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HORLOGE ATOMIQUE A VAPEUR DE RUBIDIUM

Au cour d'un de mes déplacements , j'ai récupéré une ancienne horloge atomique
C'est une " Variant 4700B "  à vapeur de rubidium
C'est une pièce de collection car c'est le premier modèle commercial qui a existé (1962 )

Je vais tenter de la remettre en service 

PREMIER CONTACT 


C'est gros
C'est très lourd
Une belle façade grise avec quelques boutons et deux galvas 

Sur de dessus , de nombreuses liaisons coaxiales et des boîtiers blindés
Ça sent les hyperfréquences ...... 

La partie "atomique" se trouve dans le gros cylindre noir qui fait toute la largeur de l'appareil 

J'ai commencé à réunir de la documentation sur ce type d'horloge et à en étudier le fonctionnement avant toute intervention dessus

J'ai pu trouver sur le net une documentation en anglais très complète sur les horloges à vapeur de rubidium et leur fonctionnement dans laquelle il est fait allusion à celle que j'ai récupérée
Il y a même une photo et une partie de schéma
Je vais contacter l'auteur de cet article ( directeur d'une société de recherche sur les standards de fréquence ) car je présume qu'il a la notice d'emploi ainsi que les schémas de cette horloge

D'après cet article , un stockage prolongé à l'arrêt d'une horloge à vapeur de rubidium ne pose pas de problèmes
Seul le redémarrage de l'oscillateur RF d'excitation du plasma peut être difficile à cause de la condensation de la vapeur de rubidium sur les parois de la lampe

De plus la lecture complète de cet article (163 pages) m'a permis de localiser et de comprendre le fonctionnement des divers éléments de l'horloge

Après un examen visuel poussé et n'ayant rien trouvé de suspect ( cette horloge a été stockée dans de bonnes conditions ) je décide de tenter une mise sous tension
Pas de prise secteur 220 volts
Juste un connecteur vissé à l'arrière avec trois fils qui en sortent
  • Un rouge pour le plus
  • Un bleu pour le moins
  • Un blanc relié au châssis

Par acquis de conscience j'ai suivi les fils pour être sur de la polarité , on a de mauvaises surprises parfois
Quand à la tension d'alimentation , coup de chance , elle est notée sur la plaque à coté avec le courant consommé


A coté , toujours sur la face arrière , il y a des réglages dont je ne connais pas encore la fonction


Première mise sous tension avec une alimentation réglable en tension et en courant
28 volts pour la tension et courant réglé à 3 ampères ( la consommation d'après la plaque doit être entre 2,5 et 3,5 ampères )
Les deux voyants de marche s'allument mais aussi le voyant rouge d'alarme
Par contre le courant reste très bas , tout juste 1 ampère
 

Je n'ai pas non plus de consommation sur les diverses positions de contrôle du milliampèremètre de droite ( sauf sur une )
Je laisse chauffer un moment , certaines indications du milliampèremètre commencent à décoller légèrement ce qui est bon signe

Comme le VCO fonctionne en permanence , même s'il n'est pas piloté par la cellule à rubidium , je branche mon fréquencemètre sur la sortie 5 Mhz de l'horloge
J'ai une fréquence très stable , bien que quelques hertz en dessous de 5 Mhz
Erreur probablement dû à mon fréquencemètre , j'ai le même écart sur la sortie 1 Mhz de l'horloge

Mais le voyant alarme est toujours allumé
  

LES ESSAIS 


Plus haut je disais que j'allais contacter le directeur d'une grosse société susceptible de posséder les plans de cette horloge
J'ai une grande reconnaissance pour le directeur de cette société Américaine , qui m'a répondu très rapidement et qui à pris le temps de me scanner le manuel technique complet de cette horloge

J'ai donc maintenant en ma possession le mode d'emploi , les procédures de réglage et tout les schémas détaillés

Les essais sérieux peuvent commencer

Première constatation : le système thermostatique ne fonctionne pas
En effet , la partie "atomique" ( Physics Package ) et l'oscillateur principal doivent fonctionner à des températures très précises dans des enceintes thermostatées
Il y en a quatre :
  • L'oscillateur 5 Mhz
  • La "lampe" à vapeur de rubidium
  • Le filtre à vapeur de rubidium
  • La cavité résonnante
( les trois dernières sont dans le Physics Package )

Un commutateur sur la face avant permet de contrôler le courant de chauffage de chacun de ces éléments grâce au voltmètre de droite
Hors il ne dévie sur aucune des quatre positions

A l'arrière , une boite marquée " Température controller"


Une fois ouverte , il y a quatre cartes , correspondantes chacune à un des éléments à chauffer et en dessous une cinquième carte plus petite


Comme aucun des circuits de chauffage ne fonctionnent , je pense à un problème commun

En étudiant le schéma , cette petite carte est un oscillateur qui pilote les quatre autres
On va donc sortir l'oscilloscope

La sortie directe de l'oscillateur ( trace du bas ) est correcte
C'est une des deux sorties prises sur un enroulement du transfo oscillateur
Cet enroulement à deux sorties déphasées de 180°
Une des sorties est appliquée à la thermistance de contrôle et l'autre à la résistance ajustable de consigne
Les deux signaux sont sommés après les résistances , si les deux résistances ont exactement la même valeur la résultante est nulle
Si par contre la thermistance n'a pas exactement la même valeur que la résistance de consigne , cette résultante n'est plus nulle et la polarité du signal indique dans quel sens agir pour corriger l'écart de température

Il y a aussi un amplificateur qui attaque les bases des transistors de puissance des chauffages à travers un transfo adaptateur d'impédance
A la sortie de ce transformateur , pratiquement rien sur l'oscillo ( trace du haut )
Je mesure sur le collecteur du transistor driver ( un PNP ) toute la tension d'alimentation
Donc ...... c'est soit le transistor qui est en court-circuit , soit le primaire du transfo qui est coupé



Donc démontage du boîtier ( quatre vis à enlever et tout le groupe vient d'un bloc ) puis contrôle
C'est le transfo qui est coupé

Par chance , la boite qui le fabrique existe toujours et ce transfo est toujours au catalogue plus de 50 ans après

C'est un petit transfo BF à l'origine
C'est le petit cube rouge sur la carte et le transfo "Triad SP-20" sur le schéma en bas à droite
 

Le petit transfo est en commande au .... Texas
Donc un peu d'attente

Pour pouvoir continuer , j'ai adapté un petit transfo BF de caractéristiques proches
J'ai dû le brancher à l'extérieur avec des fils

Dès la mise sous tension j'ai la confirmation que la panne vient bien de là
Les deux signaux sont bien présents à l'oscillo


Je contrôle le courant sur le galva de la face avant , il y a bien déviation , mais sur seulement deux des quatre positions
La lampe et la cellule n'ont toujours pas de chauffage

Prochaine étape : contrôle des circuits de puissance et des résistances de chauffage

Le petit transfo est arrivé
Entre-temps j'ai contrôlé les cartes , j'ai trouvé deux soudures abîmées , que j'ai refaites

Le remplacement du transfo se fait sans problèmes



Puis mise en route , oscilloscope branché
Les deux signaux sont corrects et le galva dévie pour les quatre circuits de chauffage
La consommation générale de l'horloge est de trois ampères maintenant 
Je décide de laisser chauffer l'horloge plusieurs heures

.................
Trois heures plus tard

Une bonne odeur d'électronique ancienne se dégage de l'horloge
Les quatre transistors de puissance qui drivent les quatre résistances de chauffage sont tièdes ce qui indique un bon fonctionnement
Toute l'horloge est tiède
J'essai de faire quelques réglages mais je ne parvient pas à faire accrocher la boucle d'asservissement
L'indicateur de gauche oscille de part et d'autre du zéro central ce qui indique que le "servo-control" cherche à se verrouiller  mais il ne se stabilise pas
Sur l'arrière du boîtier du "servo-control" il y a trois prises BNC
Ces trois prises délivrent des signaux de contrôle
Sur les trois je n'en ai qu'un seul , celui de commande d'axe X pour l'oscillo

Il y a toujours des faux-contacts , certains circuits de chauffage se coupent par intermittence
J'ai démonté les boutons 10 tours qui sont grippés mais la commande de réglage de l'oscillateur principal reste dure à manoeuvrer
Il y a aussi les petits colliers de maintien des fils sur les boîtiers HF qui sont cuits , et leurs vis se promènent dans les boîtiers
Il va falloir les ouvrir  pour récupérer les vis et changer les colliers
Je vais aussi devoir ouvrir le servo-control car il n'a pas l'air de fonctionner correctement , l'absence totale de signaux en sortie présume d'une panne
Et je vais devoir ouvrir le "physic package" pour contrôler que la lampe à vapeur de rubidium est bien excité et qu'elle s'ionise correctement 
L'oscillateur d'excitation fonctionne avec deux tubes à vide et il y a un convertisseur qui fourni les 165 volts d'anode aux tubes

Cette horloge comporte énormément de connecteurs et il est fort probable que 50 ans après il y en ai qui ne fassent plus bien contact 
Je vais donc devoir faire une "révision générale" avant de continuer mes investigations 
REVISION GENERALE
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