Description
Un tube électronique (aussi appelé tube à vide ou lampe) est un composant électronique actif. Il utilise des électrodes placées dans le vide ou dans un gaz rare, isolées entre elles par ce milieu. L’ensemble est enfermé dans une enveloppe résistante à la température, généralement en verre. Les tubes de puissance utilisent parfois la céramique et le métal. Les électrodes sont reliées à l’extérieur par des passages étanches, le plus souvent sous forme de broches destinées à un support pour en permettre un remplacement facilité.
Principe de fonctionnement
Les tubes à vide fonctionnent grâce à l’effet thermoïonique.
Un filament chauffé (chauffage direct) ou une cathode chauffée par un filament (chauffage indirect) émet des électrons. Ces électrons forment autour de la cathode un nuage de charge négative appelé charge d’espace.
Une anode polarisée positivement attire ces électrons à travers le vide. Un courant circule alors de la cathode vers l’anode.
La diode à vide
C’est le tube le plus simple. Les électrons émis par la cathode sont attirés par l’anode. Le courant ne peut passer que dans un seul sens, car l’anode n’est pas chauffée et n’émet pas d’électrons. La diode sert de redresseur.
La triode
Lee de Forest a ajouté une grille de commande entre la cathode et l’anode.
En modulant la tension appliquée sur cette grille par rapport à la cathode, on contrôle le nombre d’électrons qui atteignent l’anode. Une faible variation de tension sur la grille produit une variation importante du courant anodique. Placée en série avec une charge, cette variation de courant se transforme en variation de tension et de puissance : c’est le principe de l’amplification.
Tétrode et pentode
La triode présentait un inconvénient : une capacité parasite entre la grille et l’anode qui limitait son fonctionnement en haute fréquence et favorisait les oscillations.
On a donc ajouté une grille écran portée à un potentiel proche de celui de l’anode. C’est la tétrode. Elle réduit fortement cette capacité parasite.
La pentode ajoute une troisième grille, appelée grille suppressrice, généralement reliée à la cathode. Elle limite l’émission secondaire d’électrons par l’anode lorsqu’elle est bombardée par les électrons. La pentode améliore le rendement et la stabilité.
D’autres variantes existent (hexode notamment) pour des fonctions spécifiques comme le mélange de fréquences dans les récepteurs radio.
Inventeurs
- 1904 : John Ambrose Fleming réalise la première diode à vide (valve de Fleming).
- 1906 : Lee de Forest ajoute la grille de commande et crée la triode, qu’il appelle Audion.
Comportement en saturation et harmoniques
Lorsqu’un tube est poussé dans sa zone non linéaire, il génère principalement des harmoniques d’ordre pair (2e, 4e, 6e…). Ces harmoniques correspondent à des octaves de la fréquence fondamentale.
Le passage en saturation est progressif (soft clipping) : la forme d’onde s’arrondit progressivement plutôt que de se couper brutalement comme le font les semi-conducteur.
Ces caractéristiques expliquent l’intérêt que portent encore certains musiciens (notamment les amplis et pédales guitare), et en studio pour les préamplis et les micros à tubes, et certains audiophiles (amplificateurs Hi-Fi hauts de gamme).
Utilisations actuelles
Les tubes ont été largement remplacés par les transistors dans la plupart des applications. Ils restent toutefois utilisés dans certains domaines :
- Amplificateurs de guitare électrique
- Amplificateurs hi-fi haut de gamme
- Préamplificateurs micro et studio d’enregistrement
- Émetteurs de radiodiffusion (ondes moyennes, ondes courtes)
- Émetteurs de télévision
- Émetteurs radioamateurs de forte puissance
- Magnétron : fours à micro-ondes (application la plus répandue) et radars
- Klystron : radars, accélérateurs de particules, émetteurs de télévision, contre-mesures électroniques
- Tube à ondes progressives (TWT) : communications satellitaires, faisceaux hertziens, répéteurs spatiaux
- Chauffage par radiofréquence (induction, diélectrique)
- Accélérateurs de particules
- Tubes à rayons X (imagerie médicale et industrielle)
Note sur Georges Lakhovsky
Georges Lakhovsky a également travaillé sur les tubes et a déposé plusieurs brevets dont :
- FR 601.155 (1924) : Perfectionnements pour dispositifs générateurs d’oscillations
- US 2,351,055 (1941) : tube conçu pour produire des longueurs d’onde multiples
De nos jours Les Laboratoires Colysa utilisent les tubes électroniques dans le Radio Cellulo Oscillateur pour leur capacité à produire de grandes quantités d’harmoniques, qui sont une des caractéristiques techniques essentielles à la mise en œuvre de cet appareil.