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Technique - Principe


Nous voici arrivés au tube électronique. Historiquement on attribue  son perfectionnement (la triode) à Lee de Forest. C'est le premier dispositif qui a permis l'amplification, la conversion de fréquence, l'oscillation "propre". Le tube est encore très utilisé par deux races de doux rêveurs : les audiophiles et les radioamateurs.
Les audiophiles l'utilisent car ils trouvent le "rendu" incomparable et les radioamateurs car pour eux c'est encore le moyen le plus économique pour obtenir beaucoup de puissance en HF.
L'apparence :

Autant voir des circuits intégrés et des transistors est chose facile, autant voir un tube électronique est chose rare de nos jours. Remédions à ceci...

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La constitution :

Le tube est constitué d'une enceinte en verre ou en céramique contenant des électrodes. Celles-ci peuvent être au nombre de 2 pour une diode, 3 pour une triode, 4 pour une tétrode et 5 pour une pentode. A l'intérieur de l'enceinte décrite précédemment, le constructeur a créé un vide aussi poussé que possible d'où le nom de tube à vide.

On peut établir naturellement un parallèle avec les semi-conducteurs que nous avons étudié et plus particulièrement concernant le transistor et la diode.

La diode à vide réalisera la même fonction que la diode au silicium, seule la mise en œuvre sera différente. Il en va de même pour la triode, la tétrode ou la pentode qui pourront se comparer au transistor. Nous découvrirons plus loin les raisons technologiques qui ont mené à l'adoption d'électrodes supplémentaires sur les tubes.

Schématiquement et symboliquement, quelle est la représentation pour les tubes ?

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Voici la représentation d'une diode. ON remarque immédiatement les deux électrodes principales qui sont l'anode et la cathode.
Sous la cathode, vous remarquerez également la présence de deux connexions supplémentaires qui sont les deux arrivées du filament car un tube électronique, pour fonctionner à besoin d'un "chauffage". Nous expliciterons plus loin le fonctionnement

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Et voici la triode...
Une électrode appelée Grille a été rajoutée. Nous allons découvrir que cette grille jouera le rôle d'accélérateur ou de frein pour le courant que nous pourrons faire circuler dans le tube. On appelle d'ailleurs "Grille de commande".

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Et la tétrode...
Chacun à ses petits travers et la triode n'en manque pas, plus particulièrement pour la capacité Grille-Plaque. C'est extrêmement gênant dans la mesure ou une partie de la sortie peut être réinjectée par cette capacité vers la grille est transformer n'importe quel bon amplificateur en merveilleux oscillateur. La réponse consiste à insérer une grille dite "Ecran" de manière à supprimer cette capacité nocive.

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Et pour finir la pentode...
Il existe sur les tétrodes un phénomène appelé "émission secondaire". Les électrons frappant la plaque peuvent être réémis ou provoquer une réémission. Un solution pour contrecarrer ce phénomène consiste à insérer une troisième électrode appelée "suppresseuse" qui grâce à son potentiel négatif renvoie les électrons vers la plaque.

L'effet thermo-ionique où comment cela fonctionne t'il ?

Nous savons depuis le début de notre lecture que le courant est dû à la circulation d'électrons. Or, dans un tube, pour qu'il y ait circulation d'électrons, il est nécessaire de les produire. On réalise cela en chauffant l'électrode appelée cathode grâce à un filament
Le chauffage va provoquer l'arrachement à l'alliage constituant la cathode d'électrons qui vont  former ce que la littérature appelle de façon imagée un "nuage électronique" .
Naturellement dans ces conditions la stabilité de ces électrons est faible, ils ne demandent qu'à revenir à la cathode, c'est pourquoi il va falloir leur indiquer la direction à prendre grâce à des tensions judicieusement appliquées sur les électrodes idoines.

Le chauffage peut être direct, càd que c'est le filament constitue la cathode et émet directement les électrons, il peut être indirect (c'est le cas le plus fréquent), le filament est distinct de la cathode et la réchauffe par rayonnement. Sur les dessins ci-dessus, le chauffage est indirect puisqu'on trouve une électrode de cathode et deux connexions séparées pour le filament. Le filament est composé d'un alliage de tungstène. Notez que plus la puissance fournie par le tube est importante, plus le chauffage doit être conséquent ce qui a pour conséquence une alimentation du filament dimensionnée correctement. Les tensions usuelles de chauffage sont 6,3V et 12,6V, il existe bien sur toute une gamme de tensions de chauffage, voir les caractéristiques du tube utilisé.


Nous allons étudier sérieusement la triode et apporter les éléments d'informations supplémentaires pour la tétrode et la pentode qui ne diffèrent pas au niveau du fonctionnement.
La triode :

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Le tube est pourvu de trois électrodes et d'un filament de chauffage. Le filament chauffe la cathode qui émet des électrons.
la cathode est au potentiel de masse qui nous servira de référence pour mesurer les tensions et l'anode est à un potentiel positif
La grille est polarisée négativement par rapport à la cathode. Un montage à base de résistances variables nous permet de faire varier son potentiel. Ne soyez pas dérouté par le fait que la grille soit polarisée négativement par rapport à la cathode, nous retrouvons le même type de polarisation que pour le transistor à effet de champ.



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Voici le montage de test que nous allons utiliser pour déterminer les caractéristiques de notre triode. Notez bien que l'anode est polarisée positivement par rapport à la masse, la cathode est à la masse, donc au potentiel de référence et la grille est polarisée négativement par rapport à la cathode. Pour ce faire la batterie qui l'alimente est "inversée",   son pôle positif est relié à la masse.
Nous avons inséré deux appareils de mesure, l'un dans le circuit anodique est un milliampèremètre qui nous permettra de mesurer le courant débité par le tube, l'autre est un voltmètre qui mesure la tension grille-cathode.
La tension d'anode est de 250V, cette tension est fixe, la tension grille peut évoluer entre -30V et 0V.
A - Commençons par mettre notre curseur tout à fait en haut, côté pôle négatif ce qui amènera une tension très négative sur la grille.
Relions notre circuit d'anode et observons nos appareils de mesure
Nous lisons une tension sur la grille de -30V et un courant anodique =0. Manifestement, il ne se passe rien, nous dirons que le tube est bloqué.

B - Manœuvrons notre curseur tout en lisant notre tension Vg (grille).  Nous lisons désormais -7,5 V Le débit anodique est toujours nul.

C - Poursuivons la manœuvre du potentiomètre, la tension remonte à -5V, Nous observons que le milli anode décolle, un très faible courant circule de la cathode vers l'anode. Nous lisons 0,5mA

D - Continuons, la tension Vg est de moins en moins négative et est égale à -2,5V Nous notons que moins Vg est négative, plus le courant anodique croît, nous lisons maintenant 5mA.

  • Arrêtons nos expérimentations et essayons de comprendre ce qui s'est passé.
    Au début de l'expérience, notre tube chauffé et alimenté, nous avons appliqué une tension très négative par rapport à la cathode sur la grille (-30V), aucun courant ne circulait, le tube était bloqué.
  • Nous avons progressivement réduit cette tension négative et avons constaté qu'un courant circulait dans le tube à partir d'une tension grille cathode de -5V.
    Imaginez la cathode chauffée par le filament. Les électrons dégagés sont naturellement chargés négativement, ils trouvent immédiatement comme potentiel face à eux un potentiel de grille très négatif ce qui à pour effet de les repousser, de les contenir, ils ne peuvent pas se déplacer, cette barrière de potentiel est infranchissable. Quand la tension est de moins en moins négative, ils peuvent commencer à se mouvoir et sont fortement attirés par l'anode qui elle est polarisée positivement. Si la polarisation de la grille augmente le courant anodique augmente et nos électrons produit à la cathode vont se projeter sur l'anode que l'on appelle également "plaque".
    Remarque au passage : Les électrons traversent la grille (ou les grilles sur les autres tubes). Celles-ci sont soit très ajourées soit constituées d'un fil spiralé, c'est pourquoi elles ne constituent pas un obstacle "mécanique" au passage du flux électronique.
  • En continuant sur cette voie, il arrive un moment ou l'augmentation de Vg ne produit plus d'augmentation de Ia (intensité anodique), c'est la saturation, j'ai beau essayer d'accélérer les électrons,comme je n'en produis pas plus, il n' y en a pas plus qui percutent la plaque.

Voyons cela sur la caractéristique Ia f(Vg) (Courant anodique fonction de la tension grille):

Ci-dessous le tracé de la caractéristique d'anode en fonction de la tension grille cathode appliquée. On note quelques points remarquables comme à Vg=-35V , il n'y a plus de courant anodique, ce point s'appelle le cut-off, c'est le point de blocage du tube. On remarque également que le tube conduit quand la grille est au potentiel de cathode (Vg= Vk).
Cette caractéristique vous rappelle celle du transistor à effet de champ.

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Si nous augmentons la tension d'anode (ou tension plaque) que se passe t'il ?

Quand on augmente la tension plaque, on obtient, pour une même valeur de polarisation (càd de tension grille-cathode) un courant anodique plus élevé.
N'en déduisez toutefois pas qu'il suffit de faire grimper la tension plaque à une valeur infinie pour obtenir du courant car chaque tube fonctionne dans une plage qui est définie par le constructeur et qu'il est dangereux de sortir des limites.

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Les évolutions de la triode :

Vous connaissez maintenant le principe de fonctionnement des tubes à vide. Voyons pourquoi la tétrode et la pentode ont été créées.
La triode a un grave défaut (de conception, on ne peut pas faire autrement) qui est sa capacité inter-électrodes.

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La capacité totale notée Cpk (plate-cathode - Plaque -cathode) peut se scinder en deux capacités (c'est le théorème de Miller, pour mémoire) réparties entre la capacité Grille-Cathode   (Cgk)et la capacité Grille-Anode (Cpg)
La plus ennuyeuse est la capacité Cpg qui contre-réactionne l'amplificateur en ramenant une partie du signal de sortie vers l'entrée et en risquant en fonction de la phase du signal de provoquer de l'instabilité.
Tout ceci a conduit à la création d'un nouveau tube pourvu d'une quatrième électrode appelé Tétrode. (voir dessin en haut de page). La tétrode comporte une électrode supplémentaire qui est la grille "Ecran". Elle se situe entre la grille de commande et la plaque. Nous savons depuis que nous avons étudié les propriétés des condensateurs qu'un bon moyen pour réduire une capacité consiste à en mettre une seconde en série. C'est ce qui a été réalisé avec la tétrode, la capacité grille-écran plaque est en série avec la capacité grille de commande-grille écran.
La grille écran doit être polarisée, elle doit être à un potentiel inférieur à celui de la plaque sous peine de se transformer en anode , ce pourquoi elle n'est pas prévue et à un potentiel supérieur à celui de G1 sous peine d'interdire tout passage de courant et de se comporter comme une grille de commande. La valeur de la tension d'écran vous est fournie par le constructeur. La grille de commande est notée G1 et la grille écran G2.
Sur les amplificateurs de puissance, une sécurité évitant la destruction du tube est mise en place de manière à ce que si la tension plaque venait à disparaître pour une raison ou une autre, on interdise le fonctionnement du tube. Sans cette précaution, la grille écran drainerait un courant important en se substituant à la plaque non alimentée ce qui conduirait à sa destruction.
Dans une tétrode, la tension d'écran accélère considérablement les électrons ce qui produit un effet indésiré. Ces électrons accélérés vont percuter la plaque et transformer leur énergie cinétique en chaleur, cela c'est le fonctionnement normal. Or on s'aperçoit que certains de ces électrons provoquent une réémission d'électrons qui sont captés par la grille écran engendrant naturellement un courant. Ces électrons sont "perdus" pour la plaque ce qui réduit le gain et génèrent du bruit sur le signal utile.
La réponse apportée à ce problème consiste à insérer une nouvelle électrode (encore!) derrière l'écran, cette grille est appelée "suppresseuse", le tube est désormais appelé
pentode. Cette électrode est reliée au potentiel de cathode. Vous objecterez que ce potentiel est nuisible au bon fonctionnement de la plaque mais ce n'est pas le cas car elle est distante de la plaque, ce qui réduit d'autant le champ électrique et elle ne draine aucun courant.

Voilà pour ce qui concerne l'aspect "statique" des tubes, dans le prochain chapitre nous allons voir comment la triode est effectivement polarisée et comment elle amplifie. Ceci sera quasiment transposable à la tétrode et à la pentode.