Brevet FR2535108A1 — publié le 19840427

La présente invention concerne une source de tension auxiliaire pour l'alimentation de montages électriques portés à un potentiel haute tension, et notamment de montages de commande, mesure et régula- tion pour un canon électronique alimenté sous haute tension, compor- tant une cathode avec un circuit de chauffage pour la production d'un faisceau électronique, et muni d'un dispositif d'alimentation en tension inséré dans le circuit de chauffage, comportant une partie à courant alternatif et dont le courant de sortie est réglable. L'utilisation de sources de tension auxiliaire pour l'usage pré- cité est connue Des sources de tension auxiliaire servent par exemple pour l'alimentation de l'anode d'un tube régulateur, d'une alimentation de chauffage dudit tube ou très généralement pour l'ali- mentation de l'électronique dudit tube, d'une électronique de mesure pour la saisie de la valeur instantanée du courant du faisceau, etc. Le brevet de la République fédérale d'Allemagne N O 15 65 145 décrit un canon électronique à plusieurs boucles de régulation équi- pées de source de tension auxiliaire ou de référence Ces sources de tension auxiliaire se trouvent toutefois pratiquement au potentiel de terre, de sorte qu'aucune source de tension auxiliaire à potentiel élevé n'est disponible La solution connue ne comporte aucun montage électrique de commande, mesure et régulation à un potentiel haute tension et N 'exige donc aucune tension auxiliaire dans ce but. Le brevet de la République fédérale d'Allemagne N O 24 60 424 décrit également un canon électronique à dispositifs de régulation, avec des organes de régulation et de réglage portés à un potentiel haute tension Ledit brevet ne précise pas l'alimentation de ces organes de régulation et de réglage par une tension auxiliaire; dans une forme de réalisation pratique du montage de régulation connu, les sources de tension auxiliaires sont constituées par un transfor- aiareur séparateur relié au réseau et comportant un enroulement secon- daire en aval duquel est branché un second transformateur à plusieurs enroulements secondaires Les sorties de ces enroulements secondaires sont reliées à des régulateurs de tension ou au circuit de chauffage du tube régtulateur Ce transformateur séparateur supplémentaire, divensionné pour des différences de potentiel élevées de par exemple k V ou plus, doit être isolé en conséquence et est par suite lourd, volumineux et coûteux Un second transformateur séparateur est dans tous les cas nécessaires pour le chauffage de la cathode, de sorte que le montage connu exige au minimum deux transformateurs séparateurs Le terme "transformateur séparateur" désigne un trans- formateur qui, par suite de sa forme de construction particulière, peut supporter des différences de potentiel de 10 k V au minimum. La réalisation de montages de régulation et d'organes de réglage portés à un potentiel haute tension est souhaitable, car elle permet d'obtenir une action de régulation avec une constante de temps parti- culièrement faible. L'invention vise à réduire l'appareillage par suppression du transformateur séparateur isolé pour de grandes différences de poten- tiel, tout en fournissant au moins une tension auxiliaire à potentiel élevé. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la partie à courant alternatif du circuit de chauffage de la cathode contient l'enroulement primaire d'un transformateur d'intensité, comportant au moins un enroulement secondaire relié par un redresseur à un régula teur parallèle, dont la sortie délivre la tension auxiliaire. L'invention permet d'utiliser le circuit de chauffage de la cathode, qui se trouve déjà à un potentiel haute tension, comme source de tension auxiliaire sans recours à un transformateur sépara- teur distinct pour l'alimentation des montages de commande, mesure et régulation également portésà un potentiel haute tension Il est important que le courant circulant dans le circuit de chauffage ne varie qu'entre des limites déterminées Dans les canons électroniques pour fusion et vaporisation, le courant de chauffage est influencé pour régulation du courant d'émission du canon Dans les canons électroniques pour soudage, le courant de sortie du dispositif d'ali- mentation en tension du circuit de chauffage de la cathode est géné- ralement réglé à une valeur constante Dans ce cas particulier, le réglage du courant d'émission s'effectue par le wehnelt qui se trouve également sous haute tension Les détails seront précisés ultérieure- ment. Le régulateur parallèle, fréquemment appelé aussi régulateur shunt, fait qu'une variation de la charge de sortie provoque une réaction nulle ou peu sensible sur la source ou la tension d'entrée. Le fonctionnement du circuit d'entrée avec un courant constant pré- sente l'avantage de supprimer la variation de la puissance du faisceau, due au courant de chauffage variable de la cathode et habituellement fonction de la charge Toute variation des para- mètres du faisceau, tels que tension ou courant, se traduirait fina- lement par une variation du procédé de travail pour lequel le faisceau électronique est utilisé Les canons électroniques pour soudage sont particulièrement sensibles à des variations des paramètres du faisceau, car des paramètres de soudage modifiés réduisent la qualité du cordon de soudure dans certaines conditions. Dans le cas le plus simple, le régulateur parallèle peut 9 tre constitué par une diode Zener quand de légères réactions sur la source sont admissibles. Les tensions auxiliaires dont il est question ici se situent dans le domaine des faibles tensions et comprennent donc des tensions de 15 ou 24 V par exemple Selon une autre caractéristique particu- lièrement avantageuse de l'invention, le transformateur d'intensité comporte un second enroulement secondaire avec un nombre multiple de spires et relié par un second redresseur et un second régulateur parallèle à l'organe de réglage de la tension de modulation Le nombre plus élevé de spires permet d'obtenir selon besoin des ten- sions auxiliaires plus élevées, par exemple comprises entre 0,5 et 2,0 k V De telles tensions sont facilement utilisables pour la régu- lation sans puissance, nécessaire par exemple dans le cas de canons de soudage, pour la régulation de la tension de modulation et par suite du courant d'émission. 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 pour un canon électronique de soudage et des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente très schématiquement une machine à souder par bombardement électronique; et la figure 2 représente de façon plus détaillée un extrait de la figure 1. La figure 1 représente une machine à souder à bombardement électronique 1 Cette dernière comprend une chambre à vide 2 avec un porte-pièce 3 et une pièce 4, qui représente le potentiel cor- respondant d'un faisceau électronique 6 émis par un canon 5 La pièce 4 est, comme la chambre à vide 2, reliée à la masse et cons- titue en quelque sorte l'anode du faisceau électronique 6. Le canon électronique 5 comprend un wehnelt 7 et une cathode 8 à chauffage direct par passage d'un courant La cathode 8 est portée au potentiel négatif élevé de 150 k V et le wehnelt est ajustable à un potentiel négatif encore plus élevé, permettant ainsi de faire varier la puissance du faisceau. La cathode 8 comprend un circuit de chauffage 9, qui reçoit sa puissance d'un transformateur séparateur 10 classique et d'un régula- teur de chauffage 11 en amont Le circuit de chauffage 9 comprend en outre un symétriseur 12, qui contient des composants pour le redres- sement et le filtrage du courant de chauffage La constitution de tels symétriseurs est connue, de sorte qu'une description détaillée est superflue. Le symétriseur 12 comporte une sortie 13 pour la saisie de la valeur instantanée du courant du faisceau, qui peut être prélevée aux bornes d'une résistance de mesure 14 La valeur mesurée est transmise par des fils 15 et 16 à un circuit 17 de saisie de mesure, qui comprend un convertisseur tension-fréquence 18. la sortie 13 est reliée par un autre fil 19 à un organe de réglage 20 de la tension de modulation, lui-même relié par un fil 21 au wehnelt 7 Un convertisseur fréquence-tension 22, dont la fonction sera décrite ultérieurement, est branché en amont de l'or- gane de réglage 20. Le circuit de chauffage 9 comprend une partie 23 à courant alter- natif, c'est-à-dire la partie du circuit située en amont du redres- seur compris dans le symétriseur 12 Il convient de noter qu'un tel redresseur n'existe généralement pas dans le cas de canons électro- niques pour fusion et vaporisation, de sorte que la partie 23 à courant alternatif représente dans ce cas l'ensemble du circuit de chauffage 9. La partie 23 à courant alternatif contient l'enroulement pri- maire 24 d'un transformateur d'intensité 25, dont l'enroulement secondaire 26 est relié à un redresseur 27 Ce dernier, qui peut aussi gtre équipé de moyens de filtrage pour la fusion, est relié à un régulateur parallèle 28 (régulateur shunt), pouvant être cons- titué par une diode Zener dans le cas le plus simple La sortie 29 du régulateur parallèle 28 est reliée au couplage en parallèle du convertisseur tension-fréquence 18, du convertisseur fréquence- tension 22 et de l'organe de réglage 20 de la tension de modulation. La tension auxiliaire ainsi produite est la tension d'alimentation des éléments précités, branchés en aval. Le convertisseur tension-fréquence 18 comprend une sortie sans potentiel, c'est-à-dire non-électrique, non référencée, et consti- tuant simultanément l'entrée d'un circuit de transmission 31 à sépa- ration galvanique, symbolisé avec son sens d'action par une flèche. Un tel circuit de transmission peut être réalisé sous forme d'un guide de lumière ou par un système d'émetteurs et récepteurs optiques Zr ou acoustiques La forme d'énergie de transmission peut par exemple être un rayonnement lumineux (infrarouge) ou des ultrasons A l'ex- trémité du circuit de transmission 31 se trouve un convertisseur fréqunzice-tension 3 ? avec une sortie électrique 33, reliée à un régulateur 34 de courant du faisceau Dans ce dernier, le signal déiv é par la sortie 33 est comparé à une valeur de consigne wl, puis le signal de régulation résultant est transmis à un convertis- seïr -ension-fréquence 35, d'o il est ramené au convertisseur fréquencetension 22 par un circuit de transmission 36 à séparation galvaaique Ce circuit 36 est également symbolisé avec son sens d'action par une flèche. Les conwrtisseurs 32 et 35 sont reliés, comme le régulateur 34 do courrant du faisceau, au potentiel de terre; ils sont alimentés par d'autrec sources de tension auxiliaire de type classique, non resrne-tt; par raison de simplicité Les convertisseurs tension- frdqua Fae 08 et 35 convertissent les signaux électriques d'entrée (tensions) en signaux non-électriques, dont la fréquence, l'ampli- tude, la modulation, etc donnent une représentation proportionnelle de la tension Les convertisseurs fréquence-tension 32 et 22 pro- duisent la conversion inverse en signaux de tension Les circuits de transmission 31 et 36 couvrent la différence de potentiel par rapport au potentiel haute tension. Il en résulte que la valeur du courant du faisceau prélevée sur la sortie ou aux bornes de la résistance 14 peut encore être traitée du côté haute tension, puis utilisée au potentiel de terre, à cet endroit ou à l'extrémité du circuit de transmission 31, par exemple pour l'indication de la valeur mesurée ou la conversion en une grandeur réglante par le régulateur 34 du courant du faisceau. La tension cathodique peut également être prélevée et indiquée ainsi. La partie inférieure de la figure représente un transformateur d'intensité 25 a, utilisable à la place du transformateur d'intensité Contrairement à ce dernier, le transformateur d'intensité 25 a comprend, outre l'enroulement primaire 24 et le premier enroulement secondaire 26, un second enroulement secondaire 37 relié à un second redresseur 38 et à un second régulateur parallèle 39 stabilisé en tension Le second enroulement secondaire 37 comporte un nombre de spires beaucoup plus élevé et peut par exemple délivrer sans puis- sance une tension de 1 k V, qui est appliquée à l'organe de réglage de la tension de modulation A la tension cathodique élevée déjà disponible est ainsi superposée une tension négative de 1 k V par rapport à ladite tension cathodique La variation de cette tension par l'organe de réglage 20 permet de faire varier le courant du faisceau de façon connue On voit que la tension de modulation peut aussi être produite et réglée de la façon indiquée à un potentiel haute tension, par la source de tension auxiliaire, constituée par les composants 25, 27 et 28, et également portée à un potentiel haute tension. La figure 2 représente un extrait de la figure 1 avec les dis- positions supplémentaires suivantes L'entrée du convertisseur tension-fréquence 18 est reliée non seulement à la sortie du régula- teur parallèle 28 et à la valeur mesurée x 1 (fils 15/16), mais aussi à une source de tension continue 40, qui délivre un potentiel con- tinu prédéterminé L'entrée du régulateur du courant du faisceau 34 est reliée non seulement à la valeur mesurée X, mais aussi à une seconde source de tension continue 41, qui délivre un potentiel. continu de signe opposé à celui de la source de tension continue Il est naturellement possible aussi de pondérer les signes par des dispositions de circuit internes aux convertisseurs. Les dispositions indiquées produisent une augmentation du signal du c 8 té primaire du circuit de transmission 31 et une diminu- tion correspondante du signal du c 6 té secondaire, avec les avan- tages suivants. La tension U présente est convertie en une fréquence propor- tionnelle F en amont du circuit de transmission 31 Seule une basse fréquence est ainsi disponible dans le cas d'une basse tension. Lors de la transmission de tensions continues à variation rapide, c'est-àdire des signaux à grande pente des flancs, pose le problème, jusqu'à une fréquence d'environ 1 k Hz, d'une ondulation résiduelle élevée de la fréquence de transmission après la conversion inverse dans le convertisseur fréquence-tension La régulation exige toute- fois la transmission d'uae tension continue très régulière ou "lisse". Par suite des dispositions supplémentaires selon figure 2, une tension continue est additionnée au signal en tension, du c Sté primaire li circuit de transmission 31 Lorsque le signal en tension fluctue par exemple entre O et + 5 V, la fréquence transmise est comprise entre O et 100 k Hz Lorsqu'une tension continue de + 5 V, rorres-ondant à une fréquence de 100 k Hz, est additionnée au signal en tnsioa, la tension à transmettre est comprise entre + 5 et + 10 V, et la fréquence transmise entre 100 et 200 k Hz La tension continue additio nnée de + 5 V est ensuite soustraite du c 8 té secondaire, afin de fournir le signal en tension univoque souhaité On dispose alors pour la régulation de nouveau d'un signal utile compris entre O et + 5 V. Outre le signal de sortie du régulateur du courant du faisceau 34, uae source de tension continue 42 délivrant aussi un potentiel continu prédéterminé est reliée au convertisseur tension-fréquence , monté en aval du régulateur 34 Une élévation de fréquence est ainsi produite de façon analogue dans le circuit de transmission 36. L'organe de réglage 20, monté en aval du convertisseur fréquence- tension 22, est relié non seulement au signal de sortie du conver- tisseur 22, mais aussi à une source tension continue 43, qui délivre un potentiel continu correspondant de signe opposé Les problèmes posés par la transmission de basses fréquences sont ainsi éliminés, de sorte que l'exemple de réalisation selon figure 2 est également utilisable, avec un avantage particulier, pour la transmission de basses tensions. Bien entendu, diverses modifications peuvent 8 tre 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 Source de tension auxiliaire pour l'alimentation de montages électriques portés à un potentiel haute tension, et notamment de montages de commande, mesure et régulation pour un canon électro- nique alimenté sous haute tension, comportant une cathode avec un circuit de chauffage pour la production d'un faisceau électronique, et muni d'un dispositif d'alimentation en tension inséré dans le circuit de chauffage, comportant une partie à courant alternatif et dont le courant de sortie est réglable, ladite source étant caractérisée en ce que la partie à courant alternatif ( 23) du cir- cuit de chauffage ( 9) de la cathode ( 8) contient l'enroulement pri- maire ( 24) d'un transformateur d'intensité ( 25, 25 a) comportant au moins un enroulement secondaire ( 26) relié par un redresseur 27 à un régulateur parallèle ( 28) dont la sortie ( 29) délivre la ten- sion auxiliaire. 2 Source de tension auxiliaire selon revendication 1, caractérisée en ce que la sortie du régulateur parallèle ( 28) constituant la tension d'alimentation est reliée à un circuit de saisie de mesure ( 17) de la valeur instantanée du courant du faisceau. 3 Source de tension auxiliaire selon revendication 1, caractéri- sée en ce que la sortie du régulateur parallèle ( 28) constituant la tension d'alimentation est reliée à un organe de réglage ( 20) de la tension de modulation d'un canon électronique ( 5) de soudage. 4 Source de tension auxiliaire selon revendication 2, caractéri- sée en ce que la sortie du régulateur parallèle ( 28) constituant la tension d'alimentation est reliée à un convertisseur tension- fréquence ( 18); et la sortie du convertisseur tension-fréquence est reliée par un circuit de transmission ( 31) à séparation galvanique à l'entrée d'un régulateur ( 34) de courant du faisceau. 5 Source de tension auxiliaire selon revendication 1, caractéri- see en ce que le transformateur d'intensité ( 25 a) comporte un second enroulement secondaire ( 37) à nombre multiple de spires, relié par un second redresseur ( 38) et un second régulateur parallèle ( 39) à l'organe de réglage ( 20) de la tension de modulation. 6 Source de tension auxiliaire selon revendication 4, caractéri- sée en ce qu'une source de tension continue ( 40) applique en outre un potentiel continu prédéterminé à l'entrée du convertisseur tensionfréquence ( 18); et une seconde source de tension continue ( 41) applique en outre un potentiel continu correspondant, de signe opposé, à l'entrée du régulateur de courant du faisceau ( 34). 7 Source de tension auxiliaire selon revendications 3 et 4, caractérisée en ce qu'une source de tension continue ( 42) applique en outre un potentiel continu prédéterminé à un convertisseur tensionfréquence ( 35) monté en aval du régulateur de courant du faisceau ( 34); et une autre source de tension continue ( 43) applique un potentiel continu correspondant, de signe opposé, à l'entrée de l'organe de réglage ( 20).