vignette|upright=0.7|Lampe double-triode de fabrication russe.
Un tube électronique (thermionic valve en anglais ou vacuum tube aux États-Unis), également appelé tube à vide ou même lampe, est un composant électronique actif, généralement utilisé comme amplificateur de signal. Le tube à vide redresseur ou amplificateur a été remplacé dans beaucoup d'applications par différents semi-conducteurs, mais n'a pas été remplacé dans certains domaines comme l'amplification de forte puissance ou des hyperfréquences.
Historique
Principe Structure générale Les tubes électroniques désignent les composants qui utilisent des électrodes, placées dans le vide ou dans un gaz rareLe symbole graphique du tube à gaz reprend celui du tube à vide adjoint d'un gros point noir à l'intérieur, isolées entre elles par ce milieu, et comprenant au moins une source d'électrons. Une enveloppe résistante à la température isole l'ensemble de l'extérieur. Bien que l'enveloppe soit généralement en verre, les tubes de puissance utilisent souvent la céramique et le métal. Les électrodes sont reliées aux terminaisons qui passent au travers de l'enveloppe par des passages étanches. Sur la plupart des tubes, les terminaisons sont des broches prévues pour être installées dans un support de tube électronique pour un remplacement facile John Harper, “Tubes 201” – How vacuum tubes really work, 2003.
Effet thermoïonique thumb|upright=0.65|Tube électronique,enveloppe de verre retirée. Les tubes à vide utilisent l'effet thermoïonique pour créer des électrons libres puis les diriger et les moduler. À l'origine, le tube à vide ressemble à une lampe à incandescence, car il possède un filament chauffant à l'intérieur d'une enveloppe de verre vidée d'air 1904 – [« L'invention de la valve thermoïonique »], sur le site marconicalling.com. Quand il est chaud, le filament relâche des électrons dans le vide : ce processus est appelé émission thermoïonique. Il en résulte un nuage d'électrons, dont la charge est négative, appelé « charge d'espace ». Les tubes à chauffage direct ne sont plus utilisés sauf en tube de forte puissance, remplacé par le chauffage indirect. Dans un tube à chauffage indirect, le filament chauffe une électrode qui émet les électrons, la cathode.
La diode à vide
C'est le tube le plus simple, utilisé comme redresseur. Dans une diode à vide, les électrons, émis par le filament dans le cas du chauffage direct ou par la cathode dans le cas du chauffage indirect, vont être attirés par une plaque métallique (plate en anglais) appelée anode et située à l'intérieur du tube. Cette plaque est chargée positivement. Il en résulte un flux d'électrons, appelé courant, qui vont du filament ou de la cathode vers la plaque. Le courant ne peut passer dans l'autre sens car l'anode n'est pas chauffée et n'émet donc pas d'électrons. On obtient donc une diode à vide. Ce composant ne conduit le courant que dans un seul et unique sens.
vignette|400px|Principe d'un tube électronique. Filament chauffé par une source électrique auxiliaire. Cathode : chargée négativement. Flux d'électrons se déplaçant de la cathode vers l'anode. Anode : chargée positivement. Courant électrique mesuré dans le circuit. Source de tension permettant de charger positivement l'anode.
La triode
vignette|centre|400px|Principe des triodes à chauffage indirect et direct.
Lee De Forest, en ajoutant une électrode intermédiaire, de commande, a permis le développement du premier composant électronique amplificateur : la triode. La triode se compose d'une cathode émettrice d'électrons, d'une anode réceptrice, et d'une grille, placée entre les deux.
En modulant la tension appliquée sur la grille par rapport à la cathode, un nombre plus ou moins grand d'électrons émis par la cathode arrivent jusqu'à l'anode, créant un courant variable entre l'anode et la cathode. Une charge en série dans l'anode convertit la variation de courant en variation de tension et de puissance : l'amplification est réalisée.
Évolution de la triode vignette|upright=0.7|Pentode EF86.
La triode présentait des défauts, en particulier une tendance à osciller en raison de la capacité parasite que forme le couple grille-anode. Elle fut rapidement améliorée par l'adjonction d'une grille intermédiaire à un potentiel proche de celui de l'anode, réduisant cette capacité nuisible : la tétrode était créée.
Enfin la pentode permit de supprimer l'effet des émissions secondaires d'électrons sur la grille écran de la tétrode grâce à une troisième grille au potentiel de la cathode. D'autres combinaisons comme l'hexode, munie de deux grilles de commande, permettent de réaliser le mélange de fréquences nécessaire aux récepteurs.
L'évolution s'est poursuivie vers la miniaturisation, les tubes multifonctions, l'amélioration de la durée de vie et de la fiabilité, l'augmentation de la puissance et de la fréquence au fur et à mesure des besoins de la radio et de l'électronique.
Applications Dans la plupart des utilisations, le tube à vide a été remplacé par un composant plus petit et moins cher : le transistor et ses dérivés. Ce dernier est un semi-conducteur et il permet la réalisation de circuits intégrés. Le transistor permet une densité et une fiabilité bien supérieures au tube pour l'amplification et le traitement de signal. Les tubes sont cependant toujours utilisés pour des applications spécifiques comme certains amplificateurs audio, et pour les applications de « très » fortes puissances ou à haute fréquence (HF) comme pour les fours à micro-ondes, le chauffage par radio-fréquence industriel, et l'amplification de puissance pour les émetteurs de radiodiffusion et de télévision, par exemple dans les émetteurs de radiodiffusion en ondes courtes (bandes de fréquence de 3,2 à de 250 à , où l'étage final de l'amplificateur est constitué d'un seul tubeGuy Pellet, « Émetteurs ondes courtes de radiodiffusion », Techniques de l'ingénieur, référence E6115, 10 novembre 1998, sur techniques-ingenieur.fr et sur cat.inist.fr ., comme pour les émetteurs ALLISS d'Issoudun.
En effet, le transistor bipolaire est limité en puissance et en fréquence par deux phénomènes : la dissipation volumique et le temps de transit ., qui rendent difficile l'augmentation simultanée de la puissance et la fréquence de fonctionnement .. Pour pallier cette limitation dans les applications de très forte puissance dans le domaine des hautes fréquences, des combinaisons d'amplificateurs en parallèle sont possibles, mais demandent des coupleurs multiples en entrée et en sortie, et un coût supérieur à un amplificateur à tube unique de même puissance. Les tubes à vide au contraire ne dissipent aucune énergie dans le transit des électrons, mais uniquement à l'impact sur l'anode, qui peut être refroidie....
En diffusion sonore, certains audiophiles trouvent que les tubes électroniques permettent une qualité de son supérieure aux systèmes à transistors bipolaires ou à amplificateurs opérationnels. D'autres affirment par contre que les tubes électroniques n'apportent rien et qu'ils ne représentent plus aujourd'hui qu'un argument commercial. Il est toutefois peu probable qu'ils disparaissent, vu l'intérêt majeur que leur portent certains amateurs, musiciens et techniciens, par exemple pour les amplificateurs de guitare électrique ainsi que pour les préamplificateurs de microphone et de studio d'enregistrement, où, selon des tests effectués comparativement dans les années 1970, les préamplificateurs à tubes, utilisés dans des conditions de surcharge et de distorsion dépassant leur gamme utile, reproduiraient mieux les harmoniques que leurs équivalents à transistors ou à amplificateurs opérationnels Russell O. Hamm, , Journal of The Audio Engineering Society, Presented September 14, 1972, at the 43rd Convention of the Audio Engineering Society, New York.
Triodes et pentodes de puissance vignette|upright=0.7|Triode HF Malgré l'avancée technologique des semi-conducteurs de puissance, les tubes à vide ont ainsi gardé l'avantage pour la fiabilité et pour le coût de revient lors de leur utilisation en amplificateurs de forte puissance dans certains domaines. Les triode à grille commune, ou les pentodes à cathode commune sont les schémas les plus utilisés, jusqu'à environ .
Les puissances varient de pour un amplificateur de radioamateur avec une triode 3-500Z , sur le site g8wrb.org, consulté le 8 janvier 2008. refroidie par convection naturelle, à pour un tube d'émetteur de radiodiffusion Fiche technique du tube 8974/X-2159 (puissance de sortie en régime linéaire), sur le site de CPI Communication & Power Industries – Eimac, cpii.com/eimac, consulté le 8 janvier 2008. et environ en commutation pour le tube 8974/X-2159, selon : , sur le site de CPI Communication & Power Industries – Eimac, cpii.com/eimac, consulté le 8 janvier 2008, en refroidissement par circulation d'eau.
Conception des amplificateurs à tubes Classes de fonctionnement
Les classes d'amplification sont définies de la même façon que pour les transistors, avec les principes suivantsPascal Bareau, , Techniques de l'ingénieur – Électronique, éd. Techniques de l'ingénieur, Paris, novembre 2001 , vol. 1, E 310, E-310-1 à E-310-12, chap. 4 : , 7-9. : la classe A est utilisée en petits signaux, la puissance dissipée reste constante quel que soit le signal appliqué ; les classes AB ou B, non linéaires sur charge résistive, peuvent être utilisées en « push-pull » linéaire en BF, ou en amplificateur linéaire avec charge accordée ; On distingue la classe AB1, sans apparition de courant grille et la classe AB2 avec courant grille ; les classes C avec taux d'ouverture variable pouvant aller jusqu'à la commutation totale, sont utilisées en modulateurs de forte puissance, et en amplificateurs à enveloppe constante (émetteurs FM par exemple).
Schémas amplificateurs Les amplificateurs à tubes utilisent les trois schémas usuels appliqués également pour les transistors : le montage « grille commune » où le signal à amplifier est appliqué à la cathode, avec l'avantage d'un faible couplage entrée-sortie permettant d'éviter le « neutrodynage ». L'inconvénient est un gain en puissance limité (de dix à vingt fois), ces amplificateurs demandent donc un préamplificateur capable de délivrer pour une puissance de sortie finale de par exemple. Ce schéma est bien adapté aux amplificateurs fonctionnant sur toute la bande HF (haute fréquence), par exemple pour la marine, les radioamateurs ou les télécommunications professionnelles HF ; le montage en « cathode commune », où le signal à amplifier est appliqué à la grille à haute impédance, le gain en puissance est très élevé, le préamplificateur est donc économique, mais le couplage entrée-sortie demande en général un neutrodynage sauf en BF (basse fréquence) : (amplificateurs de stades, de pots vibrants, etc.). En HF le neutrodynage sur une fréquence est facile à réaliser, c'est donc le schéma usuel des émetteurs de radiodiffusion en PO (petites ondes) et OC (ondes courtes) ; le montage en « anode commune » appelé également « suiveur » ou « cathode follower », où le signal entre sur la grille et sort sur la cathode. C'est un adaptateur d'impédance sans gain en tension, peu utilisé à l'exception des amplificateurs Hi-Fi.
Dissipation et refroidissement vignette|upright=0.7|Refroidissement à air d'un tube électronique.