Le tube à vide
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Histoire sommaire du tube à vide

En 1883, EDISON, qui étudiait le phénomène de détérioration du filament en carbone de sa lampe à incandescence, remarqua qu'entre la plaque métallique qu'il avait introduite dans l'ampoule et le filament, un courant électrique pouvait passer. Le phénomène fut étudié en particulier par Jean PERRIN qui expliqua qu'il s'agissait d'électrons émis par le filament porté à haute température. En 1904 John Ambrose FLEMING mit au point une diode (dénommée "valve") destinée au redressement du courant alternatif et à la détection des ondes à haute fréquence. Deux ans plus tard, en 1906, Lee DE FOREST eut l'idée d'ajouter une troisième électrode à la diode pour maîtriser le courant d'électrons circulant entre la cathode et l'anode. La triode ("lampe audion") était née et avec elle l'ère de l'électronique. Walter SCHOTTKY créa la première tétrode en 1915 en ajoutant encore une grille à la triode. La pentode et les autres lampes multigrilles apparurent dans les années qui suivirent. La forme des lampes évolua de l'ampoule sphérique ou ovale vers celle d'un tube cylindrique, mieux adapté à la fabrication en série. Le nom des nouvelles lampes a été conservé pour désigner tous les composants électroniques descendant de la diode de FLEMING, y compris le tube cathodique des téléviseurs dont la partie cylindrique est pourtant négligeable par rapport à l'ensemble du "tube".

L'émission thermoélectronique


Lorsque la température d'un corps s'élève, les électrons des atomes captent une partie de l'énergie thermique et changent de niveau (voir l'atome). Ceux qui sont situés sur les couches externes peuvent éventuellement quitter l'influence du noyau qui les retenaient et s'échapper complètement.
Un filament métallique, placé dans une ampoule "remplie" de vide et parcouru par un courant électrique d'intensité suffisante, peut atteindre une température telle que les électrons des atomes appartenant à sa surface peuvent s'échapper et former un nuage autour de lui.
Bien sûr ils ne vont pas bien loin car les charges positives des noyaux qu'ils ont quitté les attirent et ils finissent par rejoindre le filament.

La diode ou valve de FLEMING

Elle comporte deux électrodes enfermées dans une ampoule en verre à l'intérieur duquel un vide très poussé a été fait (pression de l'ordre de 10-6 mm de mercure). Ces deux électrodes sont :
- l'anode ou plaque, reliée au (+), c'est un cylindre de tôle mince qui entoure la cathode
- la cathode, reliée au (-), chauffée par le filament, elle est chargée d'émettre des électrons.
En l'absence de tension d'alimentation le nuage d'électrons qui se forme autour de la cathode constitue une charge négative (la charge d'espace) qui repousse les électrons qui voudraient s'échapper de la cathode. Le courant maximum qui peut traverser la diode dans le sens direct dépend de la nature et de la température de la cathode.
Au moment de la fabrication du tube, aprés que le vide ait été fait, les électrodes sont chauffées pour faire dégazer le métal et les molécules de gaz sont neutralisées par un revêtement brillant (le getter) vaporiser à l'intérieur de l'ampoule, généralement dans sa partie supérieure. Lorsque ce revêtement perd de son brillant et devient blanchâtre le tube a pris l'air et devient hors d'usage.
Les éventuelles molécules de gaz, heurtées par les électrons sont transformées en ions positif qui perturbent le fonctionnement du tube et réduisent la durée de vie de la cathode qui les attire par son potentiel négatif. Un autre symptome de la présence de gaz est l'apparition d'une lueur violacée à l'intérieur du tube.
Voir la diode à vide.

La cathode

Elle est constituée d'un petit tube de nickel revêtu d'oxyde de baryum et de strontium, matériaux qui favorisent l'émission d'électrons à des températures inférieures à 1000°C. La cathode est chauffée par le filament en tungstène isolé par un revêtement réfractaire glissé à l'intérieur du petit tube.
Autrefois les tubes étaient à chauffage direct, c'est à dire que la cathode et le filament ne faisait qu'un. Le filament était en tungstène thorié et devait être chauffé à des températures proches de 1500°C. Entre autres inconvénients le filament devait être chauffé en courant continu pour éviter les ronflements induits.

Anatomie d'un tube électronique

 A : une double triode  B : trois tubes  C : une pentode éclatée

Photo A : deux triodes Tr sont montées dans la même ampoule. Les électrodes sont reliées aux broches P. La surface brillante G est celle du revêtement servant à maintenir le vide dans le tube par absorbtion des molécules de gaz résiduelles. Le têton T est ce qui reste du petit tuyau ayant servi à faire le vide dans le tube.
Photo B : 3 tubes de différentes tailles (il en existe de bien plus gros dans les émetteurs de radiodiffusion). 1 : la double triode de la photo A. 2 : une double tétrode d'émission (100W). 3 : un tube subminiature utilisé en réception.
Photo C : sur cette photo (médiocre) d'une pentode BF de puissance (quelques watts) on distingue le filament F, la cathode K, deux des trois grilles G et l'anode ou plaque A.

La grande famille des tubes électroniques

Sans prétendre être exhaustif voici quelques applications des tubes.
Diode : 2 électrodes - redressement, détection. N'est plus guère utilisée.
Triode : 3 électrodes - amplification, détection, oscillateur...
Tétrode : 4 électrodes - amplification de puissance.
Pentode : 5 électrodes - amplification, détection, oscillateur...

De la diode à l'octode

La diode, inventée en 1904 par Flemming, était appelée "valve" et servi d'abord à la détection de la modulation d'amplitude et au redressement du courant alternatif.
La triode, imaginée en 1906 par Lee de Forest, est une diode à laquelle est ajoutée une gille de commande du flux électronique. Elle fut l'élément amplificateur qui permit le déeloppement rapide de la TSF. On l'utilise encore de nos jours dans les amplificateurs HF de puissance.
La tétrode est une triode avec une grille écran placée entre la grille de commande et la plaque. On la trouve encore sous la variante dite "à faisceau dirigé". La "bigrille" qui comportait deux grilles également est une variante qui fut utilisée en basse tension.
La pentode est une tétrode à laquelle a été ajouté une grille "suppressor" entre l'écran et la plaque pour réduire le phénomène des "électrons secondaires". On la rencontre encore dans les amplis HF de puissance.
L'hexode comporte deux grilles de commande et deux écrans.
L'heptode est une hexode à laquelle a été ajoutée une grille supplémentaire jouant le rôle d'anode.
L'octode est une hexode complétée par une grille suppressor placée prés de la plaque.
Ces trois dernières lampes étaient utilisées dans les étages changeurs de fréquence des récepteurs supérhétérodynes.
L'oeil magique ou indicateur visuel d'accord utilise la propriété encore largement utilisée par les écrans cathodiques d'émettre de la lumière lorsqu'ils sont bombardés par un flux d'électrons. Il servait de S-mètre à forte résistance interne dans les récepteurs à tubes de radiodiffusion.