La lampe radio ou tube électronique - F6KGL

Radio-REF Na 835 • 09/2010
fechnique
La lampe radio ou tube électronique
-n-marc RENAUD, F6DVC
Figure n° 1
Historique
La lampe radio n'a pas été l'œuvre d'un seul homme : de
nombreux physiciens du début du siècle derniery ont participé et ont travaillé sans cesse à son évolution.
Le tube électronique a disparu assez rapidement avec l'apparition des transistors, particulièrement pour les signaux
sasse fréquence et petite puissance, puis peu à peu la puissance des transistors a augmenté et ils ont supplanté le
:^be sauf toutefois dans les grosses puissances HF et plus
particulièrement dans les VHF, UHF et SHF où de nombreux
radioamateurs réalisent des amplis de puissance avec des
tétrodes CX250.... et triode GS35 sans parler de 2C39 (voir
photo) dans les UHF
Cet article est pour ceux qui n'ont pas connu, ceux qui ont
connu, voire peut-être ceux qui auraient dû connaître...
"sut expliquer des tubes électroniques en quelques lignes
est assez difficile. Pour commencer, en 1884, un inventeur
autodidacte, Thomas Edison, réalisa la première lampe à
incandescence d'éclairage avec un filament en carbone. Il
s'aperçut que le verre interne de l'ampoule noircissait. Il
cnercha donc des astuces pour éliminer ce phénomène. Il
ajouta dans l'ampoule une plaque de métal, espérant ainsi
siéger les particules sur cette surface. Il eut l'idée de relier
électriquement cette plaque à une tension positive et le
négatif au filament de carbone. Rien de probant ne se passa
si ce n'est qu' un jour, un intercalant un milliampèremètre
dans le circuit, il s'aperçut qu'un faible courant circulait et
qu'en inversant les polarités cela s'arrêtait. C'était la première fois qu'on faisait la démonstration qu'un courant
électrique « passait » dans le vide. Ce phénomène s'appela
l'Effet Thermoélectrique. Dès lors, ce type de lampe s'appela valve parce que le courant ne circulait que dans un sens.
En 1904, le scientifique,
A Fleming, stimulé par la découverte d'Edison, réussit à
expliquer le phénomène. Quand le filament est porté à
incandescence, il génère un nuage d'électrons gravitant
autour de celui-ci. La quantité d'électrons émise est aussi
fonction de la température du filament. Ces électrons peuvent être « transportés » jusqu'à la plaque appelée « anode »
par une tension positive appliquée à celle-ci, agissant ainsi
comme un courant porteur.
On peut expliquer ce principe par une analogie hydraulique.
Dans un vase en verre qui représente le corps de la lampe
contenant de l'eau, on chauffe cette eau, fonction du filament, cette eau se transforme en vapeur (électrons). Ceuxci sont attirés par la partie supérieure (anode) du vase percée d'un trou où grâce à une pompe (courant porteur) la
vapeur circulera au travers d'un débitmètre (milliampèremètre) pour revenir à la base du vase. On a ainsi réalisé un
circuit hydraulique s'apparentant à un circuit électrique.
Voir figure 1.
Cette lampe équipée de deux électrodes (le filament et la
plaque) fut appelée par le physicien Fleming "diode thermoélectronique", avec le filament comme cathode et la plaque
comme anode. Il a cherché à utiliser la fonction diode dans
la réception des signaux radio de l'époque, mais trop peu
sensible et trop onéreuse par rapport à la galène, elle ne fut
pas utilisée.
Pompe
représentant la
Haute tension
"Anode"
Vapeur d'eau
représentant les
électrons
Débitmètre
représentant le
Milliampèremètre
"Cathode"
Flamme
représentant le
Filament
Circuit thermo-hydraulique
analogie au circuit anodique
Ce n'est qu'en 1907 que cette diode devint intéressante
grâce au physicien américain Lee de Forest qui eut l'idée
d'intercaler entre la cathode et l'anode une autre électrode
en forme de grille pour laisser passer le courant, II espérait
ainsi pouvoir faire varier le « débit d'électrons » dans le
tube. Il réussit en appliquant une tension qu'il pouvait faire
varier. Cette polarisation de grille agissait sur le courant
anodique du tube. Si aucune tension grille n'est présente,
un courant anodique fixe parcourt le tube. Par contre, si l'on
applique une tension plus ou moins négative sur cette grille,
les électrons émis par le filament se verront repoussés car
de polarité identique. Dans ce cas, un courant anodique
inférieur sera constaté. Chaque petite variation de la tension grille entraîne une grande variation dans le circuit anodique. On aura compris ce tube à trois électrodes pouvait
remplir une fonction très intéressante : L'amplification. Cette
lampe à trois électrodes fut appelée « triode ».
Cette technologie nouvelle pour l'époque fut vraiment
exploitée dans les années 1916.
Une des premières difficultés d'utilisation des lampes fut les
tensions d'alimentation.
Très élevées pour les tensions anodiques mais de faible
intensité ; on était obligé de mettre en série un grand nombre de piles. Pour le filament, une basse tension était requise
aux environs de 4 volts. Plus tard une tension très standard
de 6,3 volts a été adoptée.
Cette tension de 4 volts était fournie par des accumulateurs
qu'on rechargeait régulièrement.
Quand l'électrification se fit plus générale, on eut l'idée d'abaisser cette tension, de la redresser et de la filtrer ; malgré
tout un ronflement persistait du fait du reste de tensions
« alternatives » appliquées sur le filament. On eut donc l'idée
de ne plus se servir du filament comme cathode, mais d'entourer celui-ci d'un petit tube recouvert d'oxyde de baryum
qu'on chauffait par le filament.
Ce tube présentant un isolement par rapport au filament et
une inertie thermique supérieure, le ronflement disparut.
18
RadioflEF N= 835 - 09C010
tahmcue
Puis sans cesse on a cherché à améliorer le fonctionnement
de cette triode. On ajouta une autre grille, elle fut appelée
« tétrode », vint ensuite la « pentode » qui permit une très
forte amplification tant basse fréquence que haute fréquence.
Il y eut aussi « l'hexode, l'heptode » et l'octode », sans parler
de l'idée qu'on eut de mettre dans un même tube la combinaison de deux triodes par exemple pour ceux qui se rappellent : ECC84 ( voir photo 1) une triode et une pentode :
ECH81, etc. Bien sûr cela n'a pas été aussi simple
qu'il y paraît : il a fallu faire face aux capacités parasites créées entre les différentes électrodes,
aux tensions d'isolement.
Anode
.
Prenons I exemple
de la pentode.
Pour amplifier des signaux radio très faibles,
. il était nécessaire de disposer d'un tube capable d'amplifier plusieurs milliers de fois le
signal. Pour obtenir ces conditions, on a d'abord pensé à rapprocher le plus possible la
grille de la plaque, mais force est de constater
qu'on constitua un magnifique condensateur qui
permet au signal de grille de passer directement à l'anode,
provoquant des auto-oscillations parasites. Certains
électrons, en rebondissant sur la plaque, retournaient à la
grille, provoquant un flux anodique très désordonné. Pour
éliminer cette instabilité et réduire les capacités parasites,
on a donc éloigné ces électrodes pour insérer entre elles
deux nouvelles grilles, une grille dite "de suppression", placée entre la grille de commande et la grille écran, celle-ci
étant, elle placée, entre la grille de suppression et l'anode.
La grille « écran » matérialisée par une large spirale n'empêche pas le passage des électrons.
Raccordée à un pôle positif, outre sa fonction électrostatique entre la grille de contrôle et l'anode, elle attire avec
son potentiel positif les électrons négatifs issus de la cathode, accélérant ainsi le flux, donc le gain du tube s'en trouve
considérablement amélioré. La grille de suppression raccordée à une tension négative contribue à diminuer la capacité résiduelle entre la grille et l'anode et collecte les
électrons rebondissant sur la plaque à cause de leur grande
vitesse, pour les mettre à la masse. La pentode, ayant un
coefficient d'amplification très élevé, fut utilisée dans les
récepteurs radio comme préarnplificatrice d'antenne, dans
les amplificateurs moyenne fréquence et dans les amplificateurs basse fréquence. Il existait plusieurs modèles dont
les célèbres EF80, EF89, etc.
Nous avons parlé des tubes radio à vide, c'est-à-dire des
tubes où règne une pression interne de 107 mm de mereure.
Il existait aussi des tubes à gaz, principalement des valves
à vapeur de mercure ou à l'argon, des tubes régulateurs de
tension, type OB1 et OB2. Ce type de tube ne sera pas développé dans ce petit article. Vous trouvez dans cet article une
série de photos des différentes électrodes d'une double triode, qui ont subit un traitement de « choc » afin de pouvoir
les prendre en photo : le filament, la cathode recouverte de
baryum, la grille de commande, la l'anode ; tant dans leur
emplacement, que dans leurs dimensions.
E
Anode
Principe de fonctionnement :
Pour ce faire, nous allons prendre l'exemple de la triode.
On réalise le branchement suivant le schéma N° 1. Une alimentation de 6,3 volts sur le filament permettant le chauffage de la cathode et l'émission d'électrons ; une tension anodique. On connecte, sur la grille de la triode, le curseur d'un
potentiomètre alimenté par une tension négative à partir de
deux piles en série de 1,5 volts chacune soit 3 volts.
Le curseur en position médiane nous permet d'obtenir un
courant anodique de 4 mA par exemple.
Schéma n° 1
Tournons maintenant le potentiomètre de façon à obtenir
une tension la plus négative possible, schéma 2, soit - 3
volts.
Avec cette tension négative sur la grille les électrons sont
repoussés vers la cathode et l'on ne mesure plus qu'un courant de 3 mA.
Filament
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technique
La polarisation de la grille
Tournons dans le sens inverse, schéma 3, le potentiomètre,
la tension devient plus positive, les électrons sont attirés par
l'anode et le courant augmente soit 5 mA.
Jusqu'à présent, nous avons obtenu une tension de grille à
l'aide d'une pile mais dans la vraie vie ce n'est plus le cas.
On utilise un artifice, à savoir d'insérer entre la cathode et la
masse une résistance de la bonne valeur, dans le but de
créer une chute de tension proportionnelle à la valeur du
courant anodique en fonction du tube utilisé. Ce courant
s'appelle le courant de repos. Dans notre exemple, nous
avions -1 volt et un courant de 3 mA : on peut facilement calculer la valeur de la résistance en appliquant R=Vg / Ip soit
1 / 0,003 = 333 ohms soit une valeur standard de 330 ohms.
De plus, pour éviter les variations de tension lorsque le tube
fonctionne, on place en parallèle sur la résistance un
condensateur qui élimine les variations du signal alternatif
et stabilise cette tension. Si l'on mesure avec un voltmètre a
très haute impédance, pour ne pas fausser la mesure, on
trouvera entre la résistance et la masse une tension de 1 volt
positif et entre la grille et la masse 0 volt. Par contre, entre
la grille et la cathode, on obtiendra 1 volt négatif. Dans les
montages à tubes, il faut garder à l'esprit que les valeurs
sont relevées en prenant la cathode comme référence et
non pas la masse.
Schéma n° 3
Les caractéristiques statiques
des tubes électroniques
Les principales caractéristiques qui définissent une lampe
radio de la triode à l'octode sont :
Maintenant, imaginons que la tension de polarisation soit
de -1 volt et que nous appliquions un signal sinusoïdal de
tension 2 volts crête à crête. On constate que pendant la
demi-période négative, nous avons - 1 volt;, qui viendra
s'additionner à la tension de polarisation soit -1volt + - 1
volt = -2 volts, soit un courant de 2,5 mA. En présence de la
demi-période positive soit + 1 volts et de la tension de polarisation -1 volt, cela nous donne + 1 volt et -1 volt = 0 volt et
un courant anodique de 3,5 mA. Bien, sûr ceux qui-sont
habitués à travailler avec les transistors bipolaires comprennent ce que représente une variation de 2 mA, seulement un tube électronique ne fonctionne pas en courant
mais en tension.
Imaginons maintenant que notre tension anodique est de +
250 volts et que le circuit anodique est chargé par une résistance de 47000 ohms. En application de la loi d'Ohm, on
obtient donc une chute de tension aux bornes de la résistance de : U=RI. Dans le cas de 3 mA : U= 0,003 x 47000= 141
volts et sur la plaque on mesurera 250 - 141 = 109 volts.
Dans le cas du signal sinusoïdal, nous avons obtenu 2,5 et
3,5 mA. Avec 2,5 mA U = 0,0025 x 47000= 117,5 volts et pour
3,5 mA : U= 0,0035 x 47000= 164,5 volts. La variation sur la
plaque est de 164,5-117,5= 47 volts pour une variation de
tension de 2 volts sur la grille.
On peut en déterminer l'amplification qui est de 47/2 = 23,5 fois
La résistance interne
Si l'on fait varier la tension de plaque d'une valeur v, il s'ensuit une variation i du courant de plaque i. Ces deux valeurs
sont liées par la relation : q = v / i où q est la résistance interne
du tube
Le coefficient d'amplification : K
Dans un tube donné, une variation u de la tension grille produit le même effet sur le courant d'anode qu'une variation v
de la tension d'anode. Cette variation v et K fois plus grande que u (v=K x u). Donc le rapport d'amplification K est
défini par le rapport K = v / u
La pente ou conductance : S
La pente S est le rapport de la variation i du courant anodique à la variation u de la tension grille qui la produit. En
clair, pour mesurer S, on fait varier le potentiel de grille de
u volts et l'on observe la variation de i du courant de plaque
soit S = i / u. La pente se mesure en mA par volt (mA/V)
Ces caractéristique sont données par le fabriquant.
Caractéristiques
Tension anodique maximum
Tension grille négative
Courant de repos plaque
Courant plaque maximum
Facteur de gain
Résistance interne
Pente S
Puissance sortie plaque
ECC82/ 12AU7
250V
-8,5V
1,6 mA
ECC83/12AX7
250V
-2,5V
17
0,48 mA
8 mA
100
7700 ohms
62500 ohms
2,2 m A / V
2,75 W
1,6 m A / V
1,OW
20mA
Quittons un peu la HF et passons à la BF
Caractéristiques
EL 34
Tension anodique maximum
Courant plaque maximum
Tension grille écran
Courant grille écran
Tension grille G1
Amplitude signal d'entrée
Résistance interne
PenteS
Impédance de charge
Puissance sortie plaque
250V
80 mA
265 v
15 mA
-13,5V
8,7V
17000 ohms
12,5 m A / V
2000 ohms
12W
EL84
250V
48 mA
250V
5,5 rnA
-7,5V
4,3V
38000 ohms
11,3 m A / V
4000 ohms
6W
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La pentode de puissance en étage final
Dans un amplificateur BF, il faut transmettre la puissance
développée par le tube de puissance de sortie à un haut-parleur. L'impédance de charge d'un tube est très élevée, plusieurs milliers d'ohms, exemple EL34 : 2000 ohms et 4000
ohms pour une EL84 par rapport à un haut-parleur de
quelques ohms : de 4 à 16 ohms en général.
Ce transfert d'énergie se fait par l'intermédiaire d'un transformateur de sortie. De lui va dépendre en grande partie la qualité
de l'amplificateur ; son circuit magnétique doit être correctement dimensionné, avec des tôles de qualité pour éviter la
saturation et laisser une bonne bande passante. Pour
connaître le rapport du nombre de spires entre le primaire et
le secondaire, donc son adaptation d'impédance, il suffit de
diviser la racine carré de l'impédance du tube par la racine
carrée de celle du haut-parleur. Exemple : avec une impédance de 2000 ohms et 8 ohms, le rapport est de 15,8 fois.
Si ces données ne sont pas respectées, vous aurez un mauvais
rendement.
La distorsion est aussi une qualité primordiale dans un
amplificateur. Elle peut être due à une transformation du
signal d'entrée sinusoïdal en un signal plus ou déformé. Il
peut s'agir aussi d'harmoniques non désirables qui altéreront la qualité du signal en sortie. Il faut savoir qu'un amplificateur à tube génère des fréquences harmoniques paires
par rapport à la fondamentale. Le son restitué sera plus
moelleux. La note sera identique, mais dans une octave
supérieure. La note LA =110 Hz, harmoniques 220 et 440 Hz ;
c'est toujours un LA mais en octave supérieure. Dans un
amplificateur à transistor, ce sont les harmoniques impaires
qui sont générées, cela donne en sortie pour un LA à 110 HZ
l'harmonique 330 Hz, note Ml désaccordée, etc. Cela donne
un son plus désagréable. Toutefois l'oreille humaine ne
détecte une distorsion de ce type qu'avec niveau de plus
10% ; sachant que pour les amplis à tubes on tolère 2%, et
0,5 % pour les amplis à transistors.
Quelques formules utiles
Calcul de la résistance de cathode pour la tension de polarisation grille
•R=Ug/lp :
où R est la valeur de la résistance à insérer entre la cathode
et la masse. Ug est la tension à appliquer à la grille et Ip est
le courant de plaque au repos.
Pour calculer la puissance dissipée par la résistance de polarisation
* P=lp2 x Rc :
où Ip est le courant de plaque et Rc est la résistance de cathode
Calcul du gain G d'un tube
*G=PtxRi :
où Pt est la pente du tube et Ri la résistance interne du tube
En souhaitant que cet article ait pu faire revivre des instants
nostalgiques et pour les non connaisseurs amener une autre
corde à leur arc.
Bibliographie :
Emission réception de Raffin
Revue Haut-parleur
Souvenirs de l'auteur
o
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Rheintal Electronica 2010
Ce salon fête son 19éme anniversaire le samedi 23 octobre
2010, de 9 à 16 heures, au «Hardt-Halle» de Durmersheim
(situé sur la frontière franco-allemande entre Rastatt et
Karlsruhe). Il y sera question de tout ce qui concerne la
radio, l'informatique et l'électronique.
L'accès sera balisé depuis les sorties «Karlsruhe-Sùd» et
«Rastatt» de l'autoroute A5. La station DFORHT se chargera d'un radioguidage sur la fréquence 145,500 MHz.
Une navette gratuite circulant entre le parking et le hall
sera à la disposition des visiteurs.
Sur une surface d'environ 2.500 m2, professionnels et
particuliers d'Allemagne et d'autres pays proposeront
une gamme variée de produits neufs ou d'occasion :
matériel radioamateur, postes CB, antennes, ordinateurs
et leurs périphériques, logiciels, composants, livres et
accessoires. Ce salon donne chaque année à plus de
3.000 visiteurs la possibilité de s'approvisionner en
matériel bon marché ou de trouver des informations de
bonne source, La cafétéria sera le bon endroit pour faire
la connaissance de gens sympathiques et pour échanger
des idées.
Diverses associations et groupes de travail présenteront
des informations sur les tranceivers et ordinateurs et
leurs domaines d'application. Dans le bâtiment scolaire
adjacent sont prévus des exposés sur les domaines de la
radio et de l'informatique, s'adressant soit aux débutants
soit aux initiés.
Pendant toute la Journée les visiteurs disposeront de tout
un éventail d'événements non techniques complémentaires.
Pour tous renseignements, s'adresser à :
Rheintal Electronica
Postfach 41
D - 76463 Bietigheim/Baden
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