Tube électronique

Un tube électronique, aussi nommé tube à vide ou même lampe, est un composant électronique actif, le plus souvent utilisé comme amplificateur de signal.



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Un tube électronique (vacuum tube en américain ou thermionic valve en anglais), aussi nommé tube à vide ou même lampe, est un composant électronique actif, le plus souvent utilisé comme amplificateur de signal. Le tube à vide redresseur ou amplificateur a été remplacé dans énormément d'applications par différents semi-conducteurs, mais reste irremplaçable à ce jour (2009) dans certains domaines comme l'augmentcation de forte puissance ou des hyperfréquences.

Lampe double-triode de fabrication russe

Principe

Structure générale

Les tubes électroniques désignent les composants qui utilisent des électrodes, positionnées dans le vide ou dans un gaz, isolées entre elles par ce milieu, et comprenant au moins une source d'électrons. Une enveloppe résistante à la température isole la totalité de l'extérieur. Quoique l'enveloppe soit le plus souvent en verre, les tubes de puissance utilisent fréquemment la céramique et le métal. Les électrodes sont reliées aux terminaisons qui passent au travers de l'enveloppe par des passages étanches. Sur la majorité des tubes, les terminaisons sont des broches prévues pour être installées dans un support de tube électronique pour un remplacement facile[1].

Effet thermoïonique

Les tubes à vide utilisent l'effet thermoïonique pour créer des électrons libres puis les diriger et les moduler. Au départ, le tube à vide est comparable à une lampe à incandescence, car il possède un filament chauffant à l'intérieur d'une enveloppe de verre vidée d'air[2]. Lorsqu'il est chaud, le filament relâche des électrons dans le vide : ce processus est nommé émission thermoïonique. Il en résulte un nuage d'électrons, dont la charge est négative, nommé «charge d'espace». Les tubes à chauffage direct ne sont plus utilisés sauf en tube de forte puissance, remplacé par le chauffage indirect. Dans un tube à chauffage indirect, le filament chauffe une électrode qui émet les électrons, la cathode[1].

La diode à vide

Article détaillé : Diode à vide.

C'est le tube le plus simple, utilisé comme redresseur. Dans une diode à vide, les électrons émis par la cathode vont être attirés par une plaque métallique (plate en anglais) nommée anode et localisée à l'intérieur du tube. Cette plaque est chargée positivement. Il en résulte un flux d'électrons, nommé courant, qui vont du filament vers la plaque. Le courant ne peut passer dans l'autre sens car la plaque n'est pas chauffée et n'émet par conséquent pas d'électrons. On obtient par conséquent une diode à vide à chauffage direct ou indirect. Ce composant ne conduit le courant que dans un seul et unique sens.

Principe d'un tube électronique.
  1. Filament chauffé (par une source électrique)
  2. Cathode (chargée négativement)
  3. Flux d'électrons se déplaçant de la cathode vers l'anode
  4. Anode (chargée positivement)
  5. Courant électrique mesuré en série
  6. Source servant à charger positivement l'anode

La triode

Principe des triodes à chauffage indirect et direct.
Article détaillé : Triode.

L'adjonction d'une électrode intermédiaire de commande par Lee De Forest, a permis le développement du premier composant électronique amplificateur : la triode. La triode se compose d'une cathode émettrice d'électrons, d'une anode réceptrice, et d'une grille positionnée entre les deux.

En modulant la tension appliquée sur la grille comparé à la cathode, un nombre plus ou moins grand d'électrons émis par la cathode arrivent jusqu'à l'anode, créant un courant variable entre anode et cathode. Une charge en série dans l'anode convertit la variation de courant en variation de tension et de puissance : l'augmentcation est réalisée.

Évolution de la triode

Pentode EF86
Article détaillé : Pentode.

La triode présentait des défauts, surtout une tendance à osciller à cause de la capacité que forme le couple grille-anode. Elle fut rapidement perfectionnée par l'adjonction d'une grille intermédiaire à un potentiel proche de celui de l'anode, réduisant cette capacité nuisible : la tétrode était créée.

Enfin la pentode permit de supprimer l'effet des émissions secondaires d'électrons sur la grille écran de la tétrode grâce à une troisième grille au potentiel de la cathode. D'autres combinaisons comme l'hexode, pourvue de deux grilles de commande, permettent de réaliser le mélange de fréquences indispensable aux récepteurs.

L'évolution s'est poursuivie vers la miniaturisation, les tubes multifonctions, le perfectionnement de la durée de vie et de la fiabilité, l'augmentation de la puissance et de la fréquence au fur et à mesure des besoins de la radio et de l'électronique.

Applications

Dans la majorité des utilisations, le tube à vide a été remplacé par un composant plus petit et moins cher : le transistor et ses dérivés. Ce dernier est un semi-conducteur et il permet la réalisation de circuits intégrés. Le transistor permet une densité et une fiabilité bien supérieures au tube pour l'augmentcation et le traitement de signal. Les tubes sont cependant toujours utilisés pour des applications spécifiques comme les amplificateurs audio, et pour les applications de «très» fortes puissances ou à haute fréquence (HF) comme pour les fours à micro-ondes, le chauffage par radio-fréquence industriel, et l'augmentcation de puissance pour les émetteurs de radio et de télévision[3].

En effet, le transistor est limité en puissance et en fréquence par deux phénomènes : la dissipation volumique et le temps de transit, qui rendent complexe l'augmentation simultanée de la puissance et la fréquence de fonctionnement. Pour pallier cette limitation en HF, des combinaisons d'amplificateurs en parallèle sont envisageables, mais demandent des coupleurs multiples en entrée et en sortie, et un coût supérieur à un amplificateur à tube unique de même puissance. Les tubes à vide au contraire ne dissipent aucune énergie dans le transit des électrons, mais seulement à l'impact sur l'anode, qui peut être refroidie.

En diffusion sonore, certaines personnes trouvent que les tubes électroniques permettent une qualité de son supérieure aux dispositifs à transistors bipolaires ou à amplificateurs opérationnels. D'autres affirment par contre que les tubes électroniques n'apportent rien et qu'ils ne représentent plus actuellement qu'un argument commercial. Il est cependant peu probable qu'ils disparaissent, vu l'intérêt majeur que leur portent certains audiophiles, musiciens et techniciens, par exemple pour les amplificateurs de guitare électrique mais aussi pour les préamplificateurs de microphone et de studio d'enregistrement[4].

Les triodes et pentodes de puissance

Triode HF 500 W

Malgré l'avancée technologique des semi-conducteurs de puissances, les tubes à vide ont ainsi gardé l'avantage pour la fiabilité et pour le coût de revient lors de leur utilisation en amplificateurs de forte puissance dans certains domaines. Les triodes en grille commune, ou les pentodes en cathode commune sont les schémas les plus utilisés, jusqu'à à peu près 100 MHz.

Les puissances fluctuent de 500 W pour un amplificateur de radioamateur avec une triode 3-500Z[5] refroidie par convection naturelle, à 1, 5 MW pour un tube d'émetteur de radiodiffusion[6] et à peu près 30 MW en commutation[7], en refroidissement par circulation d'eau.

Conception des amplificateurs à tubes

Classes de fonctionnement

Les classes d'augmentcation sont définies de la même façon que pour les transistors, avec les principes suivants[8] :

Schémas amplificateurs

Les amplificateurs à tubes utilisent les trois schémas usuels appliqués aussi pour les transistors :

Dissipation et refroidissement

Refroidissement à air d'un tube électronique.

Dans un tube électronique de petits signaux, la source de chaleur principale est le filament, dont la dissipation s'effectue par rayonnement. Dans un tube de puissance, le refroidissement de l'anode est la limitation principale en puissance. Elle est résolue par rayonnement pour les puissances inférieures au kilowatt, en laissant l'anode monter à la température maximale compatible avec le matériau utilisé (métal jusqu'à 100-200 W, graphite de 200 à 2 000 W et graphite pyrolytique à 1 000 kW), l'enveloppe de verre spécial assurant le rayonnement. Le refroidissement à air forcé est utilisé jusqu'à quelques dizaines de kilowatts, l'anode étant externe et pourvue d'ailettes de convection. Enfin la circulation d'eau, ou alors l'ébullition d'eau sur les vapotrons sert à dissiper des centaines de kilowatts.

Tubes hyperfréquence

Les tubes classiques (triodes et pentodes) permettent de concevoir des amplificateurs jusqu'à 1 GHz à peu près. Au-delà, des tubes ont été particulièrement développés, comme le magnétron, le tube à ondes progressives (traveling-wave tube), et le klystron en combinant les effets magnétiques et électrostatiques. Leurs noms sont multiples, mais quelquefois avec peu de différences sauf un progrès ponctuelle. Parmi les plus connus :

Le marché industriel de ces tubes va aux deux extrêmes :

Magnétron

Magnétron

Le magnétron est un tube à vide sans grille, avec une cathode centrale, chauffée par un filament, et une anode massique et concentrique dans laquelle sont creusées plusieurs cavités résonnantes. Un champ magnétique axial, le plus souvent créé par deux aimants permanents à chaque extrémité du tube. Le parcours en spirale (du fait du champ magnétique) des électrons se fait à une fréquence accordée aux cavités résonnantes.

Le magnétron étant auto-oscillant, il permet des montages simples, comme dans les fours à micro-ondes.

Les puissances disponibles sont de l'ordre de quelques kW en continu (des MW crête) à 3 GHz et de centaines de watts (des centaines de kW crête) à 10 GHz. Des magnétrons sont disponibles jusqu'à 35 GHz (bande Ka).

Pour obtenir ces puissances une tension de plusieurs milliers de volts est indispensable.

Actuellement, le magnétron a deux usages principaux :

Klystron

Klystron

Le klystron est un tube à vide qui sert à réaliser des amplificateurs de moyenne et forte puissance à bande étroite en hyperfréquences. Leurs puissances peuvent atteindre plus de 60 kW.

Les klystrons sont utilisés surtout dans les radars, les accélérateurs de particules linéaires, les stations d'émission télévisuelles UHF, et les stations de diffusion satellitaires.

Tube à ondes progressives

Tube à ondes progressives :
1. Cathode.
2. Entrée du signal hyperfréquence à augmenter (ici, connecteur coaxial).
3. Aimants permanents.
4. Atténuateur.
5. Hélice.
6. Sortie du signal augmenté (ici, connecteur coaxial).
7. Enveloppe.
8. Collecteur d'électrons.
Tube à ondes progressives utilisé pour PB1 (radôme) Pleumeur-Bodou.

Le tube à ondes progressives (traveling-wave tube) est utilisé en hyperfréquences pour réaliser des amplificateurs de faible, moyenne ou forte puissance. Il sert à réaliser des amplificateurs à bande large ainsi qu'à particulièrement faible bruit de fond. Il convient spécifiquement bien pour les amplificateurs des satellites de télécommunications.

Le tube à ondes progressives (TOP, Travelling Wave Tube) se compose de quatre parties principales :

Autres tubes à vide

Tube à vide utilisé pour l'affichage d'un magnétoscope

La plupart de composants furent fabriqués entre 1920 et 1960 en utilisant la technique du tube à vide :

Évolutions récentes

Au début du XXIe siècle, l'intérêt qu'on porte aux tubes à vide a repris, cette fois avec le tube à vide émetteur de champ (Field-emitter microtube).

Ce type de tube a entraîné un regain d'intérêt pour les tubes ; il se présente sous la forme d'un circuit intégré. La conception la plus courante utilise une cathode froide, où les électrons sont émis par des extrémités d'angles, d'échelle nanométrique et générés à la surface de la cathode métallique.

Voici comme avantages une grande robustesse combinée avec la capacité d'apporter de grandes puissances de sortie avec un bon rendement. Fonctionnant sur le même principe que les tubes classiques, ces prototypes ont été fabriqués avec un émetteur d'électrons constitué de petites pointes utilisant des nanotubes, et en gravant les électrodes comme des petites plaques rabattables (par une technique comparable à celle qui est utilisée pour créer les miroirs microscopiques utilisés dans le Digital Light Processing) qui sont maintenues debout par un champ magnétique.

Ces microtubes intégrés devraient trouver des applications dans les appareils utilisant des micro-ondes tels que les téléphones portables, pour les émetteurs/récepteurs Bluetooth et Wi-Fi, les radars et les satellites. Aujourd'hui ils sont étudiés pour une application envisageable dans la fabrication d'écrans plats.

Simulation des tubes électroniques

Article détaillé : Simulation des tubes électroniques.

Les technologies de simulation informatique sont utilisées aussi avec les tubes, sur SPICE[9], par exemple. De nombreux fabricants fournissent directement les modèles de leurs composants, modèles qui seront utilisés par le logiciel de simulation. Ces modèles des fabricants permettent de disposer de données fiables conduisant à des résultats corrects. Ils sont cependant dans la majorité des cas une simplification du comportement réel du tube modélisé. Généralement, plus le nombre d'électrodes du tube augmente, plus le modèle s'écarte du composant réel. Leur principal défaut est de ne modéliser correctement que le courant d'anode, et dans le cas des tubes multigrilles, que pour une tension G2 fixe.

Notes et références

  1. (en) John Harper, “Tubes 201” – How vacuum tubes really work, 2003
  2. (en) 1904 – Invention of Thermionic Valve, (L'invention de la valve thermoïonique), sur le site marconicalling. com
  3. Guy Pellet, «Émetteurs ondes courtes de radiodiffusion 250 kW», Techniques de l'ingénieur, référence E6115, 10 novembre 1998, sur techniques-ingenieur. fr et sur cat. inist. fr.
  4. (en) Russell O. Hamm, «Tubes Vs. Transistors Is There An Audible Difference?», Journal of The Audio Engineering Society, Presented September 14, 1972, at the 43rd Convention of the Audio Engineering Society, New York
  5. [pdf] «Eimac, 3-500Z High-Mu Power Triode», sur le site g8wrb. org, consulté le 8 janvier 2008.
  6. (en) [pdf] Fiche technique du tube 8974/X-2159 (puissance de sortie 1, 5 MW en régime linéaire) , sur le site de CPI Communication & Power Industries – Eimac, cpii. com/eimac, consulté le 8 janvier 2008.
  7. 29, 9 MW pour le tube 8974/X-2159, selon : «Power Grid Devices Eimac – Science - Switch Tubes», sur le site de CPI Communication & Power Industries – Eimac, cpii. com/eimac, consulté le 8 janvier 2008
  8. Pascal Bareau, «Amplificateurs», Techniques de l'ingénieur – Électronique, éd. Techniques de l'ingénieur, Paris, novembre 2001 (ISSN 0399-4120) , vol.  1, no E 310, p.  E-310-1 à E-310-12, chap.  4 : «Classes de fonctionnement», p.  7-9. [présentation en ligne sur le site du CNRS, cat. inist. fr]
  9. (en) Page sur les modèles Spice de tubes électroniques de Norman Koren

Bibliographie

Ouvrage utilisé pour la rédaction de l'article : source utilisée pour la rédaction de cet article

En français
En anglais

Annexes

Liens externes

Recherche sur Amazone (livres) :



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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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