Tubes - Site Maintenance in progress

Cours de radioamateur
en vue de l'obtention de la licence complète HAREC +
Annexe du Chapitre 2 : Les tubes – p 1/38 – 27/09/2009
 2001-2009 - Pierre Cornelis, ON7PC
Chapitre 2 : Les composants
par Pierre Cornélis, ON7PC rue J. Ballings, 88 1140 Bruxelles
Annexe 1 : Les tubes électroniques
Le programme HAREC dit connaissance sommaire des tubes à vides … mais que veut dire "sommaire" ?
Suffit-il de dire que lorsque la cathode est chauffée elle libère des électrons, que si l'anode est portée à un
potentiel positif elle va capter ces électrons et que si une grille est placée sur le chemin des électrons celle-ci
va permettre de réguler le flux des électrons. Suffit-il de savoir qu'une diode comporte deux électrodes,
qu'une triode en comporte trois, qu'une tétrode quatre et qu'une pentode cinq …Suffit-il de connaître le nom
de ces électrodes pour affirmer que nous avons les connaissances sommaires nécessaires?
Nous ne le pensons pas, et nous sommes convaincu que si vous utilisez des amplificateurs à tubes, il faut
bien plus que cela ! Bien plus cela veut dire au moins ce qui va suivre dans cette annexe.
a n o d e
A
c a t h o d e
Kf i l a m e n t
g r i l l e d e
c o m m a n d e
G 1
g r i l l e
é c r a n
G 2
g r i l l e
d ' a r r ê t
G 3
K K
K
A
A
A
G 1
G 1
G 2
d i o d e t r i o d e t é t r o d e p e n t o d e

Cours de radioamateur
en vue de l'obtention de la licence complète HAREC +
Annexe du Chapitre 2 : Les tubes – p 2/38 – 27/09/2009
 2001-2009 - Pierre Cornelis, ON7PC
1. Généralités
Peu de temps après l'invention des postes à galènes, l'invention des tubes va donner un réel départ à la
radio avec l'amplification.
En 1883 Edison, invente la diode à vide (ou 'valve'), il découvre qu'une cathode chauffée dans un tube où on
a fait le vide s'entoure d'un nuage d'électrons, et, si on place dans ce tube une "plaque", les électrons sont
attirés vers celle-ci, si elle est portée à un potentiel positif par rapport à la cathode, il circule alors un courant
dans le tube.
En 1907, Lee de Forest a l'idée de placer entre la cathode et la "plaque", une plaque trouée ou "grille" pour
contrôler le flux d'électrons et ainsi naît la triode...
Les tubes, les "postes à lampes", les amplis BF à tubes, les amplificateurs HF et les oscillateurs à tubes font
partie de l'époque "héroïque" de la radio et de l'électronique, toutefois lorsqu'il s'agit de produire de l'énergie
HF à forte puissance (disons plus de 1000 Watts), les tubes sont encore fortement utilisés. Dans le domaine
d'application des tubes cathodiques de moniteur ou d'oscilloscopes, les "tubes" restent des composants
fortement utilisés.
D'une part, les radioamateurs qui utilisent "une certaine puissance" utilisent généralement des tubes, il est
donc intéressant de savoir comment fonctionnent les tubes et les amplificateurs à tube, mais d'autre part ce
chapitre ne constitue plus réellement une partie de la matière dont la connaissance est indispensable.
Il existe des triodes, des tétrodes, et de pentodes. Mais pour réaliser un amplificateur à tube on n'utilise pas
de pentodes, parce que ????.
Les tétrodes quand à elles fournissent un plus grand gain, mais posent des problèmes de stabilité (plus le
gain est élevé, plus le risque d'accrochage et d'oscillation est grand) et de plus il faut deux hautes tensions
(une pour l'anode et une pour la grille écran) et la disparition de la tension d'anode conduit à la destruction
de la grille écran, sauf bien sûr, si on incorpore un circuit de protection efficace.
Les tubes seront étudiés en tant que composants (le chapitre 2 du cours HAREC) mais aussi en tant que
circuit (le chapitre 3 du cours HAREC).
Mais commençons par le tube électronique élémentaire, la diode …

Cours de radioamateur
en vue de l'obtention de la licence complète HAREC +
Annexe du Chapitre 2 : Les tubes – p 3/38 – 27/09/2009
 2001-2009 - Pierre Cornelis, ON7PC
2. La diode
La diode à vide est le plus simple et le plus ancien des tubes électroniques. Il a permis d'étudier l'émission
d'électrons par des corps incandescents et de mettre au point les différents types de cathodes. La diode
constitue le point de départ de nombreux autres tubes.
2.1. L'émission thermoélectronique
En 1883, Thomas Edison, en étudiant les
premières lampes électriques à
incandescence, y introduisit une plaque
métallique (P) et fit les constatations
suivantes :
 le courant I est dirigé, dans le vide, de la
plaque vers le filament (F) chauffé (sens
conventionnel du courant du + vers le -)
 le courant I disparaît si la plaque est
négative par rapport au filament,
 le courant I disparaît aussi, si l'on cesse
de chauffer le filament.
Du fait que ce montage ne laisse passer le courant que dans un seul
sens, on l'a bien vite assimiler à une soupape, la diode est d'ailleurs
parfois appelée "valve" en anglais, et certains auteurs ont même utilisé
le terme "soupape".
Edison montra ainsi qu'un filament incandescent émet autour de lui des
charges négatives qui atteignent une plaque à travers le vide de
l'ampoule. Cette expérience fut confirmée par J.J. Thomson en 1892, et
en 1901 Richardson identifia ces charges négatives à des électrons.
Si on supprime la source de tension, la plaque et le filament sont au même potentiel, on constate toutefois
l'existence d'un courant beaucoup plus petit que si l'anode est positive, mais de même sens. Par conséquent
on peut dire que l'émission d'électrons n'est pas due à l'attraction des électrons par la plaque.
On peut faire une autre expérience, c.-à-d. maintenir la tension de la plaque constante et faire varier le
courant de chauffage: on constate alors que le courant anodique varie avec la température du filament.
L'émission d'électrons est donc due à la température du filament c'est pourquoi on l'appelle émission
thermoélectronique.
Les premières expériences étaient faites à partir de lampes à incandescence, mais pour atteindre des
rendements élevés sans destruction du filament on est conduit à utiliser d'autres matériaux. On emploie
presque exclusivement le tungstène, le tungstène thorié (tungstène avec 1 à 2% d'oxyde de thorium) et des
mélanges d'oxydes de baryum et de strontium.
+++++ +++++
+++++
a m p o u l e d e v e r r e
PF
I
c i r c u i t d e c h a u f f a g e
+++++
+++++
I
é l e c t r o n s
a
r h é o s t a t

Cours de radioamateur
en vue de l'obtention de la licence complète HAREC +
Annexe du Chapitre 2 : Les tubes – p 4/38 – 27/09/2009
 2001-2009 - Pierre Cornelis, ON7PC
Les faits précédents ont permis d'élaborer une théorie dont voici les grandes lignes :
 dans un métal, même électriquement neutre, il existe un grand nombre d'électrons libres qui s'agitent
entre les ions positifs à la façon des molécules d'un gaz.
 lorsqu'un électron sort du métal, les ions positifs voisins
exercent une force de rappel sur cet électron. Le travail de
cette force est appelé travail d'extraction, il varie en
fonction du métal et est indépendant de la température. Le
travail d'extraction est l'énergie minimale qu'il faut
communiquer à l'électron pour qu'il puisse être arraché du
métal, donc pour qu'il puisse quitter le métal. Le travail
d'extraction du tungstène (W) est de 4,5 eV
1
, celui du
tungstène thorié est de 2,7 eV.
 à température ordinaire, la vitesse d'agitation thermique
des électrons est trop faible pour pouvoir quitter le métal.
Mais cette vitesse d'agitation thermique croît extrêmement
vite avec la température. A température élevée les
électrons possèdent donc une énergie cinétique qui peut
dépasser le travail de sortie : il peut y avoir émission thermoélectronique.
 le potentiel de sortie peut être considéré comme la différence de potentiel de contact métal-vide. Le métal
est positif par rapport au vide situé à son voisinage immédiat. On dit encore qu'il existe à la surface du
métal une barrière de potentiel que les électrons doivent franchir pour quitter le métal.
métal
Li
Na
K
Cs
Ca
Ba
Mg
Al
Zn
Fe
Ni
Mo
Hg
Ag
Au
Ws (en eV)
2,2
1,9
1,8
1,8
3,2
2,4
3,5
3,0
3,4
4,7
5,0
4,4
4,5
4,7
4,9
Puisque nous avons parlé de l'histoire, nous avons conservé le terme "plaque", mais comme la plaque est
portée à un potentiel positif on préfère utiliser un terme plus scientifique : l'anode. L'autre électrode est par
conséquent la cathode, et on peut distinguer deux cas :
 soit le filament qui sert en même temps d'électrode négative, c'est en fait la cathode à chauffage direct,
 soit le filament peut chauffer un autre métal qui lui-même émettra les électrons, on parle alors de
cathode à chauffage indirect.
2.2. La courbe caractéristique de la diode
En faisant varier la tension d'anode et en mesurant
le courant d'anode, on peut tracer la courbe
caractéristique d'une diode, c'est-à-dire la courbe Ia
(Va).
Si maintenant on trace la même courbe pour un
courant filament plus important, on constate que la
première partie de la courbe reste commune. Donc
pour des tensions faibles, le courant ne dépend
pas de la température, il dépend seulement de la
tension anodique. Dans cette zone, le courant suit
la loi de Child-Langmuir :
Ia = G Va 3/2
où G est une constante appelée pervéance et est une caractéristique de la géométrie de la diode.
1
L'électron-volt est l'énergie communiquée à l'électron par une tension d'accélération d'un volt : 1 e V = 1,6 10-19 joule.
+ +
+
+
+
+ +
+
+
+
+ +
+
+
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+
+
+ +
+
+
+
+ +
+
+
+
i m a g e d e
l ' é l e c t r o n é m i s
+ e - e
d
s u r f a c e
d u m é t a l
F
v i d em é t a l
l o i d e
R i c h a r d s o n -
D u s h m a n n
2 3 0 0 ° C2 3 0 0 ° C
2 2 0 0 ° C
2 1 0 0 ° C
I sI s
V aV a
I aI a
l e c o u r a n t I a
d é p e n d d e V a
l e c o u r a n t I a
d é p e n d d e V a
l e c o u r a n t I a d é p e n d d e
l a t e m p é r a t u r e d e l a c a t h o d e
l e c o u r a n t I a d é p e n d d e
l a t e m p é r a t u r e d e l a c a t h o d e
100 V
2 0 m A
l o i d e
C h i l d - L a n g m u i r

Cours de radioamateur
en vue de l'obtention de la licence complète HAREC +
Annexe du Chapitre 2 : Les tubes – p 5/38 – 27/09/2009
 2001-2009 - Pierre Cornelis, ON7PC
Si la tension anodique est faible, l'anode capte seulement une partie des électrons émis; les autres
retournent dans la cathode, tandis que d'autres électrons en sortent au même instant. Il existe constamment
entre la cathode et l'anode un essaim d'électrons. Cette charge négative est appelée la charge d'espace.
Les courbes caractéristiques Ia (Va) montrent que le courant n'augmente plus lorsque la tension anodique
dépasse une certaine valeur : la diode fonctionne alors en régime de saturation. Le courant de saturation
correspond au nombre total d'électrons émis par la cathode par seconde, c.-à-d. au pouvoir émissif de la
cathode.
La résistance interne d'une diode est représentée par l'inverse de la pente de la caractéristique et varie avec
le point de fonctionnement choisi : Ri = Va /  Ia
2.3. Rôle de la température
Donnons à Va une valeur fixe assez grande et faisons varier la température de la cathode. Traçons Is en
fonction de If On constate une rapide variation de l'émission thermoélectronique en fonction du chauffage If.
Il pourrait sembler avantageux de faire travailler les cathodes à la température la plus élevée permise par
leurs propriétés mécaniques et physiques (fusion, émission de vapeur) afin d'obtenir un fort pouvoir émissif.
Mais la durée de vie varie en raison inverse de la température.
Une faible variation de température provoque une importante variation de l'émission et de la durée de vie du
tube : la tension de chauffage indiquée par le constructeur doit être respectée avec une tolérance de  5%.
Les cathodes les plus avantageuses ne sont pas nécessairement celles qui possèdent le travail d'extraction
le plus faible.
Richardson et Dushmann ont établi l'équation de la courbe qui donne la densité du courant d'émission :
Js = A T² e-b/T
avec Js la densité du courant en A/cm²
A une constante universelle (120 A/ cm² (°K)²)
T la température absolue de la cathode
e la base des logarithmes népériens ( e = 2,718...)
b constante caractéristique de la nature de la cathode
T la température absolue de la cathode.
Cette loi est la base fondamentale de l'émission thermoélectronique.
2.4. Les types de cathodes
Les tubes à cathode chauffée constituent la catégorie la plus nombreuse des tubes électroniques (soupape
à vide et à gaz, tubes amplificateurs et oscillateurs, thyratrons, tubes à rayons cathodique, etc.).
Les propriétés de ces tubes dépendent fortement de leur cathode. Il en est de même de leur durée de vie ;
ils sont mis hors service par une baisse notable de leurs performances due à l'affaiblissement progressif de
l'émission.
Une cathode doit avoir un pouvoir émissif élevé, avoir une durée de vie suffisante, un bon rendement
(nombre d'ampères émis par watt dépensé pour le chauffage), une résistance mécanique élevée, une
résistance aux bombardements par les ions positifs, une très faible tension de vapeur afin de ne pas
contaminer les autres électrodes.