L'électronique n'a pas débutée avec l'invention du transistor mais avec l'invention du tube électronique. Les tubes électroniques sont encore en usage de nos jours dans certaines applications comme dans les satellites de communications sous forme de TWT ou encore les émetteurs radio grande puissance. Dans cet article j'explique le fonctionnement des tubes électroniques.
Lampe diode
Commençons par le tube électronique le plus simple, la diode a été inventée en 1904 par Ambrose Flemming. Dans un tube de verre dans lequel on fait le vide complet on insère 1 filament chauffé et une autre électrode froide celle-là.
Fonctionnement
lorsqu'on chauffe le filament en appliquant un faible voltage 6 ou 12 volt, il se forme un nuage d'électrons autour de celui-ci. Les électrons étants les porteurs de la charge électrique négative sont attirés par un champ électrique positif. Donc si on applique un voltage positif à l'anode par rapport à la cathode, le nuage d'électrons sera accéléré vers l'anode. Il va donc y avoir un courant électrique qui va circulé. Par contre si on applique un voltage négatif sur l'anode les électrons seront repoussé par l'anode et aucun courant ne circule. Donc si on applique un voltage alternatif à l'anode le courant ne circulera que pendant la phase positive on aura donc ceci à la sortie du tube.
Il faut mentionner l'importance du vide à l'intérieur du tube. Si on laissait l'air dans le tube les électrons entreraient en collision avec les molécules d'air et perdraient leur énergie avant d'arriver à l'anode.
La triode
Pour obtenir un amplificateur il faut pouvoir contrôler le flux d'électrons à travers le tube en fonction du signal qu'on désire amplifié. Lee de Forest en 1906 a inventé un tel tube à 3 électrodes. La troisième électrode s'appelle la grille de contrôle. Il s'agit habituellement d'un fil enroulé en spirale autour de la cathode sans y toucher cependant. Un circuit d'amplification à triode ressemble à ceci.
On a donc le voltage de chauffe du filament Vf. Il est représenté ici par une pile mais en pratique il s'agit d'un voltage AC basse tension 6 ou 12 volt provenant du secondaire d'un transformateur. Vp est le voltage appliqué à l'anode. Il provient habituellement de la rectification d'un 2ième bobinage du même transformateur. Ce voltage peut dépasser 200 VDC mais peut-être aussi bas que 50VDC dépendant du type de tube et de l'application. Rg est la résistance de polarisation de la grille. Un certain courant circule dans circuit entre la grille et la cathode à travers Rg. Cette résistance est de l'ordre de 1Mohm et le voltage qui se développe à ces bornes fait en sorte que la grille est négative par rapport à la cathode ce qui limite le courant vers l'anode. La valeur de Rg est choisie en fonction des caractéristiques du tube afin d'obtenir le point d'opération désiré. Lorsque le signal à amplifier est présenté sur la grille il module le voltage entre la cathode et la grille et donc le courant qui circule vers l'anode. La résistance d'anode Rp permet de développer un voltage en inversion de phase du voltage sur la grille mais amplifié.
Tétrode et pentode
Des tubes à 4 électrodes, les tétrodes et à 5 électrodes, les pentodes ont été inventés pour améliorer les performances des tubes amplificateurs. La quatrième électrode appelée grille écran insérée entre la grille de contrôle et l'anode sert à réduire l'effet capacitif entre l'anode et la grille de contrôle. Cet effet capacitif réduisait le gain en haute fréquence des triodes. Cette grille écran est gardée à un voltage positif constant plus bas que celui de l'anode.
Les pentodes ont été inventées pour régler le problème des émissions secondaires. En effet l'anode bombardée par les électrons chauffe et parce qu'elle chauffe elle émet des électrons à son tour comme la cathode. L'effet est plus prononcé dans les tétrodes parce que les électrons arrivent plus rapidement à l'anode à cause de l'accélération supplémentaire produire par la grille écran. La 3ième grille appelée grille d'arrêt est gardée au même voltage que la cathode ce qui a pour effet de ralentir les électrons avant qu'ils ne frappent l'anode. Les pentodes sont utilisées dans les circuits audio de puissance comme les amplificateurs de guitares électriques.
Autre perfectionnement
Si les premières diodes et triodes émettaient les électrons directement à partir du filament, rapidement une amélioration a été apportée sous la forme d'une cathode séparée du filament. Dans les tubes modernes la cathode est formée d'un cylindre recouvert d'oxyde de baryum à l'extérieur. Le filament chauffant est inséré à l'intérieur du cylindre cathode mais est isolé électriquement de celui-ci. Cette amélioration présente 2 avantages. Premièrement lorsque le filament et chauffé en alternatif à la fréquence du secteur, 50 ou 60 hertz dépendant des régions, la quantité d'électrons émis est modulée par cette fréquence et est donc amplifiée par le tube. La cathode isolée a une température plus constante et une émission d'électrons qui n'est pas modulée par la fréquence secteur. Le deuxième avantage de la cathode est que certains métaux émettent plus facilement des électrons lorsqu'ils sont chauffés que d'autres. C'est le cas de l'oxyde de baryum. Puisque la cathode émet plus facilement des électrons elle peut-être gardée à une température moindre ce qui augmente la durée de vie du filament. La cathode cylindrique produit aussi une émission mieux distribuée sur la totalité de sa surface.
