puissance de chauffage de la cathode chaude, la tension de pola- risation de l'électrode de commande et/ou la tension d'accélération appliquée. Une électrode de commande cylindrique, souvent appelée cylindre de Wehnelt, est disposée à proximité de la cathode des canons élec- troniques haute tension, qui sont généralement utilisés sous une tension anodique supérieure à 20 kV et présentent par suite un cou- rant de faisceau relativement faible pour une puissance donnée. Cette électrode de commande permet de faire varier le courant de faisceau entre 0 et 100 %. Une tension négative par rapport à la cathode et d'amplitude variable est appliquée pour ce faire à l'élec- trode de commande et interdit plus ou moins, selon sa valeur, la sortie des électrons vers l'anode. La valeur de la tension assurant le blocage du canon électronique est de 1-2 kV selon la réalisation de l'électrode de commande. Le courant de faisceau maximal est atteint pour un potentiel sensiblement égal de la cathode et de l'électrode de commande. La demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le n0 11 31 760 décrit un montage du type précité, dans lequel l'électrode de commande est chargée périodiquement par des impulsions auxquelles est superposée une tension de polarisation continue, afin de brancher le faisceau électronique par intermittence. Il s'agit ainsi de couper et brancher en permanence un faisceau électronique de puissance constante, mais variable. La puissance peut également être influencée par le facteur de marche du faisceau électronique. Dans le système connu, aucune composante continue de la tension de commande n'est toutefois transmise a l'électrode de commande, de sorte qu'une commande continue de la puissance du canon électronique est impossible. Une commande continue de la puissance est toutefois nécessaire dans divers cas, tels que l'élévation de la puissance de soudage, au début et à la fin d'un cordon de soudure, le soudage de pièces d'épaisseur différente, l'évaporation, etc. Une tension continue constante ou continûment variable peut aussi être obtenue par la juxtaposition avec respect du signe d'impulsions rectangulaires et/ou trapézoidales, la courbe enveloppe des impul- sions étant alors déterminante. La demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le n0 25 14 805 décrit un montage pour la commande de la puissance de canons électroniques haute tension selon le principe de la juxtaposition d'impulsions rectangulaires au secondaire du transformateur haute tension. Le transformateur-séparateur du côté- basse tension comporte un enroulement terciaire et le dispositif de filtrage situé du côté haute tension est réalisé sous forme d'un élé- ment RC. La bobine terciaire présente l'inconvénient de ne convenir que pour des fréquences d'environ 1 kHz au maximum. L'élément RC pré- sente une action trop lente par suite de deux conditions diamétrale- ment opposées. On exige d'une part une faible ondulation résiduelle de la haute tension, imposant une capacité élevée du condensateur. On exige d'autre part un faible temps de réponse de l'action de régu- lation, que seule une faible capacité du condensateur permet de réa- liser. Le filtre détermine dans-tous les cas l'ondulation résiduelle de la haute tension. Le montage connu ne convient pas pour les vitesses de régulation ou fréquences à transmettre élevées qui sont requises. L'invention a pour objet un montage rapide et à faible ondula- 246 1 354 tion résiduelle de la tension pour la commande continue de la puis- sance d'un canon électronique haute tension, dans lequel la tension de commande constituant la grandeur réglante peut être transmise par un transformateur d'isolement, sans recours à des composants actifs, tels que transistors ou tubes, ou à des tensions auxiliaires du côté haute tension. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le dispo- stif de filtrage est constitué par au moins deux éléments LC en série et au moins deux condensateurs en parallèle avec le circuit cathodeélectrode de commande et le redresseur double alternance, le rapport de résonance des éléments LC étant d'environ 2/1. L'invention rend inutiles des composants actifs tels que transis- tors ou tubes, et d'éventuelles tensions auxiliaires du côté haute tension. Le boîtier du montage de commande, blindé et porté au poten- tiel de la cathode, présente une taille minimale. Cet avantage ne doit pas être sous-estimé par suite du manque fréquent de place pour le logement des équipements. Le montage selon l'invention permet non seulement une commande continue de la puissance d'un canon électronique haute tension, mais aussi une commande impulsionnelle quand un régime impulsionnel est nécessaire par exemple pour le soudage par faisceau électronique. La transmission d'impulsions continues ou individuelles s'effectue rapi- dement et sans distorsion. Le signal de commande produit présente généralement une ondulation extrêmement faible. La réalisation du générateur selon l'invention, délivrant des impulsions rectangulaires symétriques par rapport à l'axe, vise à une juxtaposition des impulsions individuelles sans intervalle. Le redressement double alternance assure la conversion des impulsions alternativement positives et négatives, apparaissant au secondaire du transformateur, en un train ininterrompu d'impulsions de même pola- rité. Les impulsions rectangulaires délivrées par le générateur sont, avant leur entrée dans l'amplificateur, multipliées par une valeur délivrée par un circuit comparant la valeur de consigne et une valeur instantanée. On obtient ainsi une fréquence porteuse modulée en amplitude, qui est à nouveau extraite de la façon précitée du côté haute tension du transformateur d'isolement et constitue, après redressement et lissage, la tension appliquée à l'électrode de com- mande. Le dispositif selon l'invention, agissant en filtre, combre les lacunes entre les impulsions individuelles. Les composants sont dimensionnés de façon à produire un lissage de la tension de com- mande, mais sans réduction sensible de la vitesse de commande du courant de faisceau. Les intervalles du train d'impulsions présen- tant sensiblement une fréquence double de celle du générateur d'impulsions, le fitre est réalisé en coupe-bande. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation, dont la figure unique représente le schéma. Le canon électronique haute tension 10, représenté sur la figure, est constitué par une enveloppe 11 A la masse, une cathode (chaude) 12 et une électrode de commande (cylindre de Wehnelt) 13. Les bornes 14 appliquent un courant de chauffage a la cathode 12. Les fils passent à travers l'enveloppe 11 dans un isolateur de traversée 15. Le fil de connexion de l'électrode de commande 13 passe à travers l'enveloppe 11 dans un isolateur de traversée 17. Une anode d'accé- lération 18 fait partie de l'enveloppe. L'application d'une tension appropriée au montage connu représenté produit un faisceau électro- nique 19, utilisable pour les applications précédemment décrites. Le montage pour la commande de puissance comporte un généra- teur 20 délivrant des impulsions rectangulaires, symétriques par rapport à l'axe et d'amplitude et fréquence constantes. La fréquence est de 20 kHz par exemple. Un fil 21 relie le générateur d'impul- sions a u-n multiplicateur 22 en aval, auquel le fil 30 applique un signal en tension continue, délivré par un compensateur 33. Le compensateur 33 reçoit une tension de commande par le fil 23 et l'écart de réglage de la haute tension par le fil 34. L'écart de réglage est formé, a partir d'un diviseur de tension 52 comprenant la résistance de pied 53, par un point d'addition 56a et un amplifi- cateur 56b. La borne 56c applique la valeur de consigne de la haute 246 1354 tension au point d'addition. Les éléments 56a, 56b et 56c peuvent être supprimés quand l'ondulation de la haute tension est faible. Le compensateur 33 est essentiellement constitué par l'interconnexion d'un point de sommation 54 et d'un amplificateur régulateur 55 à action proportionnelle. Ce compensateur décèle une éventuelle ondu- lation de la haute tension et le branchement résultant d'une valeur perturbatrice pour influencer le courant de faisceau. On obtient ainsi une réduction d'une ondulation du courant de faisceau produite par la haute tension. La tension de commande est délivrée par un dispositif de régu- lation 24, de constitution identique à celle du compensateur 33, c'est-à-dire comportant un point de sommation 54a et un amplifica- teur-régulateur 55a à action PI ou PID. Une tension de consigne délivrée par un potentiomètre est appliquée à la borne 26 du disposi- tif de régulation, tandis que la valeur instantanée du courant de faisceau est appliquée à la borne d'entrée 27. La détermination du courant de faisceau s'effectue par une méthode connue et n'est pas représentée sur la figure. Des valeurs de consigne et des impulsions délivrées par des générateurs de fonction externes peuvent être appliquées à la borne d'entrée 25. La comparaison des grandeurs d'entrée du dispositif de régulation 24 produit une tension de com- mande continûment variable, qui constitue la courbe enveloppe ulté- rieure du train d'impulsions. Le multiplicateur 22 délivre un signal de commande modulé en amplitude, qu'un fil 28 applique à l'amplifica- teur 29. La valeur de la tension rectangulaire sur le fil 28 est toujours telle que les valeurs de consigne et instantanée du courant de faisceau coïncident. L'amplificateur 29 produit la puissance nécessaire, qu'un transformateur-séparateur 49 applique à l'enroule- ment primaire 31 d'un transformateur d'isolement 32. Le transforma- teur-séparateur 49 protège l'amplificateur 29 contre les impulsions de surtension produites par des courts-circuits dans le canon électronique 10. Le transformateur d'isolement 32 comporte un enroulement secon- daire 35, relié par des fils 36 à un redresseur double alternance 37. Ce dernier redresse les impulsions de sortie du transformateur wh d'isolement 32; par suite du dimensionnement du générateur d'impul- sions 20, on obtient un train d'impulsions dont la courbe enveloppe correspond au signal de sortie du dispositif de régulation 24 ou du compensateur 33. Le fil 16 applique le signal de sortie du redres- seur double alternance 37 au dispositif de filtrage 39, constitué par au moins deux éléments LC 40/45 et 43/44 en série et au moins deux condensateurs 41/42 en parallèle avec le circuit cathode-électrode de commande 12/13 et le redresseur double alternance 37, le rapport des fréquences de résonance des éléments LC étant d'environ 2/1. Le condensateur 45 et la self 40, formant un des éléments LC, constituent un circuit bouchon pour la fondamentale qui, malgré le redressement double alternance, apparait par suite de dissymétries. Le condensateur 44 et la self 43, formant le second élément LC, constituent un circuit bouchon pour le premier harmonique. Le conden- sateur 42 de sortie écrête simplement les pointes de surtension provenant du canon électronique 10, tandis que le condensateur 41 est un condensateur de charge. Le filtre 39 est en parallèle avec une résistance 47 qui, en liaison avec le condensateur 42, détermine la durée de branchement ou des flancs d'impulsion. La résistance 47 est en parallèle avec une diode de protection 46 rapide branchée en sens inverse; cette diode protège le filtre 39 et le redresseur double alternance 37 lors d'un court-circuit dans le canon, le potentiel de masse étant alors appliqué a l'électrode de commande 13. La résistance 48 amortit et limite alors le courant dans la diode. Les résistances 47 et 48 assurent en outre l'application de la tension à l'électrode de commande 13 du canon électronique avec une faible résistance interne, qui interdit la charge électrostati- que de l'électrode de commande 13. Le signal de sortie du filtre 39 est appliqué à l'électrode de commande 13 par la résistance 48 et un fil 50, ainsi qu'à la cathode 12 par un fil 38. Le montage selon l'invention se prête remarquablement bien aussi à l'utilisation d'impulsions rectangulaires de tension modu- lées en durée et à fréquence de répétition constante, d'autant plus que la fondamentale est particulièrement importante dans ce cas. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Montage pour la commande de la puissance d'un canon électro- nique haute tension comportant une cathode et une électrode de com- mande de la cathode, avec un régulateur relié au potentiel de terre et un générateur d'impulsions de tension rectangulaires, symétriques par rapport à l'axe et pour la transmission desquelles la partie haute tension du montage comprend un transformateur d'isolement haute tension, muni d'un enroulement primaire porté sensiblement au potentiel de terre et d'un enroulement secondaire porté au potentiel haute tension et relié à un redresseur double alternance, qu'un dispositif de filtrage à composants passifs connecte à la cathode et à l'électrode de commande, ledit montage étant caractérisé en ce que le dispositif de filtrage (39) est constitué par au moins deux élé- ments LC en série (40/45 et 43/44) et au moins deux condensateurs (41/42) en parallèle avec le circuit cathode-électrode de commande (12/13) et le redresseur double alternance (37), le rapport des fréquences de résonance des éléments LC étant d'environ 2/1. 2. Montage selon revendication 1, caractérisé par une diode de pro- tection (46) en parallèle avec les condensateurs de charge (41/42).