Initiation au fonctionnement des tubes électroniques (lampes)

La diode

La triode

La triode en amplification

La cathode

La tension négative de polarisation grille

La double triode

Pente ou transconductance

La pentode amplificatrice

La pentode de puissance en étage final

Le transformateur de sortie

Distorsion

Quelques formules utiles

 

Le tube électronique, rapidement abandonné dès l'apparition sur le marché des premiers transistors, tend à revenir sur la scène de l'électronique. Bien souvent, on se trouve en difficulté devant un montage ou un schéma utilisant des triodes ou des pentodes dont on ne connaît pas assez le fonctionnement.

 

 

Cette année là, Thomas EDISON, un inventeur autodidacte réalisa la première lampe d'éclairage à incandescence. Il nota alors que le verre de l'ampoule noircissait sur sa face interne. Il a cherché à éliminer ce noircissement en insérant à l'intérieur de l'ampoule, une petite plaque métallique, et il s'est aperçu qu'en connectant extérieurement une pile, le pôle négatif au filament, et le pôle positif à cette plaque, un courant passait à travers le vide de l'ampoule. Pour la première fois, un courant électrique traversait un espace vide, et cette découverte prit le nom d'Effet thermoélectronique d'EDISON. Elle fût appelé thermoélectronique car en éteignant la lampe, le courant ne circulait plus.

Puis lorsque l'inventeur inversa les polarités de la pile, dont le pôle négatif était connecté au filament, et le pôle positif à la plaque métallique, il s'aperçut que le courant ne passait plus à travers le vide de l'ampoule. Dès lors l'appellation de cette lampe devint Valve électronique parce que le courant va dans le sens filament - plaque métallique et non inversement.

 

Fig.1 : En 1884, Thomas EDISON remarqua que la face interne de l'ampoule de sa lampe d'éclairage noircissait, diminuant rapidement la luminosité.

Fig.2 : Pour résoudre ce problème, il a pensé à placer dans l'ampoule une plaque métallique, destinée à l'origine à recueillir les particules qui noircissaient l'intérieur de l'ampoule, et, de là, il a découvert qu'un courant électrique pouvait passer à travers le vide de l'ampoule.

Dans un récipient de verre, on versera un peu d'eau. A la sortie de ce récipient on raccordera l'extrémité d'un serpentin cheminant dans un autre récipient rempli d'eau froide, l'autre extrémité étant à la base du récipient de verre. (Voir fig. 4)

On aura réalisé ainsi une sorte d'alambic en circuit fermé.

 

Fig.4 : Pour comprendre le fonctionnement d'une lampe thermo-ionique, on pourra prendre comme exemple un alambic rempli d'eau.

LA DIODE

Cette lampe, munie de seulement deux électrodes (le filament et la plaque métallique) fût appelée par le physicien FLEMMING, la diode thermoélectronique.

Il a cherché tout de suite à l'utiliser pour détecter les signaux radio, mais sans grand succès car ce "composant" s'est avéré trop peu sensible, très encombrant et surtout très coûteux par rapport à la galène utilisée jusqu'alors.

LA TRIODE

La diode thermo-ionique est devenue subitement intéressante quand, en 1907, le physicien américain Lee de Forest plaça entre le filament et la plaque une troisième électrode appelée grille. Cette grille réussit à augmenter le flux d'électrons lorsqu'elle est polarisée positivement, et à réduire ce même flux lorsqu'elle est polarisée négativement.

En pratique, Lee de Forest a démontré qu'il est possible d'augmenter ou réduire le courant dans le circuit plaque en modifiant la tension de polarisation de la grille.

 

Fig.6 : Dans un tube triode, on a inséré une grille entre le filament et la plque. Lorsqu'aucune tension n'est appliquée sur cette grille, tous les électrons émis par le filament rejoignent sans obstacle la plaque. Evidemment, le mouvement de ces électrons entre le filament et la plaque ne se fait que si on branche une pile avec le pôle positif vers la plaque et le pôle négatif vers le filament.

Fig.7 : En appliquant une tension négative sur la grille de contrôle, les électrons émis par le filament sont freinés dans leur progression vers la plaque. On notera au passage que la variation de la tension appliquée sur la grille entraine une variation de courant dans le circuit plaque.

 

LA TRIODE en Amplification

Pour comprendre comment une triode peut amplifier une tension, nous citerons l'exemple suivant:

 

On peut observer une variation du courant plaque selon le sens dans lequel on tourne le potentiomètre.

 

Fig.8 : Pour comprendre le fonctionnement d'un tube triode amplificateur, on connecte sur la grille le curseur d'un potentiomètre dont les extrémités sont connectées aux bornes d'une pile de 2 V. En amenant le curseur à mi-course, on obtient un courant dans le circuit plaque de 3 mA.

En tournant le curseur du potentiomètre dans le sens inverse, de façon à éliminer toute tension négative sur la grille, les électrons émis par le filament seront attirés par la plaque polarisée positivement, et on relève cette fois un courant de 3,5 mA dans le circuit plaque.

Le graphique de la fig. 11 montre comment une variation de tension sur la grille génère une variation de courant dans le circuit plaque et ceci peut être commenté de façon suivante:

Sur une grille polarisée avec une tension négative de 1 V, donc tension de référence, on applique un signal sinusoïdal de 2 V crête à crête (voir fig. 12) on peut vérifier que:

 

Fig.9 : En tournant le curseur du potentiomètre complètement vers le pôle négatif de la pile, on constate que le courant dans le circuit plaque est de valeur inférieure à l'exemple précédent, puisque le potentiel de la grille est plus négatif que celui du filament, et les électrons issus du filament seront freinés dans leur déplacement vers la plaque.

 

En résumé : un signal sinusoïdal de 2 V crête à crête appliqué sur la grille entraîne une variation de courant de 1 mA dans le circuit plaque, puisque 3,5 - 2,5 = 1 mA.

 

Fig.10 : En tournant le curseur du potentiomètre complètement vers le pôle positif de la pile, on constate que le courant dans le circuit plaque est de valeur supérieure aux exemples précédents, puisque le potentiel de la grille est plus positif que celui du filament, et les électrons issus du filament seront accélérés dans leur déplacement vers la plaque.

Un transistor amplifie les variations de courant, c'est à dire qu'une petite variation de courant appliquée sur la base entraîne une grande variation de courant dans le collecteur.

Un tube électronique amplifie les variations en tension, c'est à dire qu'une petite variation de tension appliquée sur la grille entraîne une variation de tension sur la plaque.

Si on observe le schéma électrique de la fig. 12, qui représente une triode montée en amplificatrice, on notera que la plaque est alimentée en + 250 V à travers une résistance de 47 kW

Nous avons admis qu'avec une tension négative de 1 V appliquée sur la grille, on obtient un courant de 3 mA dans le circuit plaque.

La résistance de 47 kW traversée par ce courant de 3 mA provoque, selon la loi d'Ohm, une chute de tension de :

U = R x I soit

3 x 47 000 = 141 V

Par conséquent on ne trouvera plus sur la plaque que :

250 - 141 = 109 V

Ce qui donne :

 

 

La variation de tension à la plaque sera donc de 164,5 - 117,5 = 47 V, pour une variation de 2 V sur la grille.

En pratique, nous avons une amplification de la tension appliquée sur la grille de

47 : 2 = 23,5 fois.

 

Fig.5 : Photo d'un ancien tube redresseur pour haute tension composé d'un filament alimenté en continu, et d'une plaque.

Si on change la valeur ohmique de la résistance insérée dans le circuit plaque, on fait varier le gain de l'étage d'amplification.

LA CATHODE

 

 

Pour cela, on a rajouté une autre électrode qu'on a nommé cathode. Dans la pratique, il s'agit d'un petit tube en nickel recouvert par une couche d'oxyde de baryum, à travers lequel on fait passer le filament. Ce dernier est isolé électriquement de la cathode, et lorsqu'il sera porté à incandescence, la cathode le sera aussi. Ce sera ce petit tube, et non plus le filament, qui émettra des électrons. Pour faire un parallèle un peu simpliste, on peut considérer la cathode comme la panne de notre fer à souder, bien qu'elle ne soit pas portée au rouge.

LA TENSION NEGATIVE de polarisation grille

 

Ce problème fut résolu en utilisant un artifice, à savoir en insérant entre la grille et la masse une résistance de valeur appropriée dans le but de créer une chute de tension proportionnelle à la valeur du courant plaque requis par le tube électronique en condition de repos (communément appelé courant de repos).

En reprenant l'exemple précédent du tube qui requiert une tension grille (Vg) de -1 V, pour un courant plaque (Ip) de 3 mA, on pourra calculer la valeur ohmique de la résistance à insérer entre la cathode et la masse, en appliquant la formule suivante :

R = Vg / Ip

ce qui nous donne, avec les valeurs de notre exemple :

1 / 3.10-3 = 333 W ;

Valeur que l'on arrondira à 330 W.

 

Si l'on mesure, avec un voltmètre électronique, la différence de potentiel aux bornes de la résistance connectée entre la cathode et la masse, on trouvera une valeur de 1 V positif, alors qu'entre la grille et la masse on relèvera 0 V. Par contre, entre la grille et la cathode on relèvera une valeur de 1 V négatif (voir fig. 20). Il faut donc garder à l'esprit que les valeurs des tensions de travail d'un tube électronique sont relevées en prenant la cathode pour référence au lieu de la masse.

Par conséquent, la tension de 109 V relevée entre la plaque et la masse n'est pas la tension de travail du tube. Il y a lieu, en effet, de soustraire la tension de polarisation grille (-1 V), ce qui nous donne 108 V.

LA DOUBLE TRIODE

 

Comme pour les transistors, chaque tube électronique possède ses propres caractéristiques. Si l'on se reporte au tableau ci dessous, on pourra comparer les caractéristiques d'un tube référencé ECC 82, (12AU7 selon la codification américaine), à celles d'un autre tube référencé ECC 83, (12AX7 selon la codification américaine), et constater leurs spécificités.

Tableau des tubes ECC82 & 83 :

Caractéristiques

ECC82/12AU7

ECC83/12AX7

Tension anodique maximum

250 V

250 V

Tension grille négative

- 8,5 V

- 2,5 V

Courant de repos plaque

1,6 mA

0,48 mA

Courant plaque maximum

20 mA

8 mA

Facteur de gain

17

100

Résistance interne

7 700 W

62 500 W

Pente S

2,2 mA/V

1,6 mA/V

Puissance de sortie plaque

2,75 W

1 W

 

PENTE ou transconductance

 

(où Ri est la résistance interne du tube.)...

Le tube ECC 82, qui a une résistance interne de 7,7 kW, et une pente de 2,2 mA/V aura donc un gain de :

2,2.10-3 x 7,7.103 = 16,94 fois (arrondi à 17)

Le tube ECC 83, qui a une résistance interne de 62,5 kW, et une pente de 1,6 mA/V aura donc un gain de :

1,6.10-3 x 62,5.103 = 100 fois.

Ce sont donc ces données que nous avons introduites dans notre tableau de caractéristiques pour les ECC 82 et ECC 83.

LA PENTODE amplificatrice

 

Pour obtenir ces conditions, on a d'abord essayé de rapprocher le plus possible la grille de la plaque. On a constaté alors que ces deux électrodes se comportaient comme des armatures d'un simple condensateur placé sous vide, et on s'est aperçu que le signal à amplifier passait tranquillement de la grille à la plque comme à travers une capacité. En approchant la grille de la plaque, on a pu noter un autre phénomène : beaucoup d'électrons, rebondissant sur la plaque, retournaient sur la grille, créant ainsi des variations de valeur de la tension de polarisation de la grille.

Par conséquent, le flux d'électrons cheminant de la cathode à la plaque subissait des ralentissements désordonnés.

Le rapprochement de la plaque à la grille créa d'autres inconvénients tels que l'auto oscillation parasite.

Pour éliminer cette instabilité de fonctionnement et réduire la capacité entre la plaque et la grille, on les a de nouveau éloignées l'une de l'autre, pour insérer entre elles, deux autres électrodes : la grille écran et la grille de suppression.

La grille écran est placée entre la grille de contrôle et la grille de suppression, et la grille de suppression est placée entre la grille écran et la plaque.

La grille écran, raccordée à un potentiel positif, outre sa fonction d'écran électrostatique entre la grille de contrôle et la plaque, attire avec sa charge positive les électrons négatifs issus de la cathode, accélérant ainsi le flux électronique à travers la grille de contrôle.

La grille écran étant matérialisée par une large spirale, les électrons ne sont en fait pas ou peu arrêtés par cet écran et sont alors projetés à grande vitesse sur la plaque. Le gain du tube se trouve de ca fait considérablement augmenté.

La grille de suppression, raccordée à un potentiel négatif, s'attache, elle, à diminuer la capacité résiduelle entre la grille et la plaque, et collecte les électrons rebondissant sur la plaque à cause de leur grande vitesse, pour les véhiculer vers la masse. Ceux-ci ne peuvent donc plus être ainsi attirés par la grille écran. Ainsi, un tube électronique, composé de ces cinq électrodes se nomme une pentode.

Ces électrodes prennent les noms suivants :

Cathode

Grille de contrôle ou G1

Grille écran ou G2

Grille de suppression ou G3

Plaque ou anode

 

 

Tableau des tubes EF80 & 89 :

Caractéristiques

EF 80

EF 89

Tension anodique maximum

250 V

250 V

Tension grille écran

250 V

100 V

Tension grille suppresseur

0 V

0 V

Tension grille négative

- 3,5 V

- 2 V

Courant plaque maximum

10 mA

9 mA

Courant grille écran

2,8 mA

3 mA

Résistance interne Ri

0,65 MW

0,9 MW

Pente S

6,8 mA/V

3,6 mA/V

Comparés à ceux des triodes, les gains de ces tubes sont notablements supérieurs.

LA PENTODE de puissance en étage final

 

 

Dans ce cas, nous pouvons directement nous reporter aux caractéristiques d'une pentode de puissance utilisée en classe A (c'est à dire utilisée seule), énumérées dans le tableau ci-dessous :

Tableau EL34 - EL42 - EL84:

Caractéristiques

EL34

EL42

EL84

Tension anodique maximum

250 V

225 V

250 V

Courant plaque maximum

80 mA

26 mA

48 mA

Tension grille écran

265 V

225 V

250 V

Courant grille écran

15 mA

4,1 mA

5,5 mA

Tension grille G1

- 13,5 V

- 12,5 V

- 7,5 V

Amplitude signal d'entrée

8,7 V

8 V

4,3 V

Résistance interne Ri

17 kW

90 kW

38 kW

Pente S

12,5 mA/V

3,2 mA/V

11,3 mA/V

Inpédance de charge

2 kW

8 kW

4 kW

Puissance de sortie en classe A

12 W

3 W

6 W

En pratique, cette valeur, exprimée en Ohm, varie d'un tube à un autre. C'est cette valeur d'impédance que devrait avoir un éventuel haut-parleur branché dans le circuit plaque, entre l'anode et l'alimentation + 250 V. Mais tout le monde sait que les haut-parleurs fabriqués aujourd'hui ont des impédances de 4, 8 ou 16 W. C'est pourquoi il est nécessaire d'utiliser un transformateur de sortie possédant un rapport de transformation approprié.

Le primaire de ce transformateur devra avoir une impédance caractéristique (à ne pas confondre avec sa résistance ohmique) analogue à celle requise par le tube électronique. Si on se reporte au tableau de caractéristiques donné en exemple, le primaire du transformateur devra avoir une impédance de :

2 kW pour l'EL34,

8 kW pour l'EL42, et

4 kW pour l'EL84.

LE TRANSFORMATEUR DE SORTIE

 

 

 

 

DISTORSION

La distorsion d'un amplificateur BF se mesure avec un instrument appelé distorsiomètre. Ce dernier a pour rôle, par l'adjonction de filtres "notch", d'éliminer totalement la fréquence fondamentale.

Toutes les fréquence harmoniques en présence à la sortie de l'amplificateur à mesurer, ne sont pas considérées comme distorsions.

Encore qu'à ce stade, il faudra faire une distinction entre la distorsion du signal sinusoïdal de la fondamentale, et la distorsion due à la présence d'harmonique.

 

 

 

 

QUELQUES FORMULES UTILES

 Nous énumérons ici quelques formules complétées par des exemples, qui se révéleront utiles pour ceux qui souhaitent se lancer dans l'utilisation des tubes électroniques.

1° Pour calculer la valeur de la résistance de cathode nécessaire pour obtenir la tension négative de polarisation de la grille de contrôle, la formule à utiliser est la suivante :

R = Ug / Ip

Où R est la valeur de la résistance à insérer entre la cathode et la masse. Ug est la tension appliquée à la grille. Ip est le courant de plaque quand le tube est au repos ;

Cette formule n'est valable que pour les triodes. Pour les pentodes, il y aura lieu de faire la somme du courant plaque et du courant de grille écran.

Exemple 1 : Si on veut calculer la résistance de cathode d'une triode qui requiert une tension grille de 1,5 V, et un courant de repos de 5,4 mA, selon la formule édictée, la valeur sera de :

R = 1,5 / 5,4.10-3 = 277 W

Valeur que l'on arrondira à 270 W car dans un étage préamplificateur, l'amplitude du signal devra être notablement plus basse que la valeur nominale caractéristique, dans le souci d'éviter les distorsions.

Exemple 2 : Si on veut calculer la résistance de cathode d'une pentode (EL 34, par exemple), qui requiert une tension grille de 13,5 V, un courant plaque de repos de 80 mA, et un courant grille écran de 15 mA, selon la formule édictée, la valeur sera de :

R = 13,5 / (80+15) = 142 W

Valeur qu'on arrondira à 150 W.

2° Pour calculer la puissance dissipée par la résistance à insérer entre la cathode et la masse, on utilisera la formule suivante :

P = Ip² x Rc

Où Ip est le courant plaque. Rc est la résistance de cathode.

Exemple : Pour connaître la puissance dissipée d'une résistance de 150 W insérée dans le circuit de cathode d'un tube qui absorbe un courant plaque de 95 mA, selon le formule édictée, la valeur sera de :

P = 95² x 150 = 1,34 W

Valeur que l'on pourra porter avantageusement à 1,5 W ou mieux encore à 2 W, pour éviter une surchauffe excessive de la résistance.

3° Pour calculer la tension U et le courant I présents sur le secondaire d'un transformateur de sortie, connaissant la puissance P de l'amplificateur et l'impédance Zhp du haut parleur qui y sera connecté, on utilisera les deux formules suivantes :

Où P est la puissance de sortie de l'amplificateur. Zhp est l'impédance caractéristique du haut parleur.

Exemple : Pour connaître la tension et le courant présents sur le secondaire d'un transformateur de sortie d'un amplificateur de 50 W, auquel est connecté un haut parleur de 8 W, selon les formules édictées, les valeurs seront de :

On retrouvera la puissance de l'amplificateur en vérifiant les calculs à l'aide de la formule P = I x I, soit :

20 x 2,5 = 50 W

4° Pour calculer le gain G d'un tube électronique, connaissant sa pente Pt et sa résistance interne Ri, on utilisera la formule suivante :

G = Pt x Ri

Exemple : Pour connaître le gain d'un tube EL 34 dont la résistance interne est de 17 kW et sa pente est de 12,5 mA/V, selon la formule édictée, la valeur sera de :

G = 17.103 x 12,5.10-3 = 212,5 fois

5° Pour calculer le courant absorbé par un tube délivrant une puissance donnée, on utilisera la formule suivante :

Où P est la valeur d'une puissance donnée. Zc est l'impédance de charge.

Exemple : Pour connaître le courant absorbé par un tube EL 34 dont l'impédance de charge est de 2 kW, lorsqu'il délivre une puissance de 6 W, selon la formule édictée, la valeur en sera :

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