La lampe

Dans le domaine de la radio et de la basse fréquence, les inventions de la diode à vide et de la triode sont deux grandes des révolutions qui ont bouleversé le monde au début de ce siècle.

Aujourd’hui encore et malgré la révolution du transistor et du circuit intégré, les tubes à vide trouvent de nombreuses applications irremplaçables par de nouvelles technologies.

1. Le Vide

Bien avant l’élaboration de la lampe à incandescence par Thomas Alva Edison en 1878 puis de la découverte de « l’effet Edison » par celui-ci en 1882, divers travaux concernant les phénomènes électroniques, électriques et électromagnétiques se manifestant dans le vide furent effectués.

Pour effectuer ces travaux, il fallait avoir des pompes ou des machines permettant d’obtenir un vide poussé.

2. L’électron

C’est en 1859 que l’on fit la découverte du « nuage électronique » émis par une cathode chaude dans un milieu vide d’air. Ce rayonnement lumineux avait été mis en évidence lors d’une expérience qui consistait à interposer une plaque dans ce nuage et à constater l’ombre formée par cet obstacle sur la paroi interne de l’ampoule de verre.

3. Les diodes à vide

Après la découverte de l’existence des ondes « radio » par Heinrich Hertz (1857-1894) et suite aux travaux sur les phénomènes d’induction mutuelle, sur les circuits oscillants et le rayonnement magnétique, la télégraphie sans fil et la radio vont apparaître. Edouard Branly (1844-1940) en est un pionnier.

L’histoire de la détection commence avec les détecteurs à carborandum, le détecteur à galène (sulfure naturel du plomb). Venait ensuite la mise au point du « cohéreur » par Edouard Branly. Le cohéreur utilisait l’effet redresseur offert par une poudre métallique (argent + nickel) placée entre deux électrodes de platine.

Redresseur ancien. dit « cohéreur », détecteur proposé par Edouard Branly (1844-1940)

Thomas Alva Edison a mis au point la lampe à incandescence en Octobre 1879. Il avait remarqué le noircissement rapide de l’intérieur de l’ampoule en verre.. Il constata que pour un degré de vide déterminé, il se produisait à l’intérieur de l’ampoule un nuage lumineux de couleur bleue.

Dans le but d’atteindre ce noircissement vers un point précis de l’ampoule, il place sur celle-ci une feuille d’étain et constate le passage d’un faible courant entre le filament et cette feuille. En plaçant cette fois une plaque métallique à l’intérieur de l’ampoule, il remarque le passage d’un courant encore plus important, dépendant d’ailleurs de la tension appliquée aux bornes du filament.

C’était la découvert de « l’effet Edison ». Edison venait d’inventer la diode à vide. Le filament étant alimenté en continu, Edison se rendit compte qu’un faible courant passait entre la plaque et le pôle + du filament. Par contre, aucun courant ne passait entre la plaque et le pôle - du filament.

En 1903, Sir John Ambrose Fleming (1849-1945) établi que l’effet Edison était aussi un effet redresseur, lequel était encore présent même lorsque le filament était alimenté par un courant alternatif ; la première diode à vide était née : la diode de Fleming. C’est en quelque sorte la lampe à incandescence d’Edison, don le filament porté à moins haute température, possède un pouvoir émissif plus important, autour duquel vient se placer une plaque de forme cylindrique.

Le principe de la diode à grille interposée entre le filament et la plaque permettait, grâce à une polarisation variable de la grille par rapport au filament, de contrôler le courant plaque, de faire varier celui-ci de façon continue ou alternative. La première application était donc l’amplification basse fréquence, selon le brevet déposé par Lee de Forest en 1906.

Si l’invention de la triode elle-même ne semble représenter que peu de chose (ce n’est rien d’autre qu’une diode de Fleming munie d’une troisième électrode interposée), ce sont surtout les possibilités nouvelles auxquelles on pouvait désormais accéder qui font d’elle une grande invention ; il devenait possible d’amplifier des signaux de basse ou de haute fréquence, de réaliser des circuits oscillateurs divers, des émetteurs radio, de trouver de nombreuses applications (militaires, industrielles, télécoms...)

Le tube triode réunissait sur une embase quatre broches à fixation par baïonnette, les quatre connexions nécessaires : deux pour le filament , une pour la grille et une pour la plaque.

Sur les tubes, on remarque que le vide est effectué à la partie supérieure , là ou se trouve, lors de la fabrication, un rétrécissement appelé queusot se terminant par un mince tube relié à la pompe à vide. Plus tard, on mettra à profit l’embase rapportée pour y placer le queusot long de 1 à 2 cm.

Deux types de queusots , placés soit à la partie supérieure du bulbe, soit à la base de celui-ci permettant d’effectuer le vide à l’intérieur des lampes et des tubes électroniques

Pour la diode comme pour la triode, le filament (qui est aussi la cathode dans le cas du réchauffement dit « direct ») peut être aussi bien alimenté en courant continu qu’en courant alternatif, pourvu que le métal constituant le filament soit porté à une température favorisant au mieux l’émission électronique. On alimentait toutefois en continu les filaments des tubes des premiers montages oscillateurs et amplificateurs.

Pour tous les tubes à vide, diode, triode, pentode, etc., le potentiel de référence est celui de la cathode, ou du filament, dans le cas d’un chauffage direct. En introduisant entre la cathode et la plaque une grille, on provoque une sorte d’«ombre électronique» dans le passage des électrons émis par la cathode et se dirigeant vers la plaque.

Ainsi, même en l’absence de tension plaque, le « nuage électronique » émis par la cathode suffit pour que la plaque et même la grille captent un certain nombre d’électrons provoquant, entre ces électrodes et le filament, le passage d’un courant très faible mais néanmoins mesurable : c’est « l’Effet Edison ».

C’est en appliquant une tension positive sur la plaque, par rapport à la cathode, que celle-ci va attirer les électrons de charge négative, provoquant le déplacement en sens unique, c’est le principe même de la diode à vide.

Si on applique sur la grille interposée une tension négative (le filament, ou cathode étant toujours pris comme référence), celle-ci, en raison de sa polarité de même signe que celle des électrons, va repousser ceux-ci, ou freiner leur passage vers la plaque . En augmentant la valeur de la tension négative appliquée à la grille, le courant diminuera progressivement pour atteindre finalement l’état de blocage, de coupure appelé « cut-off ».

Il se crée dans ce cas autour du filament une sorte de « nuage électronique » appelé aussi charge d’espace. Non polarisée, la grille laisse passer librement les électrons, sa surface étant très faible, par rapport à celle de la plaque.

Bien que la triode, dans son fonctionnement habituel, ne soit pas étudiée pour travailler avec une polarisation positive de la grille, ce type de polarisation (utilisé en classe C sur des montages émetteurs et provoquant un certain courant grille) produit une attraction, un effet d’accélération des électrons, lesquels sont également attirés par la plaque.

Pour la diode comme pour la triode, les fonctions de transfert ne sont pas conformes à la loi d’Ohm. Les caractéristiques principales du tube à vide sont :

Þ de la surface, de la forme, du pouvoir émissif et de la température de la cathode (ou du filament dans le cas d’un chauffage direct)

Þ de la surface de la plaque, de la forme et des dispositions géométriques de celle-ci par rapport à la grille et à la cathode

Þ des rapports de distance cathode / grille, grille / plaque et cathode / plaque

On peut donc, en maintenant la tension plaque constante, faire varier le courant plaque en jouant sur la distance cathode / plaque, en faisant varier le pas de la grille, en modifiant le pouvoir émissif de la cathode (surface, température, constitution de celle-ci, tension et courant du chauffage). Inversement, on peut maintenir la polarisation de grille constante et faire varier le courant plaque en jouant sur la tension plaque.

Les tubes diodes comme triodes, à chauffage direct ou indirect sont équipés de filaments qui doivent être alimentés sous des tensions prédéterminées, le filament porté à sa température normale de fonctionnement déterminant sa résistance équivalente ainsi que le courant traversant celui-ci. Tension et courant de chauffage filament sont donc ses caractéristiques principales.

Les filaments existent sous divers aspects : Le pouvoir émissif varie selon la température à laquelle est porté le filament

Exemples concernant la section des filaments et leur mode de montage à l’intérieur des tubes à chauffage direct

Les connexions du filament se situant à la base du tube, le filament doit être maintenu en portion stable, ceci malgré les effets de dilatation et d’élongation dus au chauffage direct.Divers types de ressorts et crochets placés en haut de ceux-ci procurent la tension mécanique voulue.

Exemples de systèmes assurant la tension mécanique du filament, appelés parfois crochets, ressorts ou ancres

La polarisation automatique ou autopolarisation consiste à insérer entre la cathode et la masse une résistance dite « résistance de cathode »( ou Rk). On place dans ce cas entre la grille et la masse une résistance d’assez forte valeur, dite « de fuite de grille ». Le passage du courant dans le tube produit alors une tension continue positive sur la cathode, par rapport à la masse. La référence 0 Volt du tube étant la cathode (et non la masse), la tension de polarisation grille, vue de la cathode ne sera donc pas positive, mais négative :

La connaissance de caractéristiques du tube, c’est à dire tension plaque, polarisation grille, courant plaque, charge de plaque, permet de calculer facilement la valeur de Rk, résistance de cathode déterminant la polarisation.Nous étudierons tout particulièrement le cas de l’ECC83 par la suite.

Dans le cas de la polarisation automatique ou autre polarisation, un autre phénomène intervient, celui de la contre réaction en courant.Si l’on prend par exemple une charge de plaque de 3900W, celle qui est recommandée par le constructeur (classe A1, simple étage, tension plaque 250V, polarisation grille – 50V , courant plaque 34 mA), on s’aperçoit qu’un signal alternatif de +/-20V produit aux bornes de Rk une variation de tension comprise entre 30,8V et 67,6V.

La tension appliquée sur la grille étant en phase avec celle recueillie sur la plaque, la tension relative appliquée à l’entrée (ayant pour référence la cathode) ne sera plus de +/-20V mais seulement de +/-14V. Cette méthode de contre-réaction négative de cathode est souvent appliquée sur les étages amplificateurs de tension.

C’est une méthode très utilisée, ceci aussi bien dans les circuits amplificateurs de tension que sur les étages de puissance.

La polarisation fixe consiste à relier la cathode à la masse générale. On applique ensuite en prenant la masse pour référence de tension, la polarisation négative de grille et l’alimentation positive de plaque :L’inconvénient de cette méthode est l’obligation de prévoir un circuit de polarisation spécial en plus des alimentation filament et haute tension.La polarisation par pile ou par batterie n’est que très rarement utilisée.

Les avantages de la polarisation automatiques sont l’absence d’effet de contre-réaction négative de courant dû à la présence de Rk (polarisation automatique, Rk non découplé par un condensateur) et le fait que l’alimentation haute tension prend la masse pour référence tandis que que la cathode est directement reliée à la masse.

Sur le plan de la fiabilité, une coupure accidentelle du circuit de polarisation grille peut, par contre entraîner la destruction du tube ou un emballement thermique. Sur ce point, la polarisation automatique est plus sûre, une coupure accidentelle de Rk entraînant la coupure du courant passant dans le tube.

La plupart des plaques subissent un traitement de surface améliorant la dissipation thermique et limitant au mieux le phénomène dit d’émission secondaire (produit par le choc des électrons contre la face interne de la plaque).

Les bulbes sont les enveloppes de verre du tube à vide. Il est nécessaire d’avoir dans les tubes à vide un degré de vide beaucoup plus poussé que dans le ampoules traditionnelles ; c’est pour ceci qu’il faut du verre de qualité.

Le bulbe doit être capable de supporter de grands coefficients de dilatation, ceux-ci étant dus à l’échauffement de la plaque et à la chaleur dégagée par le filament. De plus, celui-ci doit être étanche : un traitement de surface des connexions à base de « dumet » de couleur rouge ou brune agit comme une sorte de joint totalement hermétique malgré les problèmes découlant des différences de dilatation des matériaux employés.

Cette partie du tube est appelée « Stem », partie « pincée ». En bas et au centre de celle-ci se trouve une perforation débouchant sur un mince tube en verre : le « queusot » ; celui-ci sert à créer le vide à l’intérieur du tube.A l’intérieur du tube, on soude à un support métallique une tige au bout de laquelle se trouve une pièce comportant une partie creuse en forme de coupelle : le « getter ». En effet, les nombreux matériaux placés à l’intérieur du tube contenir une certaine quantité de gaz pouvant s’échapper par échauffement, au cours du fonctionnement du tube.

C’est pourquoi toutes les électrodes sont chauffées pendant l’opération de vide. Pour créer ce chauffage, des bobines dans lesquelles passent un courant haute fréquence sont placées autour du tube.

De très nombreux types d’embases existent, de même que les brochages, le diamètre et la longueur des broches.

Sur les tubes munis d’un support, le collage du bulbe avec le support doit être réalisé en tenant compte des écarts de dilatation, sinon il peut se produire une rupture du bulbe près de l’embase. De même, le recollage d’une embase qui s’est déboîtée du bulbe doit être réalisé en tenant compte de ceci.

La figure suivante montre une vue en coupe de la partie inférieure du bulbe collée sur l’embase.

Si l’on s’en tient aux tubes triodes à chauffage direct pour application audio, les variantes de brochage ne sont pas très nombreuses : quatre broches, soit deux pour le filament, une pour la grille et une pour la plaque.

Sur un tube triode, il existe une influence de la tension plaque sur le courant plaque, ce qui donne aux caractéristique Up/Ip une allure montante, dépendant du coefficient d’amplification. Il est possible d’augmenter sensiblement la valeur du coefficient d’amplification (m) en insérant une grille à pas très serrés.

Le signal de sortie amplifié est en opposition de phase avec celui d’entrée et la capacité grille/plaque produit une sorte de contre-réaction négative sur l’entrée.

L’insertion d’une seconde grille appelée grille-écran évite à la plaque de voir son action s’étendre jusqu’à la grille de commande. Le courant écran croît d’abord, se stabilise, décroît rapidement puis plus lentement.

Le courant plaque croît d’abord assez vite, puis décroît pour passer à une valeur négative puis croît à nouveau de manière stable :

Caractéristiques d'un tube tétrode avec mise en évidence d'une tendance à l'effet Dynatron due à l'effet d'émission secondaire

Au début de la radio, la majorité des montages étaient alimentés sur batteries et l’on recherchait le meilleur rendement possible (le meilleur rapport consommation/puissance de sortie).Sur le tube triode, il existe un effet d’émission secondaire mais il n’y a pas d’autres électrodes que la plaque à proximité de ces zones d’émission.

C’est finalement la plaque elle-même qui récupère les électrons, qui forment près de la paroi interne une sorte de nuage électronique. Sur le tube tétrode, le bombardement de la plaque par les électrons produit l’émission secondaire, laquelle peut être freinée par une barrière de potentiel négatif placée de part et d’autre du flux d’électrons. Lors du travail dynamique du tube tétrode, la tension écran reste fixe tandis que la tension plaque peut varier dans de fortes proportions en fonction du signal.

Or, c’est justement ce phénomène d’émission secondaire qui limite la plage de modulation en tension de la plaque. C’est en ajoutant une troisième grille placée près de la plaque, grille supplémentaire mise au potentiel de la cathode que l’on crée un véritable barrière de potentiel traversant le flux électronique et garantissant un passage en sens unique de ce flux

Cette double triode à haute d'impédance a été conçue spécifiquement pour l'amplification sonore.

De nos jours, on peut encore trouver cette lampe dans les amplificateurs haute fidélité et certains amplificateurs de guitare.

Dans les conceptions Mullard des années 1950 et 1960, la deuxième partie de l’ECC83 (une triode) était utilisée comme un étage d’amplification et la cathode servait de splitteur de phase. Le splitteur de phase devant faire en sorte que l'étape va-et-vient de sortie soit pilotée correctement.

Dimensions d’une ECC 83

Il manque des éléments sur cette ECC 83 : les deux filaments et le point milieu.

Pour le montage, il est utile de faire une correspondance entre les numéros de pin indiquées sur le circuit et les broches correspondantes.

Différents types de supports

Le symbole et la construction schématique d'une triode. La partie pointillée du schéma indique que la triode représentée fait partie d'un tube double

A quelques rares exceptions près, les étages préamplificateurs des amplificateurs de guitare sont équipés de triodes. Le plus souvent, ces triodes se présentent sous la forme de tubes combinés, qui renferment pour des raisons économiques deux triodes dans la même ampoule de verre. C’est le cas de l’ECC 83.

On trouve ainsi chez Fender et Ampeg des tubes spéciaux qui comportent trois triodes.

Rappelons brièvement les caractéristiques de la triode : la triode comporte en plus de l’anode et de la cathode, une troisième électrode. Cette troisième électrode s’appelle grille de commande ; elle prend la forme physique d’un fil mécanique enroulé autour de la cathode.

L’application d’une tension entre la grille et la cathode permet de commander l’intensité du courant d’anode, sans retard et sans dépense d’énergie, par une variation de la résistance interne du tube.

Le tube réagit aux variations de tension entre la grille et la cathode. Si la tension de la grille devient de plus en plus négative par rapport à la cathode, le courant d’anode diminue jusqu’à un niveau déterminé de tension négative de la grille. Puisque le courant d’anode diminue, on peut considérer que la résistance interne du tube augmente.

L’explication du phénomène tient à la charge négative de la grille : cette charge repousse les électrons émis par le cathode, une fraction de plus en plus faible de ces électrons atteint l’anode, le courant d’anode diminue.

En sens contraire, si la tension de polarisation de la grille devient de moins en moins négative par rapport à la cathode, si elle s’approche du zéro, les électrons sont accélérés, ils traversent la grille et peuvent atteindre l’anode.

Si la tension de polarisation dépasse le zéro et devient positive, la grille elle-même capte des électrons, ce qui donne naissance à un courant de grille. Ce courant de grille s’établit au détriment du courant d’anode, les électrons sont détournés par la grille de leur destination normale.

Il faut éviter de faire fonctionner un tube avec une polarisation positive de la grille et le courant de grille Ig qui l’accompagne. Pour les amplificateurs, le seul domaine de fonctionnement intéressant est celui de la polarisation négative de grille, dans lequel il ne circule aucun courant de grille, et qui permet le pilotage du tube sans dépense d’énergie, c’est à dire uniquement par une tension.

La source de la tension de commande n’a pas besoin de fournir une puissance puisque aucun courant ne circule. La valeur de la tension n’est pas altérée et la résistance interne de la source peut être quelconque.

Les caractéristiques d'entrée du tube : le courant d'anode en fonction de la tension de grille

Le montage expérimental de la figure suivante permet de mettre en évidence ces phénomènes. Ici aussi le circuit de chauffage est omis, car il n’est pas essentiel pour la compréhension.

Le montage expérimental qui permet de relever la courbe caractéristique d'une triode

Le montage expérimental permet de régler aussi bien la tension de polarisation que la tension d’anode, pour tracer deux réseaux de courbes dans lesquels le paramètre constant sera soit la tension d’anode Ua, soit la tension de grille Ug.

On dispose ainsi de deux groupes de courbes qui décrivent complètement le fonctionnement de la triode. Ces courbes et ces données sont très importantes pour la pratique et la réparation des amplificateurs, car elles expliquent la fonction de chaque étage de l'appareil.

Le réseau de courbes caractéristiques d’entrée de la figure suivante montre la valeur que prend le courant d’anode pour une valeur donnée de tension de polarisation de la grille.

Chaque courbe est valable seulement pour une valeur déterminée de la tension d’anode. Les lignes pointillées verticales montrent que pour une même tension de grille, le courant d’anode est plus fort pour une tension d’anode Ua de 250V que pour une tension d’anode de 200V.

Pour une tension d’anode de 200V et une tension négative de grille de –2V, le courant d’anode est de 7.5 mA ; si on ramène la tension de grille à –1.5V, le courant d’anode s’établit à quelque 9.5mA.

Au contraire, le courant d’anode tombe à 4mA si la tension de grille est portée à

L’autre réseau de courbes, le réseau des caractéristiques de sortie de la figure suivante, est obtenu par le report des valeurs du courant d’anode Ia pour différentes valeurs de la tension d'anode Ua.

Dans ce graphique, la tension de grille prend trois valeurs déterminées ; ces deux réseaux permettent de déduire les grandeurs qui caractérisent ces propriétés du tube.

L'efficacité de la commande du courant d'anode par la tension de grille s'exprime par le rapport entre la variation d'intensité du courant d'anode et les variations de la tension de grille.

Réseau de courbes caractéristiques Ia/Ua d'une triode: il représente. le courant d'anode en fonction de la tension d'anode, ou les caractéristiques de sortie du tube

Une variation de la tension de grille provoque, pour une tension d'anode constante, une variation déterminée du courant d'anode.

Ces deux courbes montrent le rapport entre les variations de la tension de grille et les variations du courant d'anode pour des tubes de pente différente

Les courbes de figure ci-dessus permettent les constatations suivantes : plus la pente de la courbe est forte (ce qui dépend du type de tube), plus la variation d'intensité Ia est importante pour la même variation Ug de la tension de grille.

Sur le plan pratique, cela signifie que dans tes montages amp1ificateurs de petite variation de la tension de grille provoquera une variation du courant d'anode d'autant plus importante que la pente S sera plus forte. La pente peut donc être considérée comme une mesure du gain apporté par le tube.

La valeur de la pente est différente en chaque point de la courbe caractéristique ; elle n'est valable que pour un point de fonctionnement donné, déterminé par la valeur de la tension de polarisation de la grille. Cette propriété est montrée clairement par le fait que la courbe n'est pas rectiligne, mais incurvée.

La résistance interne du tube au courant alternatif est déterminée par le rapport entre la variation de la tension d'anode Ua et la variation du courant d'anode Ia, tel qu'il ressort du réseau de courbes caractéristiques de sortie (figure suivante).

La résistance interne en courant alternatif est définie comme le rapport entre la variation de la tension d'anode et la variation du courant d'anode

Comme le montrent les réseaux de courbes, l'intensité du courant d'anode dépend à la fois de la valeur de la tension d'anode et de celle de la tension de grille. Toutefois, l'influence de la tension de grille est prédominante, car la grille est plus proche de la cathode.

On appelle conductance d'un tube le rapport entre la variation de la tension de grille et la variation de la tension d'anode pour un courant d'anode constant.

La conductance est une mesure de la capacité du tube à être commandé : plus la variation de la tension de grille est importante pour provoquer une variation donnée du courant d'anode, plus importante est la conductance du tube. C'est-à-dire que la tension d'anode contribue pour une part relativement grande à la variation du courant d'anode.

Une conductance faible, au contraire, signifie que l'effet de fa grille sur le courant d'anode est notablement plus important que celui de l'anode en d'autres termes : plus la conductance est faible, plus la commande par la grille est efficace.

La conductance est souvent exprimée dans les recueils de caractéristiques par un pourcentage qui indique quelle fraction de la tension d'anode doit être appliquée à la grille pour produire un effet de commande donné.

La plupart des recueils de caractéristiques ne donnent pas la conductance des tubes, mais son inverse, le facteur d'amplification.

Le facteur d'amplification est une mesure de l'amplification maximale théorique d'un tube. Les triodes courantes présentent des facteurs compris entre 17 et 100. L'important en pratique est le facteur d'amplification en fonctionnement dynamique : l'insertion d'une résistance extérieure dans le circuit de l'anode permet aux variations du courant d'anode de faire naître sur l'anode une tension alternative supérieure à la tension continue.

Découplée de la tension continue, cette tension alternative est une image amplifiée de la tension de commande appliquée à la grille.

Toute variation de la tension de grille provoque une variation du courant d'anode, donc une variation de la chute de tension dans la résistance d'anode, et par la suite une variation de la tension d'anode.

Dans le fonctionnement dynamique, on fixe le point de fonctionnement sur la courbe Ug/la en imposant à la grille une tension de. polarisation négative constante. Cette tension de polarisation est superposée à la tension alternative qui doit être amplifiée.

Le point de fonctionnement est choisi en principe au milieu de la partie rectiligne de la courbe caractéristique, de façon à réserver une plage de fonctionnement aussi étendue que possible.

Dans le schéma d'étage amplificateur de la figure ci-dessus, la résistance extérieure Ra est constante, ce qui donne comme courbe de charge la droite inclinée de la partie droite du graphique ci-dessous. Cette droite représente le fonctionnement dynamique de la triode commandée par une tension alternative.

Le graphique de la figure ci-dessous montre que pour une tension de polarisation de -1,5 v, qui détermine le point de fonctionnement, une variation de la tension de grille de -2 V à -1 V provoque une variation de courant d'anode de 0,5 mA à 1mA et une variation de la tension d'anode de 150 V à 200 v. Cela correspond à un gain en tension de 50 puisque :

La tension négative de polarisation de la grille est obtenue habituellement de façon automatique. Le grand avantage du procédé utilisé est que le point de fonctionnement se fixe lui aussi a automatiquement.

Le circuit ci-dessous montre un étage amplificateur standard, dans lequel la tension négative nécessaire à la polarisation de la grille est obtenue par l'insertion de la résistance Rk dans le circuit de la cathode. Le courant qui traverse le tube provoque aux bornes de Rk une chute de tension qui rend la cathode positive par rapport à la masse, raccordée au pôle négatif de l'alimentation.

Comme aucun courant ne circule par la grille, la tension de la grille est au potentiel de la masse du circuit il en résulte que:

La tension aux bornes de la résistance de grille est nulle puisque aucun courant ne la traverse, c'est-à-dire :

Le fonctionnement recherché est réalisé : la grille de commande est négative par rapport à la cathode, la valeur de la tension de polarisation est égale à la chute de tension aux bornes de la résistance de cathode Rk.

Le tube fabrique automatiquement sa tension de polarisation, égale au produit Ia * Rk .

La résistance a un autre effet bienvenu dans le montage. Si le courant d'anode augmente pour l'une ou l'autre raison, la chute de tension aux bornes de la résistance de cathode augmente, ce qui tend à faire diminuer le courant d'anode. Ainsi la résistance de cathode stabilise le point de fonctionnement du tube.

Pendant le fonctionnement du tube, une tension alternative devrait normalement apparaître aux bornes de la résistance de cathode, ce qui aurait pour effet de diminuer le gain. Pour éviter ce phénomène, on place en parallèle avec résistance de cathode un condensateur de découplage correctement dimensionné. Son rôle est de court-circuiter à la masse les tensions alternatives amplifiées. Comme la cathode est toujours positive par rapport à la masse, le condensateur peut sans inconvénient être de type électrolytique. Sa capacité, relativement importante, est calculée en fonction de la fréquence la plus basse du signal à amplifier. Les valeurs courantes vont de 25 pF à 100 pF.

Dans certains amplificateurs de guitare, cependant, le condensateur de découplage est choisi volontairement plus petit, pour diminuer le découplage des fréquences les plus basses et réduire leur amplification. C'est une des façons de modeler la courbe de réponse.

Les condensateurs de couplage C1 et C2 isolent l'étage amplificateur des tensions continues des étages précédent et suivant. Leur capacité se calcule aussi en fonction de la fréquence la plus basse du signal à amplifier; leur tenue en tension doit être suffisante, de 600V à 1000V en général.

L'association du condensateur de couplage et de la résistance d'entrée de l'étage amplificateur constitue un filtre passe-haut. Comme l'impédance du tube est assez grande pour être considérée comme infinie, la résistance d'entrée peut être assimilée à la résistance de grille :

Supposons Rg égale à 1 MW et la fréquence la plus basse, fb, égale à 10 Hz. Dans ce cas, la capacité de C1 est :

Le calcul de la capacité de C2 se fait de la même façon en fonction de l'impédance d'entrée de l'étage suivant

Tous les tubes peuvent être ramenés à trois éléments : la cathode, la grille et l'anode. pour chacune de ces électrodes, il existe un montage caractéristique et quelques variantes. En voici quelques exemples.

D'=D

Les fabricants représentent la relation entre les courants et les tensions graphiquement, car des courbes caractéristiques donnent une bonne représentation visuelle du comportement des composants, des tubes dans notre cas. La caractéristique de la diode, par exemple, est relativement simple, elle représente le rapport entre le courant d'anode et la tension d'anode.

Cette courbe peut être relevée à l'aide du circuit de mesure dont le principe est celui de la figure ci-dessus. Il comporte une diode à vide reliée par un ampèremètre à une source de tension réglable. Pour la position de l'inverseur telle qu'elle est représentée, la diode est polarisée dans le sens passant et un courant d'anode peut circu1er. Plus la tension d'anode est élevée, plus le courant est intense.

Ce comportement est représenté par la courbe de la figure suivante. Pour une tension d'anode nulle, il ne circule qu'un courant très faible, c'est le courant dit de démarrage. Pour une tension d'anode croissante, le courant d'anode croît d'abord de façon non linéaire. Ensuite la progression est linéaire, comme le montre la courbe. La plage de fonctionnement se situe dans la partie droite (X). Au-delà de cette plage, la courbe est à nouveau tordue.

Si on inverse la polarité de la tension appliquée au tube, simplement par la manœuvre du double inverseur, le courant ne peut plus circuler, puisque les électrons sont repoussés par l'anode devenue négative.

Pour une triode, la courbe prend un autre aspect. On ne parle plus de courbe caractéristique, mais d'un réseau de courbes caractéristiques, à cause de la grille de commande de la triode.

- le courant d'anode sous une tension d'anode constante en fonction d'une tension de grille variable (partie gauche du réseau) .

- le courant d'anode en fonction de la tension d'anode pour une tension de grille constante.

La tension de. grille de la triode pilote le courant d'anode, c'est-à-dire qu'une faible variation de la tension de grille provoque une variation importante du courant d'anode. C'est ce qui ressort de la partie gauche du réseau de courbes. Prenons l’exemple d'une tensIon d'anode constante de 200V.

Une tension de grille de 1V laisse circuler un courant d'anode relativement important. Si la tension de grille augmente (en valeur absolue), le courant d'anode diminue. Cette partie du réseau de courbes contient un autre enseignement.

Si la tension de grille diminue, si elle tend vers zéro, le courant d’anode augmente d'abord lentement, puis de plus en plus vite. La partie droite du réseau représente la relation entre le courant d'anode et la tension d'anode pour cinq valeurs constantes différentes de la tension de grille.

Il est évident que pour les tensions de grille les plus faibles,. une variation relativement faible de la valeur suffit à produire une forte variation du courant d'anode. On remarque aussi que pour une tension de grille faible, un courant d'anode relativement important peut circuler sous une tension d'anode faible.

Le réseau de courbes caractéristiques d'une pentode a encore un aspect différent, tout au moins dans sa partie droite. Cela tient à la fois à la grille de suppression et à la grille écran.

Elles augmentent la résistance interne du tube, si bien que les variations de la tension d'anode n'ont quasiment plus d'effet sur le courant d'anode.

Dans le montage de test de la figure suivante, la grille d'arrêt (ou de suppression) est court-circuitée avec la cathode.

Dans chaque courbe de la figure suivante, deux grandeurs sont constantes : dans la partie gauche, ce sont les tensions de la grille écran et de l'anode. Les courbes en traits pleins illustrent la relation entre la tension de la grille de commande, les courbes en pointillés la relation entre le courant de grille écran et la tension de la grille de commande.

Un courant d'anode donné circule pour une tension négative donnée de la grille de commande (partie gauche du réseau de courbes). Quand la tension de commande diminue, le courant d'anode augmente, d'abord faiblement, ensuite plus fortement. L'augmentation du courant de grille écran est beaucoup plus faible.

Dans la partie droite du réseau, la tension de la grille écran est constante. Les courbes représentent le rapport entre le courant d'anode et la tension d'anode pour différentes valeurs de la tension de la grille de commande. Le courant d'anode augmente relativement vite (voir la caractéristique), même, pour une tension d'anode relativement faible. Après la montée rapide, la courbe s'aplatit tout aussi rapidement et la tension d'anode n'a plus guère d'influence sur le courant d'anode.

Nous pouvons maintenant déduire de ces courbes les caractéristiques essentielles des tubes. Il manque encore quelques valeurs statiques qui jouent un rôle décisif dans le calcul et la conception des schémas.

La pente, S, est une mesure de l'effet de commande de la grille. La pente est le quotient de la variation du courant d'anode par la variation de la tension de grille.

La résistance interne, Ri, est indispensable pour le calcul du gain. C'est le quotient de la variation de la tension d'anode par la variation du courant, pour une tension de grille constante.

L'amplification à vide, µ, est la valeur maximale du gain d'un tube. C'est le rapport entre la variation de la tension d'anode et la variation de la tension de grille.

La conductance, D, est l'inverse de l'amplification. Avec les caractéristiques de pente et de résistance interne, elle constitue l'équation de Barkhausen :

Pour conclure, il reste à signaler qu'il existe, en plus des diodes, triodes, tétrodes et pentodes, d'autres sortes de tubes:

Aucun de ces types n'est courant, mais il y a des applications dans lesquelles le courant d'anode doit être piloté par plusieurs tensions alternatives. Pour cela il faut des tubes avec plusieurs grilles de commande.

1. Le Vide

2. L’électron

3. Les diodes à vide

Redresseur ancien. dit « cohéreur », détecteur proposé par Edouard Branly (1844-1940)

Dimensions d’une ECC 83

Différents types de supports

D'=D

S . D . Ri = 1