Fonctionnement des tubes électroniques

Les tubes, aussi connus comme "tubes électroniques", sont des composants électroniques composés de métal et de verre. Ils utilisent les effets d'émission thermoïonique et d'attraction et répulsion électrostatique pour fonctionner. Ils sont composés de plaques et de grilles.

Emission thermo-ionique

Les métaux (1) sont des matériaux conducteurs de par la présence d’électrons sur leur surface (2). Cependant, ils ne peuvent s’en échapper sans une énergie suffisante. Cette énergie peut être apportée par différents moyens. L’un d’entre eux est l’élévation de la température au dessus d’une certaine valeur, fournissant alors assez d’énergie aux électrons pour quitter la surface du métal. Cela est réalisé avec l’aide d’un fin fil de métal appelé filament, chauffé par le passage d’un courant électrique.

Le filament doit atteindre une température suffisante, typiquement au-delà de 500°C. Il est constitué de matériaux spéciaux comme le tungstène lui permettant de résister à cette haute température.

La première illustration ci-contre représente une plaque de métal (1) à basse température : les électrons (2) ne peuvent s'échapper de la surface de la plaque, faute d'une énergie suffisante. L'illustration suivante montre le cas ou la plaque de métal est suffisamment chauffée pour permettre aux électrons de la quitter.

Attraction et répulsion

Les mouvements des électrons sont influencés par les champs électriques créés par les charges environnantes. D’une manière simplifiée, nous pouvons dire qu’ils sont attirés par les charges positives et repoussés par les charges négatives.

L'illustration suivante représente des électrons (2) quittant une plaque de métal (1), repoussés par la plaque chargée négativement (3) et attirés par une plaque chargée positivement (4).

Les sections suivantes montreront l'utilisation de cet effet par la grille de contrôle afin de réguler le flux d'électrons dans le tube, et donc permettre le contrôle du courant.

L’image illustre la trajectoire d’électrons quittant la plaque de métal, repoussés par la plaque négative mais attirés par la plaque positive.

  1. Plaque de métalLa plaque de métal est chauffée et émet des électrons.

  2. ElectronsLes électrons quittent la plaque de métal grâce à l'énergie qu'ils ont acquise.

  3. Plaque négativeCette plaque repousse les électrons

  4. Plaque positiveCette plaque attire les électrons

 
 
La diode

Le tube le plus simple est la diode à vide. Le filament est chauffé par le passage d’un courant électrique et chauffe à son tour la cathode. Comme tout métal dont la température est suffisamment élevée, la cathode émet des électrons, car ceux-ci reçoivent une quantité d’énergie telle qu’ils peuvent quitter sa surface. Lorsque l’anode est portée à un potentiel électrique positif par rapport à la cathode, les électrons y sont attirés; ce mouvement d'électrons est appelé courant. Puisqu'il a lieu vers l'anode, on l'appelle courant d’anode. Lorsque l’anode est portée à un potentiel négatif, aucun électron n’y est attiré, il n’y a pas de courant. Ce tube permet donc de ne laisser passer le courant que dans une seule direction, c’est un tube redresseur appelé diode.

 

  1. Filament Généralement constitué de tungstène.

  2. Cathode Recouverte d’un matériaux spécial permettant d'augmenter l'émission d'électrons.

  3. AnodeCollecte les électrons émis par la cathode.

 

 

La triode

La triode est une évolution de la diode, permettant le contrôle du courant par une tension externe. Elle est constituée d’une diode à laquelle est ajoutée une grille entre la cathode et l’anode. Cette grille est portée à un potentiel négatif par rapport à la cathode et influence la quantité d'électrons qui quittent la cathode. Ces derniers sont alors soumis à l’influence de l’anode qui les attire et dans une plus forte mesure à l’influence de la grille. La grille leur permet soit d’atteindre l’anode si elle est suffisamment positive par rapport à la cathode, soit les force à rester sur la cathode si elle est suffisamment négative. Le courant anodique est alors contrôlé par la tension de la grille.

  1. Filament

  2. Cathode

  3. Anode

  4. Grille de contrôleContrôle le flux d'électrons allant de la cathode vers l'anode

 

La tétrode

La triode comporte une faible résistance interne, cela signifie que le courant anodique dépend non seulement de la tension de la grille, mais également dans une certaine mesure de la tension d’anode.
Lorsque la tension de grille devient plus négative, le courant anodique diminue, provoquant l’augmentation de la tension d’anode, laquelle tend à augmenter le courant anodique : les deux effets sont contraires. Dans certaines applications, pour obtenir une tension d’anode importante, il est alors nécessaire d’appliquer une tension de grille élevée, au risque de dégrader le tube.
Pour contrer cet effet une seconde grille dite "grille écran" a été placée entre la première grille et l’anode. Portée à un potentiel positif constant, elle permet de contrer l’influence de la tension d’anode sur le courant anodique. De fait la résistance interne du tube augmente considérablement.

  1. Filament

  2. Cathode

  3. Anode

  4. Grille de contrôle

  5. Grille écranContre l'influence de la tension d'anode

 

 

La pentode

La tétrode possède elle aussi un sévère inconvénient : l’effet dit "émission secondaire", qui perturbe le fonctionnement du tube dans certains cas. Lorsque les électrons atteignent l’anode, ils ont une vitesse élevée. De fait, ils arrachent à l'anode d’autres électrons, qui vont se diriger vers la grille écran lorsque la tension d’anode n’est pas suffisamment élevée. Cet effet diminue le courant anodique et n’est pas permanent, il est alors très gênant car il déforme les signaux et ne peut être compensé.
Un nouveau tube a alors été mis au point, la pentode, qui comprend une grille supplémentaire : la grille d’arrêt. Placée tout près de l’anode, cette grille est connectée directement à la cathode, elle permet alors de repousser les électrons secondaires émis par l’anode puisque l’anode est à un potentiel bien supérieur.
Une évolution est la tétrode "beam power" dans laquelle la grille d’arrêt est remplacée par deux plaques concentrant les électrons sur l’anode ce qui augmente l’efficacité du tube.

  1. Filament

  2. Cathode

  3. Anode

  4. Grille de contrôle

  5. Grille écran

  6. Grille d'arrêtRepousse les électrons secondaires

 

Autres types de tubes

Une grande variété de tubes existent.
Un exemple est le tube ECF80, qui inclut dans une même enveloppe une triode et une pentode. Il était utilisé dans les équipements radio. On peut distinguer sur les deux images les deux éléments : la pentode étant la plus grande, et la triode la plus petite.

 
Température de la cathode

L’émissivité thermoïonique de la cathode dépend largement de la température. Pour les cathodes en tungstène, elle augmente rapidement à partir de 2500°K.
Il pourrait alors sembler être une bonne idée d’utiliser le tube avec une tension de filament supérieure, de sorte que la cathode chauffe plus. Malheureusement cela réduirait considérablement sa durée de vie. Pour exemple, tandis que la durée de vie d’une cathode en tungstène est estimée à 5000 heures pour une émissivité de 50 mA/cm², elle tombe à 1500 heures pour une émissivité de 200 mA/cm².
Cette caractéristique fait qu’une petite variation de la tension de filament, ou une surcharge du tube, peuvent réduire considérablement sa durée de vie. Une température anormalement élevée est l'un des effets du déséquilibre de bias.
La température optimal est alors un compromis entre les performances et la durée de vie du tube, réalisé par le fabriquant.

 
Le getter

Pendant le processus de fabrication, le vide est créé dans le tube et l’enveloppe de verre est scellée. Tout reste de gaz s’ioniserait lors du fonctionnement du tube et créerait des problèmes d’isolation et de court-circuit, rendant impossible l'utilisation du tube.
Ce gaz peut provenir des matériaux internes au tube relâchant progressivement le gaz qu’ils ont précédemment absorbé, ou d’une fuite de l’enveloppe de verre suite à un choc.
Un matériau spécial est alors placé sur l’enveloppe de verre sous la forme d’un dépôt très fin de couleur métallique. Il réagit avec les molécules de gaz et les absorbe, permettant de parfaire et de maintenir un vide très poussé : c’est le getter.
Lorsque le getter a absorbé trop de gaz, sa couleur change et il devient blanc, ce qui indique que le tube ne peut plus être utilisé. Dans la pratique, cela indique très souvent un endommagement de l’enveloppe de verre.
Sont exposés ci-contre deux tubes de type identique, dont le getter de l’un indique un problème.