Le tube électronique a longtemps été le seul composant actif existant. Il a permis la fabrication, souvent en grande série, des premiers appareils électroniques : récepteur radio, téléviseur, radar, etc. Il a connu son apogée dans les années 1960-1970. Puis les équipements de radio, radar, télévision, ainsi que les , ont demandé de plus en plus de fonctions actives, rendant rédhibitoires les problèmes de volume, de consommation et de fiabilité du tube électronique, malgré de nombreuses améliorations. Le transistor — utilisé d'abord seul, puis sous forme de circuit intégré —, qui palliait ces défauts, a supplanté dans la plupart des applications le tube électronique, notamment dans les applications basse et moyenne puissance : radio, vidéo, audio ou logique.
Malgré tout, les tubes sont toujours utilisés pour des applications spécifiques, comme les très fortes puissances et la très haute fréquence : les fours à micro-ondes, le chauffage par radiofréquence industriel, les émetteurs de radio et de télévision, les radars, les satellites. Certains audiophiles et musiciens les préfèrent encore comme composant d'amplificateurs Hi-Fi haut de gamme et pour guitare électrique, quoique leurs avantages soient controversés, en dehors de l'effet vintage.
Les premiers tubes thumb|Une audion de 1906
John Ambrose Fleming, conseiller scientifique à la société Marconi invente, en novembre 1904, la diode à videSouvent dénommée Valve en anglais. basée sur une observation de Thomas Edison 1904 – Invention of Thermoinic Valve, (L'invention de la valve thermoïonique), sur marconicalling.com qui permet de créer un courant unidirectionnelContinu ou « alternatif redressé ». à partir d'un courant alternatif.
La construction de la diode conduit en 1906 Lee De Forest à placer une autre électrode, un fil enroulé, ou écran, appelé la grille de contrôle, entre le filament et la plaque, d'abord à l'extérieur du tube, puis en 1908 à l'intérieur. De Forest découvre que le courant circulant du filament vers la plaque (anode) dépend de la tension appliquée sur la grille, et que le courant de grille est très faible et composé des électrons captés par celle-ci. Quand la tension appliquée sur la grille varie, le courant du filament vers la plaque varie lui aussi. De cette façon la grille exerce un contrôle électrostatique sur le courant de la plaque. Ce composant à trois électrodes permet de réaliser un circuit qui a du gain, c'est-à-dire que l'on peut recueillir, sur l'électrode de sortie, une puissance supérieure à celle fournie à l'électrode d'entrée. Il permet ainsi, pour la première fois, la construction d'un amplificateur électronique. Les tubes en resteront le composant actif jusqu'à ce qu'ils soient remplacés par les transistors John Harper, “Tubes 201” – How vacuum tubes really work, 2003. De Forest appelle son invention l'audion. Il croyait qu'un vide partiel était nécessaire, erreur corrigée dans les années suivantes par Irving Langmuir et son pliotron (republié par l'IEEE en 1997.. En 1919, William Eccles propose d'appeler « diode » le tube à vide contenant deux électrodes et « triode » celui qui en contient troisElectrician, 18 Apr. 1919, 475/2 apud Trésor de la langue française informatisé : « triode », Trésor de la langue française informatisé, « diode » ; Oxford English Dictionnary « triode », « Diode ».. Contrairement aux noms précédemment utilisés, ces dénominations sont génériques et ne sont pas couvertes par des brevets ; elles deviennent rapidement d'usage général.
Améliorations de la triode
La non-linéarité de la caractéristique tension/courant de la triode pose des problèmes de distorsion à faible volume. Cette distorsion ne doit pas être confondue avec la distorsion à fort volume, que l'on appelle habituellement « écrêtage ». Pour résoudre ce problème, les ingénieurs ont tracé les courbes du courant de plaque en fonction de la tension de grille, et ont découvert une zone de fonctionnement presque linéaire. Pour utiliser cette zone, une tension négative doit être appliquée sur la grille de manière à se placer dans la zone linéaire sans signal appliqué sur la grille. Cette condition est appelée le point de repos. Le courant de repos est une valeur importante dans un montage. La tension à amplifier est appliquée sur la grille, ajoutée à la tension négative dite tension de polarisation ou de bias ; cela a pour effet de faire varier le courant de plaque de façon linéaire en fonction de la tension de grille : si la tension de grille augmente, le courant de plaque augmente, et si la tension de grille diminue, le courant de plaque diminue et cela de manière proportionnelle dans les deux sens, jusqu'à la saturation de fort volume.
Les batteries étaient conçues pour fournir les différentes tensions et intensités nécessaires au fonctionnement des postes de radio. Les batteries A fournissaient la tension du filament. Les batteries B fournissaient la tension de plaque. Jusqu'à nos jours la plaque est référencée « B+ ». Les batteries C fournissaient la tension de polarisation (négative), bien que plusieurs circuits de polarisation existent : polarisation par courant de grille, polarisation par résistance de cathode ou polarisation par une tension. Maintenant nous n'utilisons plus les batteries, mais certains montages (surtout anglais) utilisent encore cette notation A, B, C.
Plusieurs innovations suivirent. Il devint plus courant d'utiliser le filament pour chauffer une électrode séparée appelée la « cathode », et d'utiliser cette cathode pour émettre le flux d'électrons dans le tube à la place du filament. Cela réduit les bruits de fond dus au passage d'un courant dans le filament quand celui-ci est alimenté en alternatif. Dans certains tubes, le filament est appelé chauffage () pour le différencier de la partie active (la cathode dans ce cas).
Les triodes utilisées dans les émetteurs et récepteurs radio avaient tendance à osciller à cause des capacités parasites entre l'anode et la grille de contrôle. Plusieurs circuits complexes furent développés pour réduire ce problème (l'amplificateur Neutrodyne par exemple), mais le problème persistait pour des plages de fréquences larges. Il fut alors découvert que l'ajout d'une seconde grille, située entre la grille de contrôle et la plaque et appelée grille écran () pouvait résoudre ces problèmes. Une tension positive légèrement plus faible que la tension de plaque était appliquée, et la grille écran était reliée au zéro par un condensateur (pour les hautes fréquences). Cela permet un découplage entre l'anode et la grille de commande, et ainsi l'élimination des problèmes d'oscillations (réduction de la capacité grille de commande/plaque grâce à la grille écran). Ce tube à deux grilles fut appelé une « tétrode », ce qui signifie quatre électrodes actives (cathode, grille de commande, grille écran, plaque).
La pentode
Toutefois, la tétrode présente un problème, surtout dans les applications à fort courant de pointe. À de forts courants transitoires, la plaque peut devenir négative par rapport à la grille écran. Comme la grille écran accélère beaucoup les électrons, ceux-ci possèdent une force suffisamment importante pour revenir vers la grille écran après avoir heurté la plaque, ce qui crée une émission secondaire d'électrons qui sont capturés par la grille écran, réduisant le courant de plaque et l'amplification du circuit. Là encore, la solution est d'ajouter une autre grille entre la grille écran et la plaque, appelée « grille d'arrêt » ou « grille suppressive ». Elle est reliée au zéro ou à la cathode du tube, recevant ainsi une tension négative par rapport à la plaque. L'émission secondaire de l'anode retourne ainsi à sa source grâce au champ électrostatique (de la grille d'arrêt). Ce tube avec trois grilles se nomme « pentode », car il possède cinq électrodes actives (cathode, grille de commande, grille écran, grille d'arrêt, anode).
Tubes multifonction thumb|Tube ECC82/12AU7, double triode
Les tubes avec 4, 5, 6, ou 7 grilles, appelés hexodes, heptodes, octodes, et nonodes, étaient en général utilisés pour la conversion de fréquences dans les récepteurs superhétérodynes. Les grilles ajoutées sont toutes des grilles de contrôle, chacune recevant son propre signal. Une grille spéciale agissant comme la plaque fournit un oscillateur interne, qui est mélangé avec le signal radio entrant. Le courant de plaque est proportionnel au produit des tensions d'entrée, ce qui fait apparaitre des composantes à la somme et à la différence des fréquences appliquées.
L'heptode, ou convertisseur pentagrille, fut le plus commun. 6BE6 est un exemple d'heptode.
Cela fut une pratique courante pour certains types de tubes (exemple : le Compactron) d'inclure plusieurs éléments sous le même bulbe ; par exemple, le 6SN7 est l'un des premiers tubes multi-sections, c'est une double triode qui, pour la plupart des applications, peut remplir la fonction de deux triodes séparées, en prenant moins de place et à un coût réduit. Le 6AG11 (Compactron) contient deux triodes et deux diodes. Actuellement le tube le plus populaire au monde est le 12AX7 qui est aussi appelé ECC83, avec un volume de vente estimé à plus de 2 millions d'unités par an. La 12AX7 est une double triode faible puissance à fort gain souvent utilisée en préamplification notamment dans les amplificateurs de guitare.
La tétrode à faisceau dirigé thumb|120px|Un tube 6550C de fabrication actuelle
Le tube à faisceau dirigé ou , en anglais est dû aux travaux de l'ingénieur de la Radio Corporation of America (RCA), Otto H. Schade, en 1936L.-D. Fourcault, R. Tabard, Pour le Sans-filiste, Dunod, Paris, 1938 122. Le premier tube à faisceau dirigé est construite par RCA au début de l'année 1936A new Audio Power tubes, QST, mai 1936, 50.
Description
Un tube à faisceau dirigé est une tétrode à laquelle ont été ajoutées deux plaques métalliques reliées entre elles pour diriger le flux d'électrons, ces plaques remplacent une troisième grilleLa troisième grille, dite aussi grille suppresseuse () d'une pentode. Ces plaques permettent une concentration du flux d'électrons sur une zone limitée de l'anode, ce qui a pour effet d'empêcher l'émission d'électrons secondaires par la plaque. De ce fait ce tube est aussi appelé tétrode à concentration. Le dimensionnement des éléments dans une tétrode à faisceau dirigé est basé sur le principe de la distance critique en anglais qui permet de limiter les émissions secondaires d'électronsPrincipe découvert par l'ingénieur Britannique J. Owen Harries en 1935 dans le laboratoire de Hivac Co. Ltd.. Cette conception permet de repousser les barrières physiques pour la conception de tubes de forte puissance et à haut rendement.
Premiers modèles
La 6L6 est le premier modèle de tétrode à faisceau dirigé, elle est introduite sur le marché en par RCA. Le deuxième modèle est la 807 (tension filament ) et la 1625 (identique à la 807 mais avec une tension filament ) en 1937. Le troisième modèle est une tétrode à faisceau dirigé de faible puissance la 6V6 en 1937.
Évolution
Les tétrodes à faisceau dirigé sont encore utilisées pour les amplificateurs (Hi-Fi) et de guitare, ce qui en fait l'un des produits électroniques dont la vie a été la plus longue. Les mêmes méthodes de conception sont employées pour les tétrodes de grande puissance en céramique utilisées dans les émetteurs radio.
Autres tubes thumb|Afficheur fluorescent utilisé pour l'affichage d'un magnétoscope
Un grand nombre de composants furent construits entre 1920 et 1960 en utilisant la technique du tube à vide, comme le photomultiplicateur et le tube cathodique. Les photomultiplicateurs sont toujours les détecteurs de lumière les plus sensibles, utilisés en astronomie et en physique nucléaire. Des téléviseurs, des oscilloscopes et des écrans d'ordinateurs utilisent encore actuellement des tubes cathodiques, bien que les écrans plats (à plasma ou à cristaux liquides) se généralisent.