Tube électronique
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En électronique, un tube électronique (vacuum tube en américain ou valve en anglais), également appelé tube à vide ou même lampe, est un composant généralement utilisé pour amplifier un signal.
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Fonctionnement
Les tubes électroniques désignent les composants qui utilisent des électrodes placées dans le vide ou dans un gaz isolées entre elles par ce milieu, et comprenant au moins une source d'électron. Celle-ci exploite l'effect thermoïonique dans le cas des tubes à vides. Une enveloppe résistante à la température isole l'ensemble de l'extérieur. Bien que l'enveloppe soit généralement en verre, les tubes de puissances utilisent souvent la céramique et le métal. Les électrodes sont reliées aux terminaisons qui passent au travers de l'enveloppe, bien sur le passage est étanche. Sur la plupart des tubes, les terminaisons sont des broches prévues pour être installées dans un support de tube électronique pour un remplacement facile.
Le plus simple des tubes à vide ressemble à une lampe à incandescence, car il possède un filament chauffant à l'intérieur d'une enveloppe de verre, dans laquelle on a fait le vide. Quand il est chaud le filament relâche des électrons dans le vide, ce processus est appelé émission thermoïonique. Il en résulte un nuage d'électrons (négatif) appelé charge d'espace. Ces électrons vont être attirés par une plaque métallique (plate en Anglais) qui est située à l'intérieur du tube et est appelée anode, elle est chargée positivement. Il en résulte un flux d'électron appelé courant du filament vers la plaque. Bien sur cela ne marche que dans ce sens car la plaque n'est pas chauffée, donc nous obtenons une diode à vide à chauffage direct. Ce composant ne conduit le courant que dans un seul sens.
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Développement
John Ambrose Fleming, conseiller scientifique à la société Marconi inventa la diode en 1904 basé sur l'observation de Thomas Edison. Le courant unidirectionnel (continu) et la construction de la diode original amena Lee De Forest à placer une autre électrode, un fil tendu ou écran appelé la grille(de contrôle), entre le filament et la plaque en 1906. De Forest découvrit que le courant circulant du filament vers la plaque (anode) dépendait de la tension appliquée sur la grille, et que le courant de grille était très faible et composé des électrons captés par celle-ci. Quant la tension appliquée sur la grille varie, le courant du filament vers la plaque varie lui aussi. De cette façon la grille exerce un contrôle électrostatique sur le courant de la plaque. Le résultat de ce composant à trois électrodes est un excellent et très sensible amplificateur de tension (tension/courant). DeForest appela son invention l'audion, mais elle est mieux connue sous le nom de triode. C'est le tube équivalent au transistor, les triodes furent utilisées dans les premier amplificateurs à tube. (note: il faut savoir que le premier composant actif n'est pas le tube électronique, le premier est un composant de type semi-conducteur : le cristal de galènes des premiers récepteurs radio, matériau naturel qui permettait de réaliser une diode.
La non-linéarité de la courbe tension/courant de la triode posa des problèmes de distorsion à faible volume. Cette distorsion ne doit pas être confondue avec la distorsion à fort volume, que l'on appelle habituellement « écrêtage ». Pour résoudre ce problème les ingénieurs ont tracé les courbes du courant de plaque en fonction de la tension de grille, et découvrirent une zone de fonctionnement presque linéaire. Pour utiliser cette zone, une tension négative devait être appliquée sur la grille de manière à se placer dans la zone linéaire sans signal appliqué sur la grille. Cette condition est appelée le repos. Le courant de repos est une valeur importante dans un montage. La tension à amplifier appliquée sur la grille est superposée à cette tension négative dite de polarisation ou tension de bias, le résultat de cette superposition est une variation du courant de plaque de façon linéaire en fonction de la tension de grille, si la tension de grille augmente le courant de plaque augmente, et si la tension de gille diminue le courant de plaque diminue et cela de manière proportionnelle dans les deux sens, jusqu'a la saturation de fort volume.
Les batteries étaient conçues pour fournir les différentes tensions et intensités nécessaires. Les batteries A fournissaient la tension du filament. Les batteries B fournissait la tension de plaque. Jusqu'à nos jours la plaque est référencée « B+ ». Les batteries C fournissaient la tension de polarisation (négative), bien que plusieurs circuits de polarisation existent: polarisation par courant de grille, polarisation par résistance de cathode ou polarisation par une tension. Maintenant nous n'utilisons plus les batteries, mais certains montages(surtout Anglais) utilisent encore cette notation A, B, C.
Plusieurs innovations suivirent. Il devient plus courant d'utiliser le filament pour chauffer une électrode séparée appelée la cathode, et d'utiliser cette cathode pour émettre le flux d'électrons dans le tube à la place du filament. Cela réduit les bruits de fonds dû au passage d'un courant dans le filament quant celui-ci est alimenté en alternatif. Dans certains tubes le filament est appelé chauffage(heater en Anglais) pour le différentier de la partie active (la cathode dans ce cas).
Quand les triodes furent utilisées en radio (émetteurs/récepteurs), elles avaient tendances à osciller à cause des capacités parasite entre l'anode et la grille de contrôle. Plusieurs circuits complexes furent développés pour réduire ce problème (l'amplificateur Neutrodyne par exemple), mais le problème persistait pour des plages de fréquences larges. Il fut alors découvert que l'ajout d'une seconde grille, située entre la grille de contrôle et la plaque et appelée grille écran (screen grid en Anglais) pouvait résoudre ces problèmes. Une tension positive légèrement plus faible que la tension de plaque était appliquée, et la grille écran était reliée à la terre par un condensateur (pour les hautes fréquences). Cela permet un découplage entre l'anode et la grille de commande, et ainsi l'éliminations des problèmes d'oscillations (réduction de la capacité grille de commande/plaque grâce à la grille écran). Ce tube a deux grilles fut appelé une tétrode, ce qui signifie quatre électrodes actives(cathode, grille de commande, grille écran, plaque).
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Toutefois la tétrode a un problème surtout dans les applications à fort courant de pointes. À de forts courants transitoires, la plaque peut devenir négative par rapport à la grille écran. Comme la grille écran accélère beaucoup les électrons, ceux-ci possèdent une force suffisamment importante pour revenir vers la grille écran après avoir heurté la plaque, ce qui crée une émission secondaire(d'électrons) qui sont capturés par la grille écran, réduisant le courant de plaque et l'amplification du circuit. La encore solution était d'ajouter une autre grille entre la grille écran et la plaque, appelé grille d'arrêt ou grille suppressive. Cette grille fut reliée à la terre ou à la cathode du tube recevant ainsi une tension négative par rapport à la plaque, l'émission secondaire de l'anode retourne ainsi à sa source grâce au champ électrostatique (de la grille suppressive). Ce tube avec trois grilles ce nome pentode, car il possède cinq électrodes actives (cathode, grille de commande, grille écran, grille d'arrêt, anode).
Les tubes avec 4, 5, 6, ou 7 grilles, appelés hexodes, heptodes, octodes, et nonodes, était en général utilisés pour la conversion de fréquences dans les récepteurs superhétérodyne. Les grilles ajoutées sont toutes des « grilles de contrôles », chacune une recevant son propre signal. Une grille spéciale agissant comme la plaque fournissait un oscillateur interne, qui était mixé avec le signal radio entrant. Les deux faisant varier le courant de plaque en ajoutant leurs effets créant ainsi un signal de sortie unique qui est la somme algébrique des deux. L'heptode, ou convertisseur pentagrilles, fut le plus commun. 6BE6 est un exemple d'heptode.
Cela fut une pratique courante pour certains types de tubes (ex. le Compactron) d'inclure plusieurs éléments sous le même bulbe, par exemple le 6SN7 est l'un des premiers tubes multi-section, c'est une double triode qui, pour la plus part des applications, peut remplire la fonction de deux triodes séparée, en prenant moins de place et ce avec un coût réduit. Le 6AG11 (Compactron) contient deux triodes et deux diodes. Actuellement le tube le plus populaire aux monde est le 12AX7 qui est aussi appelé ECC83, avec un volume de vente estimé à plus de 2 millions d'unités par an. La 12AX7 est une double triode a fort gain souvent utilisée dans les amplificateurs de guitare.
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Les tubes de puissances à faisceaux dirigés sont normalement des tétrodes aux quelles ont été ajoutées deux plaques métalliques reliées entre elles pour diriger le flux d"électron, ces plaques remplacent la grille suppressive de la pentode. Ces plaques ont un angle afin de permettre la concentration du flux d'électrons sur une certaine partie de l'anode qui doit dans cette zone résister à la chaleur générée par l'impact du grand nombre d'électrons, ce tube est appelé tétrode à faisceaux dirigés mais il constitue en fait une variante de la pentode dans la quelle la grille suppressive est constituée de plaques à la place d'une grille bobinée (il est à noter que sur les schémas les plaques qui dirigent le flux sont notés g comme pour une grille). Le dimensionnement des éléments dans une tétrode a faisceaux dirigés (beam power tube en anglais) utilise une conception appelée « géométrie critique-distance » (critical-distance geometry en anglais), qui minimise les émissions secondaires (de la plaque), la capacité plaque grille, le courant de grille écran, cela augmentant le rendement du tube. La grille de contrôle est aussi bobinée avec le même pas que la grille écran, ce qui en alignant ces deux grilles permet de réduire le courant de la grille écran, qui constitue une perte d'énergie. Cette conception aide à surmonter les barrières physiques pour la conception de tube de forte puissance et à haut rendement. La 6L6 fut la première tétrode à faisceaux dirigés de grande diffusion, introduit sur le marché 1936 par RCA. De nombreuses variantes de ce tube existent (ou ont existées), certaines sont même encore utilisées pour les amplificateurs de guitare, en faisant l'un des produits électronique a la plus longue vie de l'histoire. Les mêmes méthodes de conceptions sont employées pour les imposantes tétrodes de puissances en céramique utilisées dans les émetteurs radio.
Fiabilité
Le principal problème pour la fiabilité d'un tube tient à son filament ou à sa cathode (selon le type de tube) qui est lentement « empoisonné » par les atomes des autres éléments du tube, ce qui détruit sa possibilité à émettre des électrons. S’il reste des gaz dans le tube ou si des gaz enfermés dans les métaux s'échappent, ils peuvent abîmer la cathode (ou le filament pour un tube a chauffage direct) ou bien créer des courants parasites entre l'anode et d'autres éléments du tube en s'ionisant. Le vide « fort » et la bonne sélection des métaux utilisés ont une grande influence sur la durée de vie du tube. (La cathode d'un tube ne s'épuise pas comme le filament d'une lampe; La cathode est usée quant elle ne produit plus suffisamment d'électron et non pas quant son filament est grillé, ce qui peut arriver mais est beaucoup plus rare.)
Les gros tubes de transmission ont des filaments en tungstène thorié, c’est-à-dire que le filament contient des traces d'oxyde de thorium. Une fine couche de thorium recouvre la surface quant le filament est chauffé, constituant une source d'électrons plus importante que du tungstène seul. Le thorium s'évapore lentement de la surface du filament, pendant que de nouveaux atomes de thorium se diffusent vers la surface pour les remplacer. Ces cathodes en tungstène thorié ont normalement une durée de vie de plusieurs dizaine de millier d'heures. Le record appartient à une tétrode de puissance Eimac utilisée dans l'émetteur d'une station de radio de Los Angeles, qui fonctionna durant 80 000 heures.
Les cathodes dans les petits tubes de « réception » (receiving tubes en anglais) sont recouvertes d'un mélange d'oxydes de baryum et de strontium. Un chauffage électrique est inséré au milieu de cette cathode, et est isolée électriquement de celle-ci. Cette structure complexe permet l'émissions d'électrons par les atomes de baryum et de strontium diffusés à la surface du tube, lorsque celle-ci est chauffée à environ 780°C.
Pour obtenir la fiabilité nécessaire pour la fabrication des premiers ordinateurs numériques (Les ordinateurs Whirlwind, il était nécessaire de construire des tubes spéciaux pour cet usage avec une cathode à grande durée de vie. Le problème de la faible durée de vie de la cathode était dû à l'évaporation du silicium, utilisé dans le tungstène cet alliage permettait une mise en forme plus facile du filament. L'élimination du silicium du fil chauffant autorisa la production de tubes suffisamment fiables pour le projet Whirlwind. Les tubes issus de ce développement suivirent plus tard leur route dans le grand ordinateur SAGE de la défense aérienne américaine. Le nickel très purifié (pour la plaque) et des revêtements de cathode sans matières qui puissent empoisonner l'émission d'électrons (comme les silicates et l'aluminium) contribua aussi à la durée de vie de la cathode. Le premier ordinateur à tube de ce type fut le 7AK7 de Sylvania qui date de 1948. À la fin des années (19)50 cette technologie étaient courantes pour les tubes « petit signaux » de qualités supérieures qui pouvant durés plusieurs centaines de millier d'heures, en fonctionnement « calme » .
Un autre problème important pour la fiabilité est celui des fuites d'air qui entrent dans le tube. Normalement l'oxygène de l'air réagie chimiquement avec le filament chaud ou bien avec la cathode, entraînant une destruction rapide. Les concepteurs ont toutefois travaillés dur pour construire des tubes avec une étanchéité fiable. C'est pour cela que la plupart des tubes étaient en verre. Les alliages de métaux comme le Cunife et le Fernico, et les verres qui étaient développés pour les ampoules d'éclairages possédant les mêmes coefficients de dilatation, ce qui permet de construire une enveloppe hermétique facilement, et qui permet le passage des électrodes.
Il est important que le vide dans le tube soit aussi parfait que possible. N’importe quel atome de gaz restant sera ionisé (car la tension utilisée est importante), et conduira l'électricité d'une manière incontrôlable entre les différents éléments du tube. Cela peut mener à un fonctionnement erratique et même à la destruction du tube et des circuits environnants. L'air non absorbé s'ionise quelques fois en formant une décharge visible rose-violette entre les éléments du tube.
Pour empêcher les apparitions de gaz quel qu'il soit (petite fuite au niveau de la sortie des broches ou gaz contenu dans les métaux constituant le tube), les tubes modernes sont construit avec un « getter » (littéralement gouttière en français), qui normalement est petit, souvent sous la forme d'une coupelle qui est remplie lors de la fabrication avec des métaux qui s'oxydent rapidement, le baryum est l'un des plus commun. Une fois que le tube est sous vide et que l'enveloppe est fermée, le getter est chauffé à haute température (souvent avec un chauffage par induction à de hautes fréquences) provoquant l'évaporation du métal, absorbant des gaz résiduels par réaction chimique avec eux et déposant souvent une tache de couleur argentée sur la paroi du tube. Le getter poursuit son travail d'absorption des gaz résiduels durant toute la vie du tube. Si l'enveloppe du tube est cassée, le dépôt devient blanc par réaction avec l'oxygène contenu dans l'air. Les gros tube de transmissions et les tubes spécialisés utilisent des techniques similaires.
Pour des applications spéciales certains tubes sont remplis de gaz volontairement. Par exemple les régulateurs de tension au gaz qui sont des tubes à gaz pouvant contenir différent gaz inertes comme l'argon, l'hélium ou le néon, ces tubes tirent avantage du gaz en utilisant son ionisation qui se produit à une tension prévisible. Le thyratron est un tube pour les applications spéciales qui est rempli avec des gaz à basse pression, et qui est utilisé comme commutateur électronique à haute vitesse.
Les tubes ont généralement une enveloppe en verre, mais le métal, le quartz fondu (silice), et la céramique sont des choix possibles. La première version de la 6L6 utilisait une enveloppe en métal dont les soties étaient étanchéifiées avec des perles de verres, plus tard un disque de verre fondu dans le métal fut utilisé. Le métal et la céramique sont utilisés principalement pour les tubes d'une puissance (de dissipation) supérieur à 2kW. Le nuvistor est un petit genre de tube réalisé seulement avec du métal et de la céramique. Dans certains tubes de puissances, l'enveloppe de métal est aussi l'anode. Le 4CX800A est un tube à anode externe de ce type. L’air est soufflé directement sur les ailettes de l'anode, cela permettant un bon refroidissement. Les tubes de puissances utilisant cette technique de refroidissement sont disponibles jusqu'a une puissance dissipée de 150kW. Au-dessus de cette puissance, un système de refroidissement à eau ou bien un refroidissement Eau/vapeur est utilisé. Le tube le plus puissant disponible actuellement est le Eimac 8974, un tube refroidi par eau d'une puissance dissipable de 1.5MW (1.5million de watt). (En comparaison le plus « gros » transistor peut seulement dissiper 1000W). Une paire de 8974 est capable de produire 2 millions de watt de puissance audio, mais ce n'est pas là son application. La 8974 dans les applications militaires spéciales et dans les applications radio-fréquences commerciales.
Vers la fin de la Seconde Guerre mondiale, Pour fabriquer des radios plus robustes, certaines radios d'avion et des armées commencèrent à intégrer l'enveloppe du tube au boîtier de la radio en aluminium ou zinc. La radio devint alors seulement un circuit imprimé sans tube, soudé au chassie qui le contenait. Une autre idée de la seconde guerre mondiale fut de fabriquer de petits tubes, très résistant, en verre. Ils furent tout d'abord utilisés en radio fréquence pour les détecteurs de métaux intégrés aux bombes d'artilleries. Cette explosion de proximité rendue l'artillerie plus efficace. Ces petits tubes furent connus plus tard sous le nom de tubes 'subminiatures'. Ils furent largement utilisés dans les années 50 (1950) dans l'électronique militaire et d'aviation (Le concorde utilise une électronique à tube).
Applications
Les tubes furent longtemps les seuls composants actifs et ont permit la fabrication des premiers appareils électroniques récepteur de radio-diffusion, puis de télévision en série (les systèmes de construction artisanale et expérimentaux appelés poste à galène existaient avant les tubes). - Les premier ordinateurs ou calculateur comme le Colossus utilisait 2000 tubes, l'ENIAC en utilisait près de 18,000 tout comme l'IBM 700 series. - Contrairement aux transistor, les tubes à vide sont peu sensibles aux impulsions électromagnétiques, (EMP), produites par une explosion nucléaire. Grâce à cette avantage les tubes ont été utilisés pour les applications militaires longtemps après leur remplacement partout ailleurs par les transistors. - Les tubes sont toujours utilisés pour des applications spécifiques comme les amplificateurs audio, surtout ceux pour guitare électrique et, pour les applications de « très » fortes puissances ou à hautes fréquences comme pour les fours à micro-ondes, le chauffage par radio fréquences industriel, et l'amplification de puissance pour les émetteurs (radio et TV).
Évolutions
Autres tubes à vide
Un grand nombre de composant furent construit entre 1920-1960 en utilisant la technique du tube à vide. La plupart de ces composants furent rendus obsolètes par les semi-conducteurs. L'électronique à tubes est toujours courante pour certain composant comme le magnétron, le klystron, le Photomultiplicateur et le tube cathodique. Le magnétron est le type de tube utilisé dans les fours à micro-ondes. Malgré l'avancé technologique des semi-conducteurs de puissances, les tubes à vides ont gardé l'avantages pour la fiabilité et pour le coût de revient lors de leur utilisation en générateurs RF(radio fréquences) et hautes fréquences de puissance. Les photomultiplieurs sont toujours les plus sensibles détecteurs de lumière. La plupart des télévisions, oscilloscopes et écrans d'ordinateur utilisent actuellement des tubes cathodiques, bien que les écrans plats deviennent de plus en plus abordables.
Certains autoradios, certaines planches de bords automobiles ont utilisé des tubes à vides comme afficheurs, des tubes scellés utilisant des anodes recouvertes de phosphore pour l'affichage des caractères, et un filament chauffant comme source d'électrons. Ces composants sont appelés afficheurs fluorescents à vide.
Quelques tubes comme le magnétrons, le tube à ondes progressives("traveling-wave tubes"), et le klystrons, combinent les effets magnétiques et électrostatiques. Ceux-ci fonctionnent (habituellement sur des bandes étroites) à la production de RF(radio fréquences) et trouvent toujours leur place dans les radars, four à micro-ondes et le chauffage industriel.
Un tube dans le quel des électrons se déplacent au travers du vide (ou un gaz) à l'intérieur d'une enveloppe est généralement appelé un tube électronique (electron tube).
Remplacement
Au début utilisé dans toutes les applications électroniques, le tube électronique est maintenant utilisé seulement dans des applications spécifiques. Dans la plus part des cas, le tube à vide a été remplacé par un composant plus petit et moins chère le transistor et ses dérivés. Ce dernier est un semi-conducteur et qui permet la réalisation de circuits intégrés. Au début du 21eme siècle l'intérêt que l'on porte pour les tubes à vide a augmenté de nouveau, cette fois avec le tube à vide émetteur de champ (Field-emitter microtube en angais.)
Tube à vide émetteur de champ
Ce type de tube permit un regain d'intérêt pour les tubes, ce tube se présente sous la forme d'un circuit intégré. La conception la plus courante utilise une cathode froide, avec les électrons émit par des extrémités d'angles, d'échelle nano métriques et formés à la surface de la cathode métallique.
Leurs avantages comprennent une grande robustesse combinée avec la capacité de fournir de grandes puissances de sorties à de faibles puissances de consommation (bon rendement). Fonctionnant sur le même principe que les tubes classiques, ces prototypes ont été construit avec un émetteur (d'électrons) formé de petites pointes utilisant des nanotubes, et en gravant les électrodes comme des petites plaques rabattables (similaire à la technique utilisée pour créer des miroirs microscopiques utilisés dans le « Digital Light Processing ») qui sont maintenu debout par un champ magnétique.
Ces micro tubes intégrés devrait trouver des applications dans les appareils utilisant des micro-ondes comprenant les téléphone portables, pour les transmittions Bluetooth et Wi-Fi, dans les radars et pour les satellites. Actuellement ils sont étudiés pour une application possible dans la fabrication d'écrans plats.
Tube à vide pour le chauffage solaire
Le terme 'tube à vide fut récemment utilisé pour désigner les éléments tubulaires d'un chauffage d'eau solaire. Les tubes à vide de chauffage solaire (Vacuum tube solar heaters) deviennent de plus en plus populaires.
Voir aussi
Liens externes et références
En Français
- "Initiation aux amplis à tubes" de Jean Hiraga le livre
En Anglais
- Shiers, George, « The First Electron Tube », SCIENTIFIC AMERICAN, March 1969, p. 104.
- Tyne, Gerald, SAGA OF THE VACUUM TUBE, PROMPT Publications, 1977 (reprint 1994), pp. 30-83.
- Stokes, John, 70 YEARS OF RADIO TUBES AND VALVES, Vestal Press, NY, 1982, pp. 3-9.
- Thrower, Keith, HISTORY OF THE BRITISH RADIO VALVE TO 1940, MMA International, 1982, pp 9-13.
- How vacuum tubes really work - Un site très complet sur les tubes, et l'effect thermoïonique, se site donne les formules mathématiques.
- http://www.tubecollector.org/ - Musée des tubes électroniques avec de nombreuses photos (Virtual Valve Museum)
- http://www.tubecollectors.org/ - L'association des collectionneurs de tubes americains
- http://www.marconicalling.com/museum/html/events/events-i=39-s=0.html - L'invention du tube thermoïonique.
- http://www.svetlana-tubes.com/ - Site du fabricant russe, qui contien des fiches techniques en PDF (site en Flash)
- http://www.radau5.ch/valves.html - Beaucoup d'informations intéressantes sur les tubes à vides, des fiches techniques(en Anglais ou en Allemand), mais aussi de la théorie pour le calcul des circuits et ce avec deux méthodes: une par le gain (Américaine) et une autre avec la transconductance (Allemande) chaqu'une ayant ses avantages.
- http://www.milbert.com/tstxt.htm - Site sur la comparaison par l'analyse entre les tubes à vides et les transistors pour l'audio.
- http://www.cpii.com/eimac/catalog/169218.htm - Fiche technique du tube 8974(celui qui dissipe 1,5MW).
- Vacuum tube technical - Principe de Fonctionement des tubes à vides pour le chauffage solaire)