Les tubes

Les tubes thermoïoniques

par Daniel Maignan

Cet exposé concerne  l'histoire et l’étude des tubes thermoïoniques (ou thermioniques en anglais),  mieux connus sous le nom de lampes, tubes ou tubes à vide.

Note:
Dans le texte et les figures, les symboles et noms des grandeurs électriques suivants seront indifféremment utilisés:

• Ia ou Ip = courant anodique ou courant plaque
• Ua = Va = Vp = Up = tension anodique ou tension plaque
• Vg = Ug = tension grille

■    Histoire de la lampe AUDION

La première lampe à électrodes a été imaginée par l’ingénieur américain John Ambrose Fleming, laquelle a pris le nom de « valve Fleming ». 
La figure 1 représente une lampe utilisée lors des premiers essais de laboratoire. L'anode n'était alors qu'une simple plaque métallique insérée dans une lampe électrique à incandescence. Par la suite cette électrode est devenue un cylindre entourant le filament.  

     Figure 1

Sur cette électrode, l'inventeur a branché un circuit électrique tel celui représenté sur la figure 2. Avec l’électrode, appelée plaque ou anode portée à un potentiel positif par rapport au filament incandescent, il constata une déviation de l’aiguille de l’ampèremètre. Cette expérience était basée sur un phénomène que Thomas Edison avait découvert en 1884. Plusieurs autres inventeurs tentèrent d’améliorer la valve de Fleming, sans succès. Mais en 1907, Lee de Forest fit  breveter une lampe basée sur ce principe, dans laquelle il ajouta entre le filament et l’électrode existante, une électrode supplémentaire appelée grille. Ce nouveau dispositif qui fut le premier amplificateur électronique prit le nom de lampe Audion (figure 3). 

Figure 2

Figure 3

■    Notions fondamentales de l’électricité:

Les charges électriques de signe contraire s’attirent, alors que les charges de même signe se repoussent. Or on apprend en électricité que le courant se déplace du + au - : c’est le sens conventionnel qui est l’opposé du sens électronique et c’est ce dernier avec lequel il faut raisonner dans l’étude des tubes.

●  Influence d’un champ électrique sur un électron en mouvement dans le vide:

Lorsqu’un électron chargé négativement se déplace dans le vide (sans molécule d’air), sa trajectoire est modifiée par la présence d’un champ électrique de telle sorte qu’il se dirige vers l’électrode positive. Par exemple sur la figure 4, un électron pourvu au point A d’une vitesse v1 et se dirigeant en raison de l’attraction vers le point B verra sa vitesse augmentée. Grâce à la présence du champ électrique entre A et B, l’électron aura acquis une vitesse v2  plus grande que v1 en arrivant au point B. Pour un électron, cet accroissement de vitesse dépend uniquement du champ électrique, donc de la différence de potentiel appliquée entre A et B.

Figure 4

●  Emission d’électrons par un conducteur:

Une surface conductrice peut libérer des électrons, c’est à dire donner naissance à une émission électronique dans les trois cas suivants 

• Emission thermionique ou thermoïonique, lorsque la surface du conducteur est portée à haute température, on constate que des électrons sont expulsés dans l’espace voisin. Ce phénomène est dû à l’agitation moléculaire importante engendrée par la très haute température.
• Emission secondaire (émission due aux chocs), si la surface conductrice est bombardée par des particules (électrons, ions etc.), on constate une émission d’électrons, dite secondaire, qui est consécutive aux dissections résultant des chocs superficiels.
• Emission photo-électrique, si la surface est soumise à l’action d’une lumière relativement intense, on constate une émission électronique consécutive au bombardement des particules de lumière (photons).

●  Nécessité du vide: 

Le vide n’est pas nécessaire pour l’émission électronique en elle même. En revanche, il permet aux électrons libérés de se déplacer sans risque de rencontre avec les obstacles infranchissables que constituent les molécules d’air ou de gaz ambiant. Il est pratiquement impossible d’obtenir un vide absolu, mais on  peut le pousser au maximum de façon que la probabilité de chocs entre les électrons et les molécules de gaz devienne très faible.

●  L’émission thermoïonique: 

On caractérise l’aptitude d’un corps à émettre des électrons lorsqu’il est porté à haute température, par son pouvoir émissif électronique.
Celui–ci se mesure en ampère par cm² pour une température donnée (c’est le courant qu’il peut délivrer par une unité de surface égale à un cm²).  
L’intensité de courant augmente assez rapidement avec la température en suivant une loi exponentielle qui est représentée sur la figure 5.  

Figure 5

●  Charge d’espace ou charge spatiale:

Les électrons émis par un corps incandescent forment autour de ce dernier un nuage chargé négativement. Pour cette raison, ce nuage est appelé charge d’espace ou charge spatiale. Ces électrons sont retenus autour du corps émissif par les charges positives qu’ils ont laissées dans celui-ci. Il en résulte que la densité du nuage qui est maximum aux environs du corps émissif, va en décroissant avec la distance. Enfin, cette charge d’espace exerce un effet répulsif à l’égard de nouveaux électrons qui voudraient s’en échapper.

●  Energie de sortie des électrons, vitesse de sortie, potentiel de sortie

Soit un corps émissif incandescent : les électrons qui, en raison de l’agitation moléculaire tendent à quitter les atomes auxquels ils appartiennent, subissent de la part de ceux-ci un effet attractif qui est d’autant plus faible que la distance qui les sépare est grande. Il en résulte que pour être définitivement émis par le corps incandescent, ils doivent être pourvus d’une énergie suffisante leur permettant de s’éloigner définitivement du corps émissif.

■    Histoire de l'invention du tube thermoïonique:
        
Elle est l’aboutissement de la recherche et de la découverte, parfois fortuite, de plusieurs phénomènes physiques, rappelons les quatre principaux:

• Dans certaines conditions, les électrons, particules constitutives de l’atome,  peuvent  s’échapper de leur milieu. (EDISON 1847-1931). 
• La circulation d’électrons soumis à un champ électrique se produit toujours dans le même sens: les électrons chargés négativement se déplacent du signe – au signe +  (FLEMMING 1849-1945).
• Ce flux d’électrons qui circule peut être contrôlé en intensité (on pourrait dire « modulée ») en traversant une grille polarisée (LEE de FOREST 1893-1961).
• Les électrons ne peuvent se déplacer en quantité importante, donc produire un courant électronique tangible, uniquement dans un vide poussé (LANGMUIR 1881-1957).

Figure 6 

En 1915, le Colonel FERRIE décide de la fabrication de la lampe TM (Télégraphie Militaire, figure 6), qui est le fruit des études menées à Lyon par le professeur H. ABRAHAM et en 1918 la production atteint 1000 lampes par jour.

La recherche et le développement se poursuivent à Ivry, en région parisienne, pour la mise au point de lampes plus puissantes (TMB, E4) et l’amélioration des performances en fréquence (TMC la lampe à cornes).

●  L’évolution des tubes d’émission: 

La lampe TM est utilisée pour produire des oscillations, mais la puissance exploitable reste faible. On arrive à l’augmenter par un accroissement de la tension de chauffage du filament et de la tension plaque, ou bien la mise en parallèle de plusieurs lampes, mais tout cela a des limites, car l’accroissement des tensions réduit fortement la durée de vie des lampes et l’augmentation des phénomènes de capacités parasites annule les bénéfices au delà de trois ou quatre tubes associés en parallèle. On accroît les dimensions physiques de la lampe TM qui devient la TMB avec un filament plus puissant, mais dont la durée de vie est courte. Puis viennent la E22 (pour 22 W dissipés), E4 (pour 500 W) ou E250 (pour 250 W).
En figure 7, une lampe à cornes de 75 watts.

Figure 7

Le vide, plus poussé grâce à l’utilisation de pompes à mercure, permet des tensions plaque de 10000 volts sans provoquer d’amorçages internes. Les plaques en nickel ondulé, puis en molybdène à partir de 1926, conduisent à des puissances plus élevées. La chaleur dissipée est telle que, au delà de 400 watts, on a recours, dès 1927 à des enveloppes en verre au silicoborates qui est une sorte de pyrex.
Puis apparaissent les filaments thorié-carburés à forte émission électronique permettant de travailler avec des tensions anodiques plus faibles. Mais seules les lampes dotées d’un filament en tungstène pur qui fonctionnent avec des tensions très élevées délivrent les puissances de plus en plus importantes que réclament la radiodiffusion et les télécommunications pour leurs stations d’émission transcontinentales. Ainsi apparaissent successivement des lampes qui dissipent  4 kW, 7,5 kW, 20 kW, 75 kW et 100 kW pour 250 kW rayonnés en 1939. Au delà de 2 kW, les plaques doivent être refroidies par ventilation d’air forcé ou par circulation d’eau. Une constante recherche d’innovations est également conduite durant la période de 1920 à 1939 pour améliorer les performances en fréquence. 

●  L’évolution des tubes de réception:

Dans ce domaine les progrès vont plutôt s’orienter selon trois axes principaux :

• Réduction de la puissance consommée par le filament : n’oublions pas que la majorité des récepteurs étaient alimentés par des batteries.
• Augmentation de la pente qui détermine le gain de l’amplificateur, car la pente de la TM était faible, comparée à celle de tubes plus récents.
• Amélioration des performances en fréquence.

Dans les années 20, la lampe TM utilisée universellement dans les récepteurs, donne toute satisfaction en remplissant les différentes fonctions d’amplificateur HF, de démodulation et d’amplificateur BF et comme la demande commerciale devient très importante, sa fabrication va être adaptée à la production en grande série afin de minimiser les prix de revient, avec la mise en oeuvre des procédés suivants:

• Soudage électrique automatique.
• Vide réalisé par une machine automatique et amélioré grâce à l’incorporation à l’intérieur de l’ampoule d’une pastille de phosphore (getter), dont la combustion absorbe les dernières traces d’air.
• Filament modifié pour réduire le bruit de fond.

En 1923, pour le filament, le tungstène pur est remplacé par le tungstène thorié à 2% qui multiplie le pouvoir émissif électronique par 4,5 et ce à une température plus basse. Il est alors possible d’utiliser un filament plus résistif qui consomme moins d’énergie. La figure 8 montre une lampe A410 à faible consommation.

Figure 8

Dès 1926, on commence à fabriquer des lampes dédiées à chaque fonction. A cette période apparaît la fameuse bigrille (1927) qui n’est autre qu’une simple triode avec une grille supplémentaire qui peut fonctionner avec des tensions plaque plus faibles. En 1928,  le procédé à chauffage indirect est adopté: le filament en forme d’épingle à cheveux est introduit dans un tube céramique fendu qui est lui-même placé dans un tube en nickel recouvert des matières émissives. En 1933, le tube céramique est remplacé par un dépôt d’alumine. La tension de chauffage se généralise à 6,3 V, ce qui permet l’emploi des accumulateurs au plomb. Le facteur d’amplification sera multiplié par 10, avec l’apparition des tubes à électrodes multiples qui bénéficient en outre d’une réduction des capacités internes plaque-filament et de la suppression de l’émission secondaire de la plaque.

●  Description d’un tube moderne:

• Tubes à chauffage direct: Dans ces tubes le filament a deux fonctions: chauffage et émission électronique. Ils sont chauffés en courant continu (piles ou accumulateurs). 
• Tubes à chauffage indirect : Le filament qui est alimenté par une source de courant alternatif chauffe une cathode en nickel portée à l’incandescence. L’importante inertie thermique du nickel supprime totalement les variations imputables au courant alternatif et il en résulte une suppression absolue des phénomènes de ronflement (figure 9). 
• La cathode: Le tungstène (encore appelé Wolfram) est un métal réfractaire qui peut monter sans dommage à des températures de 2500 °C. Les cathodes en tungstène pur ne sont plus utilisées que pour les tubes d’émission de grosse puissance. Le tungstène-thorié est doté d’un grand pouvoir émissif et permet en conséquence une température de chauffage plus faible, aux environs de 1400°C, ce qui correspond à une couleur rouge cerise. Les tubes d’émission de moyenne puissance,  jusqu’à quelques centaines de watts, sont à chauffage direct, avec un filament en tungstène-thorié. Les cathodes à oxydes (baryum, potassium, strontium) ont un très grand pouvoir émissif. Ils sont utilisés sous la forme d’un revêtement pulvérulent de couleur blanche qui recouvre la cathode. Fonctionnant à des températures relativement basses (1100 à 1200 °C), ces cathodes présentent une très longue durée de vie (>10000 heures), mais présentent une certaine fragilité mécanique. Elles équipent tous les tubes modernes de petite puissance à chauffage direct ou indirect.
• L’enveloppe extérieure: Dans la plupart des cas on utilise le verre qui est un excellent isolant et qui assure une herméticité absolue, ainsi le vide qui règne à l’intérieur peut se maintenir indéfiniment. Celui-ci est obtenu, après la mise en place des électrodes, par l’action d’une pompe puis par la combustion explosive du getter. Les fils ou les broches traversent l’ampoule grace à une soudure verre - métal. Afin d’éviter les fêlures, on utilise un métal dont le coefficient de dilatation est identique à celui du verre.
• Le brochage: Il en existe un grand nombre, caractérisé par le nombre, la dimension et la disposition des broches. Les tubes modernes, sauf cas particuliers, sont dépourvus de culot.
• La grille: Dans la plupart des cas, les grilles en alliage de nickel ou en molybdène, ont une forme hélicoïdale : plus le pas est serré et plus la distance grille cathode est faible. La grille est maintenue mécaniquement par deux ou trois tiges parallèles à l'axe et soudées par point à cette dernière. 
• La plaque ou anode: L’électrode, qui est maintenue par des barrettes de fixation, est en nickel, fer, tantale ou graphite, selon la catégorie. Pour les tubes de puissance, elle est gaufrée ou striée de façon à bien assurer l’évacuation des calories.

Figure 9

■    Constitution et fonctionnement de la diode à vide:

C’est le plus simple des tubes. A l’origine, la diode était constituée d'une ampoule de verre dans laquelle règne un vide très poussé, d’un filament de tungstène horizontal placé dans le cylindre métallique de la plaque dont l’axe se confond avec celui du filament (figure 10). Plus récemment, la construction s'est simplifiée et les tubes présentent un fond plat à travers lequel sortent directement les broches reliées aux électrodes internes, sans culot isolant, comme le montre la figure 11. On représente la diode sur un schéma selon l’un des deux symboles de la figure 12. 

Figure 10

Figure 11

Reprenons une expérience fondamentale, dont nous avons déjà parlé, qui met en évidence l’effet Edison. Le montage de la figure 13 nous montre une expérience fondamentale réalisée avec une diode. Entre plaque et filament se trouve un microampèremètre. Lorsque l’interrupteur est fermé, le filament est porté à incandescence par la source de tension et un faible courant circule entre la plaque et le filament. Comme on l’a vu précédemment, le filament incandescent s’entoure d’un nuage électronique appelé la charge d'espace. A cause des électrons perdus, la surface émissive du filament devient positive vis à vis de la charge d’espace et la plaque reliée extérieurement au filament devenant également légèrement positive attire des électrons: il y donc circulation d’un courant. Celui-ci est de l’ordre de quelques dizaines de microampères. Edison découvrit en 1884 ce phénomène, auquel on a donné son nom sans apporter aucune explication. 

Figure 12 

 Figure 13

Conformément au schéma de la figure 14, la plaque est portée à une tension positive avec une batterie. On peut régler le courant du filament If grâce au rhéostat R et le mesurer avec de l'ampèremètre A1. P est un potentiomètre permettant de faire varier la tension plaque.

 Il faut noter que la prise de référence filament M est située sur un élément intermédiaire de la batterie. De ce fait, la tension plaque peut varier d’une valeur négative à une valeur positive (par rapport au filament). On mesure le courant plaque Ip avec A2 et la tension plaque  Up avec V. Il existe une position du curseur de P pour laquelle la tension plaque est nulle. Le courant plaque mesuré dans ces conditions est celui de l’effet Edison.
Augmentons la tension plaque en déplaçant le curseur vers la droite : on constate une augmentation du courant, au contraire en déplaçant le curseur vers la gauche, on constate une disparition totale du courant pour une tension de –1,5 V environ. On en déduit que le tube diode n’est pratiquement conducteur que lorsque la plaque est positive : il présente donc une conductibilité unilatérale. 

Figure 14

Explications:
La plaque est positive par rapport au filament : le champ électrique accélère les électrons émis par celui-ci.
La plaque est négative par rapport au filament : le champ électrique produit un effet ralentisseur,  jusqu’à interdire leur passage pour –1,5V.

Définition:
La plaque étant positive en fonctionnement normal, prend le nom d’anode et le filament étant négatif prend le nom de cathode.

●  Courbes caractéristiques du tube diode:

Cette famille de courbes qui caractérisent la diode, représentent sur un graphe comment varie l’intensité du courant anodique lorsqu’on fait varier la tension anodique. Les points de mesure sont relevés pour différentes valeurs de courant filament (figure 15a). 
Donnons une première valeur If1 au courant filament et annulons le courant plaque en rendant la plaque suffisamment négative.
Progressivement augmentons Up. Pour une valeur UA, le courant Ip apparaît puis la croissance devient linéaire entre les points A et B. A partir du point D la courbe s’infléchit et bientôt Ip n’augmente plus avec Up : c’est la saturation. Passons maintenant le courant filament à la valeur If2 > If1 et recommençons le relevé : la courbe se superpose pratiquement à la précédente jusqu’au point B, mais la saturation se manifeste pour une tension plaque plus élevée. Enfin donnons au courant filament une troisième valeur If3 < If1: on obtient une troisième courbe qui se superpose aux deux précédentes jusqu’au point B, mais avec une saturation  pour une tension inférieure. 

Interprétation:
Dès que Up devient positif, le champ électrique exerce un effet attractif sur les électrons qui se traduit par une augmentation du courant plaque. Celui-ci ne prend pas immédiatement sa valeur maximum en raison de l’effet répulsif de la charge d’espace sur les électrons émis par le filament. 
La croissance de Ip devient ensuite linéaire en fonction de Up entre A et B. Au delà, la saturation correspond à l’appauvrissement, puis à l’annulation de la charge d’espace. 

Figure 15

Equation de la courbe caractéristique : 

Bien que la courbe de Ip = f(Up) (on dit Ip fonction de Up) ne soit pas exactement une droite, en particulier à cause de sa partie inférieure, mais plutôt une semi-cubique, courbe intermédiaire entre la droite et la parabole, on l’assimile dans la pratique à une droite (figure 15b). Dans ces conditions,  par définition, la résistance interne du tube représente l’inverse de la pente de la droite:

Notions additionnelles:

• Temps de transit : c’est le temps que mettent les électrons pour franchir l’espace entre la cathode et l’anode. Ce temps est d’autant plus court que l’espace est petit ou que la tension anodique est élevée. Pour donner une idée, il est de l’ordre de la nanoseconde (10^-9  s).
• Les tubes les plus récents sont équipés de cathodes à oxydes de telle sorte que l’on ne peut observer les phénomènes de saturation. En augmentant la tension Up, le courant Ip augmente jusqu’à la destruction de la cathode.
• Puissance dissipée dans l’anode : La source d’alimentation fournit à la plaque une certaine puissance P qui est égale au produit de la tension Up par le courant Ip: 

        Pa = Up x Ip        
  

    Cette puissance,  initialement sous forme électrique,  prend d’abord la forme cinétique lorsqu’elle contribue à accélérer les électrons et prend enfin la        forme thermique au moment des impacts sur l’anode.

■ Le tube triode:

Le tube triode comporte trois électrodes : la cathode, la grille et l’anode. La grille se présente sous la forme d’un grillage cylindrique hélicoïdal en fil de nickel qui est coaxial à l’égard du filament et de l’anode, et à travers duquel peuvent passer les électrons. Dans le montage classique, le circuit d’entrée est connecté entre la grille et la cathode et le circuit de sortie entre la plaque et la cathode.
Un signal sur l’entrée se retrouve multiplié (amplifié) sur la sortie par un facteur K. Le schéma de la figure 16 montre une coupe du tube passant par la cathode, la grille et la plaque avec la répartition du champ électrique et du courant, à mesure que la tension grille-cathode augmente, ainsi que l'intérieur d'une triode moderne.

Figure 16

●  Courbes caractéristiques de la triode

Il s’agit d’étudier comment varie le courant plaque de la triode en fonction de la tension grille Ug et de la tension plaque Up.
On utilise le schéma de la figure 17. La batterie B1 fournit le chauffage du filament et la batterie B2 la tension plaque. Le potentiomètre P1 permet de faire varier cette dernière et l’ampèremètre A1 et le voltmètre V1 mesurent respectivement le courant plaque Ip et la tension plaque Up. Enfin la batterie B3, fournit une tension Ug rendue variable grâce à P2. A2 et V2 mesurent respectivement  le courant grille Ig et la tension grille Ug. Comme il y a deux variables, l’acquisition des données se fait de la manière suivante :

1) On donne différentes valeurs à la tension grille Ug, de volt en volt, par exemple, et pour chacune de ces valeurs, on trace une courbe de Ip = f(Up) en variant Up avec le potentiomètre P1. On obtient ainsi une famille de courbes IpUp.
2) On donne différentes valeurs à la tension plaque Up, de 50 volts en 50 volts, par exemple, et pour chacune de ces valeurs, on trace une courbe de Ip = f(Ug) en variant Ug avec le potentiomètre PP2. On obtient ainsi une famille de courbes IpUg.

Figure 17

La figure 18 montre la famille de courbes IpUp pour différentes valeurs de Ug (on dit aussi avec Ug en paramètre), ainsi que le réseau IpUg avec Up en paramètre, en précisant que ces deux familles de courbes sont deux manières de représenter une même chose. Les valeurs de Ug pour lesquelles Ip devient nul s’appellent les tensions de cut-off du tube.
On voit très bien le rôle de « frein » que joue la grille vis à vis du courant plaque: plus la tension grille est négative et plus il faut une tension plaque élevée pour avoir un courant donné.

Figure 18

●  Les trois grandeurs caractéristiques du tube triode:

On déduit des deux familles de courbe précédentes les trois coefficients fondamentaux suivants qui caractérisent le fonctionnement du tube :

• Le coefficient d’amplification K ou µ qui  exprime le rapport entre une variation de tension plaque ∆Up et la variation de tension grille qui provoque la même variation de courant plaque ∆Ip :

                                                                                                        K ou µ = ∆Up /∆Ug   pour un même ∆Ip        

  Ce nombre exprime le rapport entre l’efficacité de la plaque et de la grille pour faire varier le courant Ip et dépend uniquement de la géométrie des électrodes. 

On obtient graphiquement cette valeur, comme le montrent les exemples de la figure 19 sur le réseau IpUg ou sur le réseau IpUp. Il est de l'ordre de 20 à 30 pour les tubes les plus récents. 

Figure 19

• La résistance interne Ri ou la lettre grecque rho. Elle est définie par le quotient d’une variation de tension plaque par la variation du courant plaque correspondant, avec une tension grille constante. 

Ri =  ∆ Up/∆Ig à Ug = constante         

 C’est la résistance interne du tube considéré comme un générateur de tension. On obtient graphiquement cette valeur, comme le montre les exemples de la figure 20 sur le réseau IpUg ou sur le réseau IpUp. Elle est de l’ordre de 10000 à 20 000 Ω.

Figure 20 

• La pente S ou P qui est mesurée par le quotient d’une variation de courant plaque par la variation de tension grille qui l’a provoquée, avec la tension plaque constante. Elle représente géométriquement la pente des caractéristiques IpUg. Physiquement c’est l’efficacité du contrôle de la grille sur le courant plaque. Le gain d’un amplificateur dépend directement de la pente, d’où l’importance de ce coefficient.

   S ou P = ∆Ip/∆Ug à Up = constante      
                                                                   

Avec S en milliampères par volt, ∆Ip en milliampères et ∆Ug en volts. 
Le terme transconductance est plutôt employé par les anglo-saxons. En effet le quotient d’un courant par une tension est homogène à une conductance et le préfixe « trans » indique qu’il s’agit d’une fonction de transfert de la grille à l’anode. On l’exprime également en « mho » ou en « Siemens » (1 mho = 1 ampère/volt). La figure 21 montre comment déterminer graphiquement la pente. Les tubes triodes les plus modernes ont des pentes de l’ordre de 1 à 2 mA/V.

Figure 21

●  Relation fondamentale de Barkhausen
Les trois grandeurs, K le coefficient d’amplification, Ri la résistance interne et S la pente, sont liées entre elles par la relation suivante :  

  K = Ri x S    

Avec Ri en ohms et S en A/V.

●  Notion de courant grille

On admet qu’il n’y a pas de courant grille dans un tube qui fonctionne normalement avec une tension grille négative, mais bien que celle-ci exerce un effet répulsif sur les électrons, certains l’atteignent tout de même s’ils sont dotés d’une énergie cinétique suffisante ou si elle n’est pas très négative. Dans les tubes où il reste des traces d’air, les électrons dotés d’une énergie cinétique importante entrent en collision avec ces molécules qui perdent des électrons. Ces ions positifs sont attirés par la grille polarisée négativement. Il y a des recombinaisons et la grille devient moins négative.
Plus la tension de grille est négative et plus ces ions sont attirés, mais au delà d’un certain point, si la polarisation de la grille augmente encore, ce courant inverse diminue et disparaît totalement, car la polarisation grille qui augmente fait diminuer le courant plaque et il y a une réduction de l’ionisation.
Au cut-off, le courant inverse est nul, voir la figure 22. Le courant grille est un inconvénient, cependant, la figure 23 représente un tube où la grille est réunie à la masse à travers une résistance. Celui-ci provoque une chute de tension qui augmente la polarisation négative par rapport à la cathode et ce phénomène est parfois utilisé pour cette polarisation, mais s'’il s’agit d’un courant inverse, la polarisation négative sera diminuée.  

En résumé, il y a deux sortes de courant grille, qui peuvent du reste être simultanément présents:

-Un courant d'électrons qui, en traversant les mailles espacées de la grille, sont captés par celle-ci. En insérant une résistance dans le circuit pour le test sur un lampemètre par exemple, ce courant de grille électronique augmente la polarisation négative et donc le courant anodique diminue. Si le courant grille est élevé, il peut s'agir d'une déformation de l’électrode.

-Un courant inverse dû à la présence de molécules d’air dans le tube (mauvais vide). Les électrons accélérés par la tension anodique entrent en collision avec ces molécules dont les atomes perdent des électrons et deviennent des ions positifs qui sont attirés par la grille négative. Il y a des recombinaisons, la tension de grille devient moins négative et le courant anodique augmente.

​​​​

                                                                                              Figure 22   

 Figure 23

 

●  Les défauts de la triode

Comme une rançon de la popularité, on commença à souligner les défauts inhérents au tube triode: 

• Le coefficient d’amplification K, est faible (environ 50, exceptionnellement 70). Il en résulte un gain d’amplification relativement faible.
• La résistance interne, de l’ordre de quelques kΩ,  provoque un amortissement important du circuit anodique accordé dans un amplificateur HF,  en conséquence la triode convient mal pour cet usage.
• La valeur excessive de la capacité interne grille – plaque, de l’ordre de quelques picofarads, entraîne de graves perturbations dans le fonctionnement d’un amplificateur : mise en parallèle d’une capacité parasite très importante sur l’entrée, entrée en oscillations (accrochages) etc. 

Aussi, dès 1930, apparaissent les tubes à plusieurs grilles. 

■    Le tube tétrode:

Ce tube a été développé pour pallier les inconvénients de la triode. La coupe transversale de la figure 24 montre qu’il comporte quatre électrodes concentriques : 2 grilles, une cathode et une anode.

Figure 24

La première grille g1 prend le nom de grille de commande et la grille supplémentaire g2, celui de grille écran. Portée à une tension positive fixe voisine ou égale à la tension plaque, g2 accélère les électrons et de plus, constitue un écran électrostatique entre la grille et l’anode. Toutefois, le pas de cette grille est lâche et les électrons fortement accélérés la franchissent facilement et parviennent jusqu’à l’anode, mais quelques électrons sont cependant captés par la g2 et forment le courant d’écran.

●  Propriétés de la tétrode: 

• C’est la grille écran qui remplit le rôle d’accélérateur,  ce qui permet d’augmenter l’espace grille – plaque, donc de réduire la capacité parasite. En plus cette capacité est encore réduite par le court-circuit à la masse de l’écran pour les signaux alternatifs.
• Comme, contrairement à la triode, la plaque se trouve à une grande distance de la cathode,  son effet attractif vis à vis des électrons devient relativement faible. Il en résulte qu’une grande variation de tension plaque ∆Up n’entraîne qu’une faible variation de courant plaque ∆Ip. En d’autres termes, la résistance interne du tube Ri = ∆Up /∆Ip est très grande.
• Le coefficient d’amplification K et la pente S sont également plus élevés. 

●  Ordre de grandeur des paramètres de la tétrode:

• La capacité grille – plaque est 100 à 1000 fois inférieure à celle d’une triode (0,01 pF).
• La résistance interne est comprise entre 100 kΩ et 1 MΩ.
• Le coefficient d’amplification est compris entre 100 et 1000.
• La pente est de l’ordre de 2 à 5 mA/V, voire plus. 

●  Réseau IpUg1 du tube tétrode:.

Comme les variations de tension plaque ont peu d’influence sur le courant Ip, les courbes IpUg1 pour différentes valeurs de Up se confondent presque.
Ces courbes sont tracées pour une tension écran Ue fixe (figure 25).

Figure 25

●  Examen du réseau IpUp du tube tétrode:

Les tensions grille Ug1 et écran Ue sont fixes.
Faisons varier Up à partir de 0 et notons les valeurs de Up. La courbe de la figure 26 diffère de celle d’une triode:

• Partie a b: le courant croît rapidement en fonction de Up. Tous les électrons émis par la charge d’espace sont accélérés par la grille écran et arrivent sur la plaque. 
• Partie b c d: lorsque la tension plaque se rapproche de la tension d’écran, le courant décroît suivant bc et ensuite augmente à nouveau à partir de c jusqu’à d. La zone où le courant Ip diminue lorsque la tension Up augmente est appelée zone de résistance négative et ce phénomène s'appelle l’effet dynatron. La vitesse des électrons est telle qu’ils frappent la plaque avec une énergie importante en provoquant un rejaillissement d’électrons secondaires et ceux-ci sont attirés par l’écran qui a une tension supérieure à la plaque, provoquant la diminution de Ip. Mais lorsque la tension plaque se rapproche de la tension de l’écran, les électrons secondaires sont à nouveau attirés spontanément par l’anode et le phénomène disparaît. 
• Partie d e: Le courant plaque augmente lentement en fonction de Up, c'est cette zone à grande résistance interne qui est utilisée pour l'amplification.

Figure 26

En conclusion, si la tétrode remédie aux défauts de la triode, sa caractéristique IpUp comporte une partie non exploitable où il a un risque de distorsion, ce qui oblige à l’utilisation de tensions anodiques élevées.

■    Le tube pentode:

Celui-ci est conçu de façon à éviter l’effet dynatron. La coupe transversale de la figure 27 montre qu’il comporte cinq électrodes concentriques : 3 grilles, une cathode et une anode. La grille supplémentaire g3 qui est située entre l’écran et l’anode présente un pas relativement lâche. Elle est généralement reliée à la cathode. Les électrons dotés d’une grande vitesse qui arrivent à sa portée ne subissent aucun ralentissement.
En revanche, les électrons secondaires qui ont tendance à se diriger vers la grille écran sont, en raison de leur faible vitesse, arrêtés par g3.
Cette électrode qui est appelée grille suppresseuse ou suppressor, contribue également à réduire encore la capacité grille - plaque.

Figure 27

●  Ordre de grandeur  des paramètres de la pentode:

• La capacité g1 – plaque est 1000 à 5000 fois inférieure à celle d’une triode (0,002 pF).
• La résistance interne est comprise entre 500 kΩ et 3 MΩ.
• Le coefficient d’amplification est compris entre 500 et 3000.
• La pente est de l’ordre de 2 à 5 mA/V, voire plus. 

●  Réseaux de caractéristiques du tube pentode : 

Comme les variations de tension plaque n’ont pas ou très peu d’influence sur le courant Ip, en raison de la résistance interne très importante, les courbes IpUg1 pour différentes valeurs de Up sont toutes confondues. Si on veut plusieurs courbes, il faut faire varier la tension écran Ug2. sur le réseau IpUp du tube pentode, avec les tensions grille Ug1 et écran Ug2 fixes, faisons varier Up à partir de 0 et notons les valeurs de Up. Les courbes tracées sur la figure 28 sont pratiquement horizontales et parallèles. 

Figure 28

●  Le tube pentode à pente variable: 

Le but est de réaliser des amplificateurs à gain variable. Pour faire varier la pente S, on joue sur le pas de la grille de commande. On construit un tube pentode comportant une grille de commande dont le pas est variable, ce qui donnera une caractéristique IpUg1 dont la pente change en fonction de Ug1, voir la figure 29.

Figure 29 

La zone A B correspond à l’action des parties  a b, a’ b’ de la grille. Pour Ug1 = -5V, plus aucun électron ne franchit la grille à ce niveau, mais certains passent encore entre b et a’. Il faudra approximativement -30V pour que le courant disparaisse totalement.

●  Le tube tétrode à faisceaux dirigés:

Il a été développé en 1933 dans le but d’améliorer le rendement des tubes de puissance. En 1936 naquit la fameuse 6L6, délivrant un rendement supérieur à celui d’une pentode équivalente. La grille g3 qui, dans une certaine mesure, freine les électrons venant de la cathode est éliminée. 
Cependant, pour supprimer l’émission secondaire responsable de l’effet dynatron, les électrons émis par la cathode sont concentrés en deux faisceaux très serrés, dont la densité rend difficile l’émission d’électrons secondaires. Le procédé est obtenu grâce à deux plaques placées de part et d’autre de l’anode et reliées au potentiel zéro de la cathode (figure 30). De plus, les enroulements de la grille de commande et de l’écran ont une forme elliptique et sont alignés l’un par rapport à l’autre de façon à réduire le courant d’écran. Cette technique a été également employée pour les tubes de puissance HF (Voir Note 2).  

Figure 30  

Note 2 : Le courant d’écran Ig2 est égal à 20% du courant plaque dans une pentode, et égal à 5% dans une tétrode à faisceaux dirigés. 

■    Les tubes à électrodes multiples : 

Les tubes comportant plus de cinq électrodes (figure 31) ont été conçus pour des applications particulières:

• Hexode : C’est une tétrode avec deux grilles de commande (g1 et g3) et un double écran (g2 et g4).
• Heptode : Elle peut se comparer à une triode associée à une tétrode. Elle comprend successivement :

-g1 : grille de commande « triode »

-a1 : anode triode

-g2 et g4 : double écran

-g3 : grille de commande tétrode

-a2 : anode tétrode

• Octode : C’est l’équivalent d’une triode associée à une pentode. Elle comporte une grille suppresseuse en plus de l’heptode.
• Nonode : C’est un tube spécial pour la modulation de fréquence qui comporte sept grilles. G1, g3 et g5 sont des grilles de commande et g2, g4 et g6 forment un triple écran et G7 est une grille suppresseuse qui est reliée à la cathode.

Figure 31

Daniel Maignan septembre 2022

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