Historique des tubes électroniques

Le tube électronique a longtemps été l'unique composant actif existant. Il a permis la fabrication, fréquemment en grande série, des premiers appareils électroniques : récepteur radio, télévision, radar, etc.



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  • Anatomie d'un tube électronique... La grande famille des tubes électroniques... deux grilles aussi est une variante qui fut utilisée en basse tension.... (source : pagesperso-orange)

Le tube électronique a longtemps été l'unique composant actif existant. Il a permis la fabrication, fréquemment en grande série, des premiers appareils électroniques : récepteur radio, télévision, radar, etc.

Le tube électronique a connu son apogée dans les années 1960-1970. Les équipements de radio, radar, télévision, mais aussi les calculateurs, demandaient de plus en plus de fonctions actives. Ainsi malgré de nombreuses améliorations, les problèmes de volume, de consommation, et de fiabilité, sont devenus rédhibitoires, et auraient empêché les développements de l'électronique moderne, sans l'invention du transistor.

Les transistors, en premier lieu présents sous forme discrète, puis associés en circuits intégrés, ont supplanté complètement les tubes dans l'ensemble des applications basse et moyenne puissance : radio, vidéo, audio ou logique. Malgré tout, les tubes sont toujours utilisés pour des applications spécifiques comme les particulièrement fortes puissances et ou la très haute fréquence : les fours à micro-ondes, le chauffage par radio-fréquence industriel, les émetteurs de radio et de télévision, les radars, les satellites. Ils sont aussi toujours utilisés par les mélomanes dans les amplificateurs HI-FI de haute qualité, bien que leurs avantages soient controversés.

Contrairement aux transistors, les tubes à vide sont peu sensibles aux impulsions électromagnétiques (EMP), produites par une explosion nucléaire. Grâce à cet avantage, les tubes ont été utilisés pour les applications militaires longtemps après leur remplacement partout ailleurs par les transistors.

Article connexe : Tube électronique.

Les premiers tubes

Une audion de 1906
Articles détaillés : Diode à vide et Triode.

John Ambrose Fleming, conseiller scientifique à la société Marconi inventa en novembre 1904 la diode à vide (fréquemment dénommée Valve en anglais) basée sur une observation de Thomas Edison[1]. Le courant unidirectionnel (continu) et la construction de la diode originale amena Lee De Forest à placer une autre électrode, un fil tendu ou écran nommé 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) dépend de la tension appliquée sur la grille, et que le courant de grille est particulièrement faible et composé des électrons captés par celle-ci. Lorsque la tension appliquée sur la grille fluctue, le courant du filament vers la plaque fluctue lui aussi. De cette façon la grille exerce un contrôle électrostatique sur le courant de la plaque. Ce composant à trois électrodes sert à réaliser un amplificateur de tension excellent et particulièrement sensible (tension/courant). De Forest nomma son invention l'audion, mais elle est mieux connue sous le nom de triode. Ce tube est l'équivalent du transistor, les triodes furent utilisées dans les amplificateurs[2].

Améliorations de la triode

Articles détaillés : Triode et Tétrode.

La non-linéarité de la caractéristique tension/courant de la triode pose des problèmes de distorsion à faible volume. Cette distorsion ne doit pas être confondue avec la distorsion à fort volume, qu'on nomme généralement «écrêtage». Pour résoudre ce problème, les ingénieurs ont tracé les courbes du courant de plaque selon la tension de grille, et ont découvert une zone de fonctionnement presque linéaire. Pour utiliser cette zone, une tension négative doit être appliquée sur la grille de façon à se placer dans la zone linéaire sans signal appliqué sur la grille. Cette condition est nommée le point de repos. Le courant de repos est une valeur importante dans un montage. La tension à augmenter est appliquée sur la grille, ajoutée à la tension négative dite tension de polarisation ou de bias ; cela a pour effet de faire fluctuer le courant de plaque de façon linéaire selon la tension de grille : si la tension de grille augmente, le courant de plaque augmente, et si la tension de grille diminue, le courant de plaque diminue et cela de manière proportionnelle dans les deux sens, jusqu'à la saturation de fort volume.

Les batteries étaient conçues pour apporter les différentes tensions et intensités nécessaires au fonctionnement des postes de radio. Les batteries A fournissaient la tension du filament. Les batteries B fournissaient la tension de plaque. Jusqu'à nos jours la plaque est référencée «B+». Les batteries C fournissaient la tension de polarisation (négative), quoique plusieurs circuits de polarisation existent : polarisation par courant de grille, polarisation par résistance de cathode ou polarisation par une tension. Désormais nous n'utilisons plus les batteries, mais certains montages (en particulier anglais) utilisent toujours cette notation A, B, C.

Plusieurs innovations suivirent. Il devint plus courant d'utiliser le filament pour chauffer une électrode scindée nommée la «cathode», et d'utiliser cette cathode pour émettre le flux d'électrons dans le tube à la place du filament. Cela diminué les bruits de fond dus au passage d'un courant dans le filament lorsque ce dernier est alimenté en alternatif. Dans certains tubes, le filament est nommé chauffage (heater) pour le différencier de la partie active (la cathode dans ce cas).

Les triodes utilisées dans les émetteurs et récepteurs radio avaient tendance à osciller à cause des capacités parasites entre l'anode et la grille de contrôle. Plusieurs circuits complexes furent développés pour diminuer 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, localisée entre la grille de contrôle et la plaque et nommée grille écran (screen grid) pouvait résoudre ces problèmes. Une tension positive un peu plus faible que la tension de plaque était appliquée, et la grille écran était reliée au zéro par un condensateur (pour les hautes fréquences). Cela permet un découplage entre l'anode et la grille de commande, et ainsi l'élimination des problèmes d'oscillations (réduction de la capacité grille de commande/plaque grâce à la grille écran). Ce tube à deux grilles fut nommé une «tétrode», ce qui veut dire quatre électrodes actives (cathode, grille de commande, grille écran, plaque).

La pentode

Article détaillé : Pentode.

Cependant, la tétrode présente un problème, en particulier dans les applications à fort courant de pointe. À de forts courants transitoires, la plaque peut devenir négative comparé à la grille écran. Comme la grille écran accélère énormément 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'augmentcation du circuit. Ici encore, la solution est d'ajouter une autre grille entre la grille écran et la plaque, nommée «grille d'arrêt» ou «grille suppressive». Elle est reliée au zéro ou à la cathode du tube, recevant ainsi une tension négative comparé à la plaque. L'émission secondaire de l'anode retourne ainsi à sa source grâce au champ électrostatique (de la grille d'arrêt). Ce tube avec trois grilles s'appelle «pentode», car il possède cinq électrodes actives (cathode, grille de commande, grille écran, grille d'arrêt, anode) [2].

Tubes multifonction

Tube ECC82/12AU7, double triode

Les tubes avec 4, 5, 6, ou 7 grilles, nommés hexodes, heptodes, octodes, et nonodes, étaient généralement utilisés pour la conversion de fréquences dans les récepteurs superhétérodynes. Les grilles ajoutées sont toutes des grilles de contrôles, chacune recevant son propre signal. Une grille spéciale agissant comme la plaque apporte un oscillateur interne, qui est mélangé avec le signal radio entrant. Le courant de plaque est proportionnel au produit des tensions d'entrée, ce qui fait apparaitre des composantes à la somme ainsi qu'à la différence des fréquences appliquées.

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 (exemple : le Compactron) d'inclure plusieurs éléments sous le même bulbe ; par exemple, le 6SN7 fait partie des premiers tubes multi-sections, c'est une double triode qui, pour la majorité des applications, peut remplir la fonction de deux triodes scindées, en prenant moins de place ainsi qu'à un coût réduit. Le 6AG11 (Compactron) contient deux triodes et deux diodes. Aujourd'hui le tube le plus populaire au monde est le 12AX7 qui est aussi nommé ECC83, avec un volume de vente estimé à plus de 2 millions d'unités par an. La 12AX7 est une double triode faible puissance à fort gain fréquemment utilisée en préaugmentcation surtout dans les amplificateurs de guitare.

La tétrode à faisceau dirigé

Un tube 6550C de fabrication actuelle
Article détaillé : Tétrode à faisceau dirigé.

Le tube à faisceau dirigé[N 1] est due aux travaux de l'ingénieur de la Radio Corporation of America (RCA), Otto H. Schade, en 1936[3] Le premier tube à faisceau dirigé est construite par RCA au début de l'année 1936[4].

Un tube à faisceau dirigé est une tétrode à laquelle ont été ajoutées deux plaques métalliques reliées entre elles pour diriger le flux d'électrons, ces plaques remplacent une troisième grille[N 2]. Ces plaques permettent une concentration du flux d'électrons sur une zone limitée de l'anode, ce qui a pour effet d'empêcher l'émission d'électrons secondaires par la plaque. Par conséquent ce tube est aussi nommé tétrode à concentration.
Le dimensionnement des éléments dans une tétrode à faisceau dirigé est basé sur le principe de la distance critique[N 3] qui sert à limiter les émissions secondaires d'électrons[N 4]. Cette conception sert à repousser les barrières physiques pour la conception de tubes de forte puissance ainsi qu'à haut rendement.

Premiers modèles

La 6L6 est le premier modèle de tétrode à faisceau dirigé, elle est introduite sur le marché en juillet 1936 par RCA. Le deuxième modèle est la 807 (tension filament 6, 3 volts) et la 1625 (semblable à la 807 mais avec une tension filament 12, 6 volts) en 1937. Le troisième modèle est une tétrode à faisceau dirigé de faible puissance la 6V6 en 1937.

Évolution

Les tétrodes à faisceau dirigé sont toujours utilisées pour les amplificateurs (Hi-Fi) et de guitare, ce qui en fait l'un des produits électroniques dont la vie a été la plus longue. Les mêmes méthodes de conception sont employées pour les tétrodes de grande puissance en céramique utilisées dans les émetteurs radio.

Autres tubes

Afficheur fluorescent 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. comme le photomultiplicateur et le tube cathodique. Les photomultiplicateurs sont toujours les détecteurs de lumière les plus sensibles, utilisés en astronomie et en physique nucléaire. Des postes de télévision, des oscilloscopes et des écrans d'ordinateurs utilisent toujours aujourd'hui des tubes cathodiques, quoique les écrans plats (à plasma ou à cristaux liquides) se généralisent.

Certains autoradios, certaines planches de bords automobiles ont utilisé jadis 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 nommés afficheurs fluorescents à vide.

Le problème de fiabilité

L'ENIAC

À l'age d'or des tubes, un simple téléviseur couleur demandait une vingtaine de tubes. Un récepteur de radionavigation DECCA des années 1950-1960 utilisait une centaine de tubes. Quant aux premiers ordinateurs ou calculateurs comme le Colossus ils utilisaient 2 000 tubes, l'ENIAC en utilisait près de 18 000 tout comme l'IBM 700 series.
Le changement de tubes en panne était le travail de base des dépanneurs et le problème de fiabilité devint la principale limitation à la complexité des équipements.

Amélioration des filaments

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 capacité 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 à chauffage direct) ou bien créer des courants parasites entre l'anode et d'autres éléments du tube en se 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 lorsqu'elle ne produit plus suffisamment d'électrons et non pas lorsque son filament est grillé, ce qui peut arriver mais est bien 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 lorsque 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 diffusent vers la surface pour les remplacer. Ces cathodes en tungstène thorié ont normalement une durée de vie de plusieurs dizaines de milliers 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.

Dans les petits tubes de «réception» (receiving tubes en anglais), les cathodes sont recouvertes d'un mélange d'oxydes de baryum et de strontium. Un filament de chauffage est inséré au milieu de cette cathode, et est isolé électriquement de celle-ci. Cette structure complexe permet l'émission d'électrons par les atomes de baryum et de strontium diffusés à la surface du tube, quand celle-ci est chauffée à à peu près 780°C.

Pour obtenir la fiabilité indispensable pour la fabrication des premiers ordinateurs (les ordinateurs Whirlwind), il était indispensable de construire des tubes spéciaux pour cet usage avec une cathode à grande durée de vie. La faible durée de vie de la cathode était due 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 particulièrement purifié (pour la plaque) et des revêtements de cathode sans matières qui puissent empoisonner l'émission d'électrons (comme les silicates et l'aluminium) contribuèrent 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 1950 cette technologie était courante pour les tubes «petit signaux» de qualité supérieure qui pouvaient fonctionner plusieurs centaines de milliers d'heures.

Maintien du vide

Un autre problème important pour la fiabilité est celui de l'entrée d'air dans le tube. Théoriquement l'oxygène de l'air réagit chimiquement avec le filament chaud ou bien avec la cathode, entrainant une destruction rapide. Les concepteurs ont cependant travaillé dur pour construire des tubes avec une étanchéité fiable. C'est pour cela que la majorité 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'éclairage, possèdent les mêmes cœfficients de dilatation, ce qui sert à construire aisément une enveloppe hermétique, et permet le passage des électrodes.

Il est important que le vide dans le tube soit aussi parfait que envisageable. 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 parfois en formant une décharge visible rose-violette entre les éléments du tube.

Pour empêcher la naissance de gaz quels qu'ils soient (petite fuite au niveau de la sortie des broches ou gaz contenu dans les métaux constituant le tube), les tubes modernes sont fabriqués avec un «getter», qui est normalement petit et a fréquemment la forme d'une coupelle qui est remplie lors de la fabrication avec des métaux qui s'oxydent rapidement, le baryum étant l'un des plus communs. Une fois que le tube est sous vide et que l'enveloppe est fermée, le getter est chauffé à haute température (fréquemment avec un chauffage par induction à haute fréquence) provoquant l'évaporation du métal, absorbant les gaz résiduels par réaction chimique et déposant fréquemment 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 tubes de transmission et les tubes spécialisés utilisent des techniques identiques.

Tubes à gaz

Pour certaines applications spéciales, les tubes sont volontairement remplis de gaz. A titre d'exemple, les régulateurs de tension au gaz sont des tubes à gaz pouvant contenir différents 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. Actuellement les diodes zener ont remplacé avantageusement les tubes comme référence de tension.

Le thyratron est un tube pour les applications spéciales (variateur électronique de lumière dans l'éclairage scénique, avant l'invention du triac) qui est rempli avec des gaz à basse pression, et qui est utilisé comme commutateur électronique à haute vitesse.

Les tubes afficheurs à gaz, populairement nommés Nixie, ont été utilisés dans l'ensemble des instruments de comptage des années 1950-1970 : horloges, compteurs, fréquencemètres. Ils tapissaient les murs des centres de contrôle du début du spatial, et des laboratoires de recherche nucléaire. Le tube Nixie comportait 10 électrodes en forme de chiffres décimaux, alimentées sous une tension de 100 V, ce qui produisait un halo du gaz rare dans lequel elles étaient plongées (en général le néon pour le rouge).

Autres évolutions

Le nuvistor 6DS4 de la RCA qui est une triode d'environ 20 mm de haut et de 11 mm de diamètre.

Les tubes ont le plus souvent une enveloppe en verre, mais le métal, le quartz fondu (verre de silice), et la céramique sont des choix envisageables. La première version de la 6L6 utilisait une enveloppe en métal dont les sorties étaient rendues étanches avec des perles de verres, plus tard un disque de verre fondu dans le métal fut utilisé. Le métal et la céramique sont utilisés essentiellement pour les tubes d'une puissance (de dissipation) supérieure à 2 kW. Le nuvistor est un petit tube réalisé uniquement avec du métal et de la céramique. Dans certains tubes de puissance, 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, ce qui permet un bon refroidissement. Les tubes de puissance utilisant cette technique de refroidissement sont disponibles jusqu'à une puissance dissipée de 150 kW. Au-dessus de cette puissance, un dispositif de refroidissement à eau ou bien un refroidissement eau/vapeur est utilisé. Le tube le plus puissant disponible aujourd'hui est le Eimac 8974, un tube refroidi par eau d'une puissance dissipable de 1, 5 MW (1, 5 million de watts). (En comparaison le plus «gros» transistor peut uniquement dissiper 1 000 W). Une paire de 8974 est capable de produire 2 millions de watts de puissance audio, mais ce n'est pas là son application principale. La 8974 est utilisée dans des applications militaires spéciales et dans les applications radiofréquences commerciales.

Vers la fin de la Deuxième Guerre mondiale, certaines radios d'avion ainsi qu'à usage militaire commencèrent à intégrer l'enveloppe du tube au boîtier de la radio en aluminium ou zinc, ceci pour rendre les radios plus robustes. La radio devint alors uniquement un circuit imprimé sans tube, soudé au châssis qui le contenait. Une autre idée de la Seconde Guerre mondiale fut de fabriquer de petits tubes, particulièrement résistants, en verre. Ils furent dans un premier temps utilisés en radiofréquence pour les détecteurs de métaux intégrés aux bombes d'artilleries. Cette explosion de proximité rendit l'artillerie plus efficace. Ces petits tubes furent connus plus tard sous le nom de tubes «subminiatures». Ils furent beaucoup utilisés dans les années 1950 dans l'électronique militaire et d'aviation (Le Concorde utilisait une électronique à tubes).

Bibliographie

En français
En anglais

Notes

  1. Beam tube ou Beam power tube, en anglais
  2. La troisième grille, dite aussi grille suppresseuse (suppressor grid) d'une pentode
  3. Critical distance geometry en anglais
  4. Principe découvert par l'ingénieur Britannique J. Owen Harries en 1935 dans le laboratoire de Hivac Co. Ltd.

Références

  1. (en) 1904 – Invention of Thermoinic Valve, (L'invention de la valve thermoïonique), sur le site marconicalling. com
  2. (en) John Harper, “Tubes 201” – How vacuum tubes really work, 2003
  3. L. -D. Fourcault, R. Tabard, Pour le Sans-filiste, Dunod, Paris, 1938 p.  122
  4. A new Audio Power tubes, QST, mai 1936, p.  50

Liens externes


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