MARS 1936

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LES OSCILLATIONS DE HAUTE FRÊQUENCE DANS LES LAMPES AU SODIUMpar L. BLOK. '

Résumé.Dans les lampes au sodium, desoscillationspermanentes dehautefréquencepeuventse produire au cours de la décharge. A dëfaut de précautions adëquates ces oscillations peu-vent occasionner des perturbations radiophoniques dans certains cas. Des mesures de cesoscillations, effectuées sur des lampes à courant continu, ont permis' de distinguer deuxtypes d'oscillations, A et B; dont la différence rëside dans leurs caractéristiques généraleset notarument dans la manière de réagir sur les variations de régimc de la déchargc.Le type A peut être attrihuë à des oscillations d'ions positifs, Ie type B à des oscillations

. ëlectroniques. Dans les montages employés actuellement pour les installations d'éclairage,oû chaque lampe est alimentée par un autotransformateur ,à dispersion distinct, lesoscillations ne peuvent se propager sur Ie réseau. Dans des cas spéciaux oü les risquesde perturhations radiophoniques subsistent, un petit dispositif antiparasite constitue leremède indiqué.

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Introduction

Il est connu que des oscillations de haute fré-quence peuvent se produire au sein des déchargesdans les .gaz et qu'elles peuvent donner lieu à desperturbations dans les postes récepteurs situés dansleur voisinage, soit par rayoimement, soit' par'propagation le long des' fils conducteurs. La trans-

, mission de ces oscillations au réseau, dans Ie casdes lampes au sodium, est actuellement évitée d'unefaçon simple par une construction et un montageappropriés du transformateur d'alimentation. A£inde trouver Ie remède approprié pour prévenir lesperturbations, il était désirable d'étudier de plusprès les conditions donnant, lien à la productiond'oscillations, ainsi que Ie caractère particulier decelles-ci.

Nous devons alors fai~e une distinction entre lesoscillations de haute fréquence qui se produisentau cours de la décharge et celles qui se produisentpendant l'amorçage. Ces dernières sont les plusconnues, ainsi que les perturbations radiophoniquesqu'elles provoquent. Elles peuvent se produire avectous les tubes à décharge fonctionnant SUl' courantalternatif, tels que tubes à néon pour enseigneslumineuses, tubes redresseurs, etc., lesquels s'amor-'cent et s'éteignent deux fois par période, Cesperturbations sont absentes dans de nombreux cas.Toutefois, si elles se produisent, elles ont le mêmecaractère que les perturbations provoquées par lesétincelles de commutateurs ou de machines, ellesne nous apportent aucun point de vue nouveau etnous ne les étudierons donc pas davantage ici.Cette manière dë voir se justi£ie d'autant mieuxque ces oscillations sont supprimécs en même tempsque l'oscillation proprement dite de la' déchargegazeuse elle-même.

Pour les perturbations provoquées par desdécharges SUl' courant continu, seules les oscillationspermanentes de haute fréquence peuvent gêner,puisque dans ce cas le processus d'allumage ne seproduit qu'une fois au moment oû l'on met Ie tube

en circuit. Lorsqu'on commença à appliquer leslamp es au sodium, alors construites pour courantcontinu, à l'éclairage des routes, on 's'aperçut queles osçillations permanente's pouvaient effective-'ment entraîner, dans des conditions déterminées, desperturbations radiophoniques. Cette constatationa donné lieu à un examen phis approfondi de laquestion, dont nous communiquerons brièvementles résultats 1) ei-après.

Mesures effeetuêes'11~

En .premier lieu on: .monta une installation q~permettait de mesuren les oscill"ations de hautefréquence. Pour les' mesures, qui devaient êtreeffectuées en dehors des Iaboratoires, cette instal-lation se composait: d'un poste récepteur transpor-t~ble pourvu d'une antenne, et I'oscillation de hautefréquence pouvait:'·ê1;:t;~ entendue dans' Ie haut-parleur sous forme de perturbation. En, même tempson mesurait la tension redressée au moyen d'unvoltmètre à lampe. Pour les mesures en laboratoire,la tension de haute fréquence était rendue visibleen même temps sur l'écran d'un tube à rayonscathodiques; à cet effet la tension de haute fréquenceétait prise directement SUl' la Iampe. La fig. 1reproduit Ie schéma de cette installation. .

Un filtre de bande incorporé à, l'ampli£icateurde haute fréquence permettait de régler successive-ment SUl' différentes gammes de longueurs d'ondevariant mitre 200 et 2000 m, afin de pouvoir étudierla fréquence des oscillations. La tache fluorescenteSUl' l'éè~an du tube à rayons cathodiques est trans-formée en une ligne lumilleuse de longueur réglable,

, la base de temps, par .une tension de déviation 2)en "dents de scie". Cette ligne s'élargit en formede bande, lorsqu'on 'applique la tension de hautefréquence amplifiée (fig.2). La largeur de cette

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1) Bien qu'entretemps les usines Philips aient dëcidë, pourdifférentes raisons, la fabrication de lamp es au sodiumpour courant alternatif, les rësultats obtenus avec leslamp es pour courant continu conservent cependant leurimportance.

2) Comparez par exemple cette Revue 1, 17, 1936.

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bande donne directement une mesure de l'amplitudede la tension. Lorsque, pour les mesures ultérieures,la lampe fonctionnait SUl' courant alternatif, la base

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Fig. 1. Une installation de mesure, pour étudier les oscillationsde haute fréquence dans les lamp es au sodium. La lampe Nest alimentée en courant continu. Deux bobines d'impédanceL empêchent la propagation des oscillations de haute fréquencevel'S le réseau, deux condensateurs C soustruient la tensioncontinue de 1'ensemble du système qui sert aux mesuresproprement dites. 1 est urï amplificateur à haute fréquence,B un tube à rayons cathodiques. En 2 nous avons Ie redres-sement des oscillations de haute frëquence, dont on mesurela tension au moyen du voltmètre à lampe V. 3 est un amplifi-cateur à basse fréquence qui ren u les oscillations audiblesflans le haut-parleur sous forme de parasites radiophoniques.

Fig. 2. Tension de haute fréquence d'une lampe au sodium ("Phi-lora" , type SO 100), fonctionnant sur courant alternatif, durantune période de ce courant. La tache fluorescente sur l'écrandu tube à rayons cathodiques est transformée en une lignelumineuse (horizontale), la base de temps, par une tensionen dents de scie. Le faisceau électronique est dëvië verticale-ment par la tension de haute fréquence: la ligne lumineuseSUl' l'ëcran fluorescent s' élargit sous forme de bande, dont laphotographie figure ci-dessus. (La ligne pointillée indique lebord de 1'écran). La largeur de la bande donne une mesurede 1'amplitude de la tension de haute fréquence. La base detemps est réglée pour correspondre à une période du courantalternatif. Si, durant chaque période, les mêrnes phënomènesse reproduisent, on obtient done une image immobile. Letemps d'exposition pour prendre cette photo a été d'envil'on10 périodes, soit 1/5 seconde.

de temps était rendue égale à une période ou à unfaible multiple de celle-ci, ainsi on a pu égalcmentexaminer la répartrtion des oscillations sur unepériode du courant alternatif d'alimentation.

Les mesures ont été principalement effectuéessur des lampes au sodium construites sous formed' "arc à basse tension". Ces lampes étaient alimen-tées sur 24 V de tension continue (la tension d'arcétait d'environ 14 V). Le courant d'arc ib était de5-12 A, tandis que la cathode était chauffée sépa-

rément par un courant alternatif if d'environ 10 A.

Deux types d'oscillations

Bien que le caractère de l'oscillation fût légère-ment différent pour chaque lampe, on acependantpu discerner assez vite deux types d'oscillations,A et B, permettant de classer presque toutes leslampes selon la nature de leurs oscillations.

L'oscillation du type A présente des composantesà des fréquences de 1,5.106 à 0,5.106 pérjsec, cequi correspond à des longueurs d'onde Je de 200à 600 m. On trouve des composantes de longueursd'onde déterminées, assez nettement définies,appartenant à cette gamme. Dans ccrtains cas ladifférence de fréquence entre lID certain nombrede composantes successives est constante, de sortequ'elles doivent être considérées comme les harmo-niques d'une oscillation de fréquence encore plusbasse, indirectement mise en évidence ainsi, égaleà la difl'érence de fréquence trouvée (J. jusqu'à30000 m). L'oscillation du type A est fortementmodulée par la fréquence (50 pér /sec) du courantde chauffage.

L'oscillation du type B se place également dansla gamme des longueurs d'onde de 200 à 600 m,elle couvre cependant une bande plus continue defréquences. Cette oscillation est beaucoup plusfaible que celle du type A, et de ce fait elle ne peutêtre reproduite par l'oscillographe; sa modulationest faible ou nulle. En procédant à la suppressiond'une perturbation radiophonique provenant d'uneoscillation du type B (à l'exclusion du type A) aumoyen d'un condensateur monté en parallèle (voirei-dessous] la longueur des fils de connexionsemblait avoir une influence considérable. Nousen avons conclu que l'oscillation B a une compo-sante sur onde ultra-courte.

Plus caractéristique : encore que la différenced'aspect extérieur des deux types d'oscillationsest celle de l'influence exercée par les conditionsde fonctionnement de la lampe. Dans ce cas lesfacteurs les plus importants sont: Ie courant d'arcib et Ie courant de chauffage if; ib détermine la densitédes ions dans la décharge, if l'émission électroniquede la cathode 3). Si une lampe oscille selon le modeA, l'oscillation deviendra plus puissante selon quenous faisons, simultanément ou ~on, s'accroître lavaleur de ib ou diminuer celle de if' Par contre,si la lampe présente des oscillations du type B,1'inverse se vérifie: l'oscillation devient plus puis-sante selon que nous faisons, simultanément ou non,

3) En fait l'émission électronique est également déterminéepar ib parce que les ions peuvent libérer encore des électronssupplémentaires de la cathode et aussi chauffer la cathodepar leur bombardement. Non seulement la densité ionique,mais aussi l'émission électronique varient done avec ib.

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décroître la valeur de ib ou augmenter celle de i1.Dans de nombreuses lampes on a même pu obtenirune transition de l'oscillation du type A à celle dutype B, en faisant varier ib' et if; lorsque la Iampeoscillait selon Ie mode A, l'amplitude de la hautefréquence . (mesurée par Ie voltrnètre "à lampe)diminuait progressivement lorsqu'on faisait dimi-nuer la valeur de ib et augmenter celle de if' .Elledisparaissait alors completement pour certainesvaleurs déterminées de ib et de if; en modifiantensuite, encore dans Ie même sens, les valeurs deib et if' une oscillation du type B se produisait dontl'amplitude allait en s'accroissant progressivement.En principe _?esconstatations pourraient done nousfournir déjà un moyen pour neutraliser une pertur-bation radiophonique éventuelle, à savoir par unréglage approprié du Courant d'arc et du courant dechauffage des lampes. En pratique l'application decette idée est impossible: en effet, alors même queles conditions de fonctionnement de la lampen'étaient pas déterminées par d'autres considéra-tions, et si la transition de l'oscillation du type Aau type B, en passant par un état sans oscillationaucune, pouvait être obtenue avec toutes les lamp e's(ce qui n'e~t certainement pas le cas), un seulréglage de chaque Iampe ne suffirait pas, puisquela nature des oscillations des lampes se modifienotablement a,u COurs de l'utilisation. Les oscil-lations, ainsi que nous aurons l'occasion de l'indiquerpar la suite, sont cependant neutralisées par unprocédé beaucoup plus simple.

Une grande densité des ions et unc faible émission. élcctronique avantagent, comme .nous I'avous déjàexpliqué, l'oscillation du type A, au contraire uneforte émission électronique ct une faible densité

. ionique avantagent l'oscillation du type B. Cetteconstatation nous fait supposer que pour le type A

, des oscillations d'ions positifs interviennent dansla décharge, alors que pour celles du type B ils'agirait d'oscillations d'électrons.

Én fait les oscillations de' ce genre sont déj àconnues depuis quelque temps. Les fréquences quiont été déduites théoriquement pour les oscillationsdes ions sont du même ordre de grandeur que cellesque nous avons trouvées. Les oscillations des élec-tueris peuvent probablement être considérées commeune oscillation de Barkhausen-Kurz 4), danslaquelle le nuage de la charge positive d'espac_e,qui se trouve à l'extrémité de la ehute cathodique,joue le role de la grille positive Ó).

4) Il s'agit ici d'oscillations de très .haute fréquence (J. =,10-100 cm) qui peuvent se produire dans une lampe deT.S.F. lorsque la grille est rendue fortement positive parrapport à I'anode.

5) Voir F. M. Penning, Physiea 6, 241, 1926.

Suppression des perturhations dues aux oscillations

Les études de ces oscillations de haute fréquenceSUl' les installations d'éclairage en service, ontconfirmé les résultats des recherches de laboratoire.Nous avons pu constater spécialement qu'unréseau consistant en une ligne aérienne avec uncertain nombre de lamp es au sodium, montées ensérie, choisit, dans la bande de fréquence plutotlarge des oscillations des lampes, précisément lafréquence particulière, sur laquelle le système estaccordé, Le long de la ligne aérienne il se formedes ondes stationnaires dont les ventres et les nceudspeuvent être facilement repérés en déplaçant, Ielong de' la ligne, l'installation portative qui sertaux mesures. En considérant, qu'une telle ligne.contribue à rendre perceptibles les parasites, îl :apparaît que l'emploi de cables souterrains estpréférable à celui des lignes aériennes pour lesinstallations d'éclairage, parce que le rayonnementdes cables est plus faible. Eventuellement l'insertiond'un filtre-antiparasite" suffit alors pour éviter Ia" .propagation des oscillations de haute fréquence dansles autres éléments au réseau. '

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Actuellement on donne g4néralement la préférenceau montage en panallèle au lieu du montage ensérie des lamp es:' bÎlus "pe' 'genre d'installations la. suppression des parasites est obtenue de la manière ,suivante: chaque la!llP~' ,e~!. branchée directementau réseau (fig: 3) .ca~ec'" son' auto-transformateurindividuel à dispers\o,:u;A chaquè pole de .la _lampe,

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Fig. 3. Montage des lampes supprimant les oscillations de hautefréquence. Chaque lampe Nest montée en parallèle sur lerëseau avec un autotrnnsformateur individuel T à dispersion.Une partie de l'enroulement secondaire du transformat~urfonctionne sur les deux pöles de la lampe comme une bobined'impédance à haute fréquence,. qui empêche la propagntiondes oscillations vers Ie rëseau. Les conditions magnétiques,que nous n'indiquons pas ici afin de simplifier, jouent enfait un röle cssenticl pour le fonctionnement d~ eet enrou-lement comme bobine d'impédance à haute fréquence.

une partie de l'enroulement secondaire du trans-formateur remplit Ie role de bobine d'impédanceet empêche la propagation des oscillations de hautefréquence. Si donc Ie transformateur est disposétout près de la' lampe, toutes les, perturbations

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seront évitées. Lorsque ce dispositif n'est pasapplicable, notamment dans les cas oû une portionde ligne aérienne (qui Tayonne comme une antenne)se trouve entre la lampe et le t.ransformateur,chaque lampe doit être antiparasitée séparément,On procède alors, suivant Ie principe admis, endisposant sur le circuit des condensateurs et desself-inductions.

D'une façon générale, pour les lamp es à courantcontinu, un petit condensateur d'environ 2 fLFsuffitpour neutraliser l'oscillation de haute fréquence.Dans ce cas, on pourrait se servir d'un moyen simplepour constater si une lampe oscille ou n'oscille pas:on met en circuit Ie condensateur monté en parallèleet on mesure en même temps la tension d'arc. DansIe cas oû il y a des oscillations de fréquence du type

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Fig. 4. Montage antiparasite des lampes (fonctionnant surcourant alternatif) par une self-induction L montëe en sérieet un condensateur C monté en parallèle. Le coefficientantiparasite est ","CC.

A, la tension d'arc s'accroît quelque peu au momentoû Ie condensateur est raccordé, done à l'instant oûles oscillations cessent. Il semble done que la pré-sence des oscillations produise déjà la quantité d'ionsrequise pour une tension moyenne un peu plus faible.Lorsque les différences de potentiel à haute fréquencedisparaissent, parce que l'oscillation est supprimée,une tension d'arc plus élevée sera nécessaire afinde produire à nouveau une même quantité d'ions.Ce procédé n'a pas permis de déceler les oscillationsdu type B. L'expérience a d'ailleurs appris que leslampes sur courant continu qui oscillaient à uneépoque donnée selon le type B ou même n'oscillaientpas du tout, passaient toujours au type A avec Ietemps 6).

Pour le cas de lamp es alimentées sur courantalternatif, il n'est cependant pas admissible demonter en parallèle SUl' la décharge un condensateurde la grandeur indiquée de 2 fLF: les à-coups dansla décharge, qui en résulteraient, feraient augmentertrop le scintillement et exerceraient en même temps,

6) Ce phénomène est probablement lié au fait que l'émissionde la cathode diminue graduellement (ce qui équivaut àune diminution de if')

par suite des grandes intensités instantanées ducourant, une influence néfaste SUl' la durée de viedes lampes. Pour empêcher que la tension alterna-tive E de haute fréquence agisse à l'extérieur de ces

Fig. 5. Photographie du dispositif antiparasite. Les troisbornes sont connectées d'après les indications de la figure Ij.•

lampes, on instalIe, suivant la manière indiquéedans la fig. 4, une self-induction L d'environ 4 mHet un condensateur C d'environ 0,01 fLF. Par lesvaleurs choisies de L et de C, wL est» llwC, Ie cou-rant de haute fréquence dans Ie circuit L C est doneapproximativement: i = ElwL, et la tension per-turbatrice (= tension aux bornes de la capacité C),qui agit sur l'autre partie du réseau, deviente = Elw2 Le. Le coefficient antiparasite ainsiatteint, est done E]e = w2 LC (pour la plus petitefréquence dont il faille t.enir compte, E le estd'environ 30).

La fig. 5 est une photographie du dispositifantiparasite ou Ie condensateur et la self-induction

Fig. 6. Lampe dans une armature avec un dispositif anti-parasite incorporé (à gauche).

sont montés ensemble, Ie système pouvant êtrebranché sans difficulté sur chaque lampe pourlaquelle cela sera nécessaire. La fig. 6 représenteune armature comportant un dispositif antiparasiteincorporé.