Tubes électroniques • À partir de1904
L’effet thermoïonique
A la fin du 19° siècle, Edison en cherchant à améliorer les performances de sa lampe à incandescence découvre l’effet thermoïonique qui créée un nuage d’électrons autour d’un filament chauffé.
En savoir plus sur l’effet thermoïonique
Pour mettre en évidence l’effet thermoïonique, nous allons l’illustrer par le montage suivant :
Le métal du filament chauffé émet, par agitation thermique, des électrons dans le vide de l’ampoule. De ce fait le filament dont les molécules ont perdu des électrons devient positif et est entouré d’un nuage d’électrons négatifs.
Si on met une plaque métallique en face du filament et reliée à celui-ci via un circuit doté d’un galvanomètre on détecte un faible courant électrique qui dépend de la distance plaque filament et de la température du filament.
Du fait du manque d’électrons du filament celui-ci est légèrement positif et donc par conduction la plaque l’est également. Elle attire donc les électrons éjectés du filament par la température. Les électrons situés au milieu du nuage d’électrons subissent à la fois l’attirance vers la plaque qui est légèrement positive et moins de répulsion de la part des électrons situés entre eux-mêmes et la plaque, puisque ceux-ci sont « aspirés » par la plaque. Il s’en suit le léger courant détecté précédemment. La présence du courant peut sembler étonnante pour l’observateur puisqu’aucune batterie ou aucun générateur ne sont connectés au circuit.
°°°°°°
La diode
Partant des expérimentions précédentes, Fleming brevette en 1904 une valve (diode) qui est en fait le premier tube électronique.
En savoir plus sur le principe la diode
Partant de l’expérimentation d’Edison, Fleming a l’idée de rendre la plaque plus positive à l’aide d’une batterie. Les électrons sont de ce fait attirés encore plus fortement par la plaque (Anode) et un courant peut s’établir.
Ce courant varie en fonction de la tension appliquée sur l’anode jusqu’à une tension limite où il plafonne, c’est l’intensité de saturation correspondant au fait que tous les électrons générés par la cathode sont transportés vers l’anode.
A noter que si on applique une tension négative sur l’anode, celle-ci repousse le nuage d’électrons vers la cathode et plus aucun courant ne peut donc passer.
°°°°°°
La faculté de la diode à ne laisser passer le courant que dans un sens a permis le développement de redresseurs et aussi a contribué au progrès de la radio en modulation d’amplitude en permettant d’extraire assez simplement le signal de base.
Une petite illustration de l’utilisation d’une diode pour la radio.
Soit un signal radio reçu modulé en amplitude :
En le faisant passer dans un circuit comportant une diode, on obtient le signal suivant
Et en utilisant un filtre avec un condensateur et une résistance tel que le suivant :
Dans lequel la diode élimine les tensions négatives, le condensateur en s’opposant aux variations brutales de tensions lisse la courbe et la résistance permet de réguler le courant de sortie.
On obtient ainsi une courbe enveloppe qui peut être envoyée à l’amplificateur radio
°°°°
La triode
Lee de Forest en 1907 ajoute une « grille » entre la cathode et l’anode, il constate que de faibles variations de la tension appliquée à la grille entraînent de grandes variations du courant de plaque.
En savoir plus sur la triode
Voici le schéma simplifié de la triode :
Grace à un potentiomètre, on règle la tension de la grille à une valeur légèrement plus négative que la cathode.
Lorsque la tension de la grille est négative par rapport à l’anode plus la grille va repousser les électrons qui échappent à la cathode à cause de l’effet thermoïonique, et donc seuls quelques électrons ayant une énergie cinétique suffisante pourront franchir la grille. Lorsque l’écart de tension entre grille et cathode s’annule nous sommes quasiment dans le cas d’une diode simple. Le processus est tel qu’à une variation très faible de la tension appliquée à la grille correspond une variation proportionnelle bien plus importante en sortie : Un amplificateur est né !!
En route vers la pentode et plus si affinité..
La triode est donc le premier amplificateur basé sur un tube électronique. Ses capacités d’amplification ne sont néanmoins pas très importantes (quelques dizaines de fois) et de plus des capacités internes parasites importantes amenaient des oscillations dans certaines plages de fonctionnement
Mais les recherches ne s’arrêtèrent pas là et la persévérance paya :
L’ajout d’une nouvelle grille (grille écran) permet de réduire les capacités parasites internes, mais aussi d’améliorer les capacités d’amplification, mais malheureusement au prix de discontinuité dans les caractéristiques courant/tension du tube.
En 1926, Bernard Telleger ajoute une nouvelle grille (grille d’arrêt) et créé la pentode dotée d’une grande capacité d’amplification, d’une bonne linéarité sur des plages de fonctionnement étendues.
Des tubes avec jusqu’à 7 grilles, (soit 9 électrodes) ont été conçus et réservés à des domaines spécifiques.
Un complément sur la pentode
la pentode a cinq électrodes :
La cathode qui chauffée (directement ou indirectement) émet des électrons par effet thermoïonique
La grille de commande qui portée à un potentiel légèrement négatif par rapport à la cathode permet de réguler le flux des électrons émis et est au cœur de l’amplification
La grille écran qui accélère les électrons qui sont parvenus jusqu’à elle et permet ainsi une amplification plus importante que celle de la triode.
La grille d’arrêt qui en limitant la vitesse des électrons, sans toutefois en diminuer fortement le flux, évite les phénomènes de rebondissement des électrons trop rapides sur l’anode
L’anode qui est le terminus du cheminement au travers du tube à vide
Par ailleurs les températures et les tensions utilisées, les espacements divers, les formes des électrodes leurs compositions, les plages d’utilisation jouent sur les caractéristiques des différentes pentodes (et plus généralement des tubes électroniques) et permettent d’avoir à disposition une large gamme d’utilisation.