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Cours de radioamateur
en vue de l'obtention de la licence complète (HAREC +)
LES TUBES ELECTRONIQUES - 2.8.1 - 06/09/03
Les composants
8. Les tubes électroniques
8.1. Généralités
Rappel historique
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 nait 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.

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LES TUBES ELECTRONIQUES - 2.8.2 - 06/09/03
8.2. 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.
8.2.1. 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.
Les faits précédents ont permis d'élaborer une théorie dont voici les grands résultats :

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LES TUBES ELECTRONIQUES - 2.8.3 - 06/09/03
• 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, celui du tungstène thorié est de 2,7 eV.
Rappel : 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
• 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.

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LES TUBES ELECTRONIQUES - 2.8.4 - 06/09/03
8.2.2. La courbe caractéristique de la diode
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.
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
8.2.3. 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 :

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LES TUBES ELECTRONIQUES - 2.8.5 - 06/09/03
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.
8.2.4. 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.
A b Vs (V) t° (°C) Js
(A/cm²) rendem ent
(A/W)
usage
tungstène ≈ 60 5260
0 4,4 à 4,6 2200 à 2400 1 0,005 diodes et triodes à haute tension ou de
grande puissance.
tubes à rayons X.
durée de vie 1000 à
1500 heures
tungstène
thorié 3 à 15 3050 0 2,6 à 2,9 1500 à 1700 2 0,07 Tubes de moyenne puissance. durée de
vie de 10.000 heures.
cathodes à
oxydes 10-3 à 1 1160 0 0,8 à 1,2 700 à 950 0,5 0,2 Tubes de petite puissance et à faible
tension. Radio,
amplificateurs,...
Tubes à gaz à cathode
chauffée
cathodes à
diffusion 1 à 15 1,6 à 2 1000 à 1200 300 (en
impulsions)
10 Tubes modernes pour
hyperfréquences.
Tubes de puissance.
La figure ci-dessous représente quelques types de cathodes :
• une cathode de tungstène en (a)
• une cathode à oxydes (BaO, SrO, CaO) à chauffage direct en (b)
• une cathode à oxyde à chauffage indirect en ( c)