thumb|Redresseur au mercure de la tour de Blosenberg (Suisse) avant sa mise hors service. Une diode à vapeur de mercure ou redresseur à vapeur de mercure ou valve à vapeur de mercure est un composant électrique utilisé pour redresser une tension ou un courant alternatif (AC) en courant continu (DC). C'est un tube à gaz à cathode froide en mercure, un métal liquide. Elle est donc autorégénératrice. Sa durée de vie est ainsi plus longue et elle peut redresser des courants plus importants que la plupart des autres tubes à gaz qui utilisent une cathode froide solide.
Elle a été inventée en 1902 par Peter Cooper Hewitt et a depuis été utilisée pour les moteurs électriques des locomotives électriques et tramways, pour les radios et pour le transport d'électricité à courant continu. L'avènement des semiconducteurs de puissance, dans les années 1960, comme les diodes, thyristors et GTO, l'a rendue obsolèteEn 1970, La RATP avait remplacé toutes ses commutatrices en par des modules débrochables équipés de diodes au silicium en , acheminés sur semi-remorques routières, pour la traction du métro..
Histoire thumb|upright=0.5|Une des toutes premières diodes à vapeur de mercure de Cooper Hewitt. La diode à vapeur de mercure a été inventée en 1902 par Peter Cooper Hewitt, puis améliorée dans les années 1920 et 1930 principalement grâce à des recherches entreprises aussi bien en Europe qu'en Amérique du Nord. Avant son invention, la seule méthode pour redresser le courant était d'utiliser une commutatrice ou un groupe convertisseur. Cela était coûteux et le rendement était peu élevé. Les diodes à vapeur de mercure sont alors utilisées pour charger des batteries ou alimenter des lampes à arc..
L'apparition des redresseurs au sélénium dans les années 1920, préférables pour les applications basse tension, a limité l'usage des diodes à vapeur de mercure aux plus hautes tensions et aux plus hautes puissances.
Les diodes à vapeur de mercure ont été utilisées à grande échelle jusque dans les années 1960 pour redresser le courant des complexes industriels, pour les moteurs électriques des locomotives électriques et tramways, pour les émetteurs radio. Ainsi, les locomotives de type New Haven EP5, Virginian EL-C et en France les premières BB 12000 ont utilisé des ignitrons, de technologie voisine, pour alimenter leurs moteurs électriques en courant continu à partir de courant alternatif monophasé. Elles ont aussi été utilisées dans le métro londonien.
Les diodes à vapeur de mercure redressaient le courant pour les réseaux électriques urbains en courant continu qui ont existé jusque dans les années 1950.
L’avènement des semiconducteurs dans les années 1960-1970, comme les diodes, thyristors et GTO, l'a rendue obsolète.
En 2014, des valves à vapeur de mercure étaient encore en service dans des mines d'Afrique du Sud, au Kenya au et dans le train de l'île de Man.
Application au transport de courant continu
thumb|Valve à diode de mercure de tension nominale et de courant nominal utilisé sur la ligne HVDC Nelson River DC Transmission System.
L'un des derniers usages importants des valves à vapeur de mercure concerne les lignes hautes tensions à courant continu (HVDC), pour lesquelles elles ont été construites dans une dizaine de projets jusqu'en 1972.. À partir de 1977, les thyristors réalisés en silicium les ont remplacées. Les valves à vapeur de mercure les plus puissantes jamais construites ont été installées sur la ligne Nelson River DC Transmission System au Canada. Construite par English Electric, elles avaient une tension nominale , un courant nominal de , obtenu en mettant six anodes en parallèle. Les autres projets, comme Inter-Island ou Kingsnorth avaient des valves à quatre anodes.. La dernière ligne en opération était Inter-Island, elle a été mise hors service le ..
Principe thumb|Diode à vapeur de mercure à enveloppe en verre des années 1940. Le principe de la diode à vapeur de mercure pour redresser le courant repose sur une décharge électrique par arc dans un environnement clos contenant de la vapeur de mercure à basse pression. La piscine de mercure au fond de l'enveloppe permet au mercure de se régénérer. La cathode ne se dégrade donc pas avec le temps. Le mercure émet des électrons libres, alors que l'anode, faite de carbone, n'en émet que très peu, même chauffée, le flux d'électrons ne peut donc traverser l'arc que dans une seule direction : de la cathode vers l'anode. L'ensemble redresse donc le courant, qui circule de l'anode vers la cathode.
Lorsque l'arc se forme, des électrons sont émis depuis la surface de la piscine, ce qui cause l'ionisation de la vapeur de mercure le long de l'arc vers l'anode. Les ions sont attirés aux environs de la cathode. Ce bombardement ionique sur la piscine maintient la température du point d'émission tant que du courant continue à passer.
Le courant étant conduit par les électrons et les ions, le chemin de conduction est très peu influencé par les charges d'espace. C'est un avantage par rapport aux tubes à vide. Les diodes à vapeur de mercure peuvent donc transporter des courants forts avec une chute de tension due à l'arc limitée : de l'ordre de 20 à . Elles ont donc un bon rendement. Les tubes à cathode chaude, comme les thyratrons, ont également un bon rendement, mais leur filament se dégrade vite quand il est exposé à un courant élevé.
La température de l'enveloppe doit être maîtrisée, le comportement de l'arc électrique étant principalement conditionné par la pression de vapeur saturante du mercure, qui elle-même dépend de la température du point le plus froid de l'enveloppe. La conception habituelle des diodes assure une température de pour l'enveloppe et une pression de vapeur saturante de .
La lumière émise par le tube dépend de la pression de vapeur saturante également. Avec les valeurs classiques pour les diodes, elle est entre le bleu et le violet et contient beaucoup d'ultraviolet.
Ses fonctions de vibration à trois niveaux peuvent permettre d'autres usages.
Construction Deux possibilités existent pour construire une diode à vapeur de mercure : à enveloppe de verre ou à cuve d'acier. Ce dernier type était surtout utilisé pour les courants les plus élevés : au-delà de .
Enveloppe extérieure Enveloppe de verre
Les premières diodes étaient réalisées dans une enveloppe mise sous vide dont on avait rempli le fond avec du mercure.. L'ampoule permet de faire condenser la vapeur formée lors du fonctionnement de l'appareil. L'enveloppe de verre possède un à plusieurs bras dans lesquels sont disposées des barres de graphite, qui servent d'anode. Leur nombre dépend de l'application, en général chaque phase est associée à une anode. La géométrie de l'enveloppe doit permettre au mercure qui se condense de retourner rapidement dans la piscine afin d'éviter la formation d'un chemin conducteur entre l'anode et la cathode.
Un redresseur à six phases et de courant nominal a une enveloppe haute d'environ et de diamètre extérieur . Elle contient plusieurs kilos de mercure liquide. Une enveloppe de grande taille est rendue nécessaire par la faible conductivité thermique du verre. Sa partie supérieure doit permettre de dissiper la chaleur afin de faire condenser la vapeur de mercure. Certaines diodes étaient ainsi immergées dans l'huile afin de mieux maîtriser la température.
La fragilité du verre de l'enveloppe jointe à la dilatation des conducteurs d'anodes et cathode par l'effet Joule empêchent d'accroître indéfiniment la taille des diodes à vapeur de mercure et, par conséquent, leur courant maximal. Il faudrait que le coefficient de dilatation thermique du matériau des conducteurs soit proche de celui du verre afin d'éviter que de l'air ne s'engouffre dans l'enveloppe. Au milieu des années 1930, des courants de ont été atteints. Au-delà, la conception à cuve d'acier est plus appropriée.
Cuve d'acier
Pour les valves plus puissantes, une cuve en acier est utilisée pour contenir l'arc et des isolateurs en céramique pour isoler les électrodes. Afin de conserver le vide, malgré les fuites pouvant apparaître, une pompe évacue l'air en continu. Pour les plus forts courants, un refroidissement à eau est utilisé.
Ces diodes possèdent une anode, on parle alors parfois d'. Ce dernier type est souvent utilisé quand le redresseur est multiphasé, où, comme pour les HVDC, pour augmenter le courant maximal.
Anode d'allumage
Lors de la phase d'allumage d'une diode à vapeur de mercure, l'anode d'allumage entre en contact avec la piscine de mercure, puis en est séparée. Un court arc électrique se produit alors, le courant commence à passer et une forte force électromotrice apparaît. Lors du contact, un circuit inductif permet de limiter le courant. Les moyens employés pour faire entrer en contact l'anode d'allumage et la cathode sont : un électro-aimant mis au contact de l'ampoule d'un petit redresseur, suffisant pour permettre le passage du mercure du réservoir vers l'électrode d'allumage. Cet électroaimant peut servir de circuit inductif afin de limiter le courant ; un petit ruisseau de mercure entre deux piscines traversé par un très fort courant à très basse tension. La magnétostriction dilate le mercure et ouvrir le circuit ; un bilame constitué de deux métaux de coefficients de dilatation différents pour apporter du courant à la piscine de mercure, conçu de telle sorte, que sous l'effet de l'échauffement produit par le courant, il se plie en rompant le contact avec la piscine.
Anode d'excitation
Une réduction ou annulation du courant pouvant mettre fin à l'émission d'électrons de la cathode, de nombreux redresseurs possèdent une électrode supplémentaire chargée de maintenir l'arc en permanence. Ces anodes excitatrices sont en général au nombre de deux ou trois et alimentent la diode avec quelques ampères. Elles sont alimentées typiquement par un petit transformateur monté en shunt.
Ce circuit est absolument nécessaire sur les redresseurs monophasés, comme l'excitron, le courant passant par zéro à chaque période. Le même problème existe pour ceux alimentant des postes de radiotélégraphie, le courant étant interrompu à chaque pression sur la clé pour émettre du Morse..
Grille de commande
Les diodes à vapeur de mercure, aussi bien à enveloppe de verre qu'à cuve en acier, peuvent avoir une grille de commande entre leur anode et leur cathode. Cette grille permet de retarder le passage du courant après le passage à zéro, changeant ainsi la conductivité moyenne du composant et la tension aux bornes du redresseur. Cette possibilité de commande permet d'utiliser des diodes à vapeur de mercure pour des onduleurs.
Afin de retarder le passage du courant, la grille est soumise à une tension négative de quelques volts. Ainsi, les électrons émis par la cathode sont renvoyés vers celle-ci par la grille et n'atteignent pas l'anode. À l'inverse, si la grille a une faible tension positive à ses bornes, les électrons la traversent comme si de rien n'était. La grille permet de retarder l'allumage, mais n'a pas la capacité d'interrompre le courant, l'arc, une fois celui-ci établi. En effet, si sa tension de la grille est rendue de nouveau négative, les ions positifs s'accumulent autour de la grille et neutralisent sa charge, autrement dit il y a un phénomène de charges d'espace. Pour interrompre le courant, le seul moyen est d'utiliser un circuit extérieur pour alimenter un courant négatif dans la valve, rendant la somme des courants plus petite qu'une certaine valeur critique.
Même si les diodes à vapeur de mercure à grille de commande ont des éléments de ressemblance avec les triodes, elles présentent plus de similitudes fonctionnelles avec les thyristors et ne peuvent être utilisées comme amplificateur qu'en commutation.
Électrode de gradation thumb|Diode à vapeur de mercure à quatre anodes en colonne en parallèles fabriquée par ASEA, ici sur la ligne HVDC Inter-Island en Nouvelle-Zélande.