Qu'est-ce qu'un tube à vide et comment ça marche

Vous pourriez être tenté de rejeter le bon vieux tube comme une relique du passé - après tout, comment quelques morceaux de métal dans une ampoule glorifiée peuvent-ils résister aux transistors et aux circuits intégrés d'aujourd'hui? Bien que les tubes aient perdu leur place dans la vitrine de l'électronique grand public, ils restent encore peu utilisés là où il y a besoin de beaucoup de puissance à des fréquences très élevées (gamme GHz), comme dans la radiodiffusion et la télévision, le chauffage industriel, les fours à micro-ondes, le satellite communications, accélérateurs de particules, radar, armes électromagnétiques ainsi que quelques applications nécessitant des niveaux de puissance et des fréquences plus faibles, comme les radiamètres, les appareils à rayons X et les amplificateurs audiophiles.

Il y a 20 ans, la plupart des écrans utilisaient un tube à image sous vide. Saviez-vous qu'il pourrait y avoir aussi quelques tubes cachés dans votre maison? Au cœur de votre four à micro-ondes se trouve, ou plutôt se trouve dans une douille, un tube magnétron. Son travail est de générer des signaux RF haute puissance et haute fréquence qui sont utilisés pour chauffer tout ce que vous mettez dans le four. Un appareil ménager différent avec un tube à l'intérieur est l'ancien téléviseur CRT qui se trouve maintenant très probablement dans une boîte en carton dans le grenier après avoir été remplacé par un nouveau téléviseur à écran plat. Le CRT signifie «tube cathodique»- ces tubes sont utilisés pour afficher le signal vidéo reçu. Ils sont assez lourds, gros et inefficaces par rapport aux écrans LCD ou LED, mais ils ont fait le travail avant que les autres technologies n'entrent en scène. C'est une bonne idée d'en apprendre davantage sur eux car une grande partie du monde moderne en dépend encore, la plupart des émetteurs de télévision utilisent des tubes à vide comme dispositif de sortie de puissance, car ils sont plus efficaces dans les hautes fréquences que les transistors. Sans tubes à vide magnétron, les fours à micro-ondes bon marché n'existeraient pas, car les alternatives aux semi-conducteurs n'ont été inventées que récemment et restent chères. De nombreux circuits tels que des oscillateurs, des amplificateurs, des mélangeurs etc. sont plus faciles à expliquer avec des tubes et à voir comment ils fonctionnent, car les tubes classiques, en particulier les triodes,sont extrêmement faciles à polariser avec peu de composants et à calculer leur facteur d'amplification, leur polarisation, etc.

Comment fonctionnent les tubes à vide?

Les tubes à vide réguliers fonctionnent sur la base d'un phénomène appelé émission thermionique, également connu sous le nom d' effet Edison. Imaginez que c'est une chaude journée d'été que vous attendez en ligne dans une pièce étouffante, à côté d'un mur avec un radiateur sur toute sa longueur, d'autres personnes font la queue aussi et quelqu'un allume le chauffage, les gens commencent à s'éloigner du chauffage - alors quelqu'un ouvre la fenêtre et laisse entrer une brise froide, ce qui oblige tout le monde à y migrer. Lorsqu'une émission thermionique se produit dans un tube à vide, la paroi avec l'élément chauffant est la cathode, chauffée par un filament, les personnes sont les électrons et la fenêtre est l'anode. Dans la plupart des tubes à vide, la cathode cylindrique est chauffée par un filament (pas trop différent de celui d'une ampoule), ce qui fait que la cathode émet des électrons négatifs qui sont attirés par une anode chargée positivement, provoquant le passage d'un courant électrique dans l'anode. et hors de la cathode (rappelez-vous,courant va dans la direction opposée aux électrons).

Ci-dessous, nous expliquons l'évolution du tube à vide: diode, triode, tétrode et pentode ainsi que certains types spéciaux de tubes à vide comme le magnétron, le CRT, le tube à rayons X, etc.

Au début, il y avait des diodes

Ceci est utilisé dans le tube à vide le plus simple- la diode, constituée du filament, de la cathode et de l'anode. Le courant électrique traverse le filament au milieu, le faisant chauffer, briller et émettre un rayonnement thermique - semblable à une ampoule. Le filament chauffé chauffe la cathode cylindrique environnante, donnant suffisamment d'énergie aux électrons pour surmonter la fonction de travail, provoquant la formation d'un nuage d'électrons appelé région de charge d'espace autour de la cathode chauffée. L'anode chargée positivement attire les électrons de la région de charge d'espace provoquant un flux de courant électrique dans le tube, mais que se passerait-il si l'anode était négative? Comme vous le savez de vos leçons de physique au lycée, comme les charges repoussent - l'anode négative repousse les électrons et aucun courant ne circule, tout cela se passe dans le vide, car l'air empêche le flux d'électrons. C'est ainsi qu'une diode est utilisée pour redresser le courant alternatif.

Rien de tel que la bonne vieille Triode!

En 1906, un ingénieur américain appelé Lee de Forest a découvert que l'ajout d'une grille, appelée grille de contrôle, entre l'anode et la cathode permet de contrôler le courant d'anode. La construction de la triode est similaire à celle de la diode, la grille étant en fil de mobyldénium très fin. Le contrôle est réalisé en polarisant la grille avec une tension - la tension étant généralement négative par rapport à la cathode. Plus la tension est négative, plus le courant est faible. Lorsque la grille est négative, elle repousse les électrons, ce qui diminue le courant d'anode, si elle est positive, plus de courant d'anode circule, au prix de la grille devenant une minuscule anode, provoquant la formation d'un courant de grille qui pourrait endommager le tube.

La triode et les autres tubes «maillés» sont généralement polarisés en connectant une résistance de valeur élevée entre la grille et la masse, et une résistance de valeur inférieure entre la cathode et la masse. Le courant circulant dans le tube provoque une chute de tension sur la résistance cathodique, augmentant la tension cathodique par rapport à la masse. La grille est négative par rapport à la cathode, car la cathode est à un potentiel plus élevé que la masse à laquelle la grille est connectée.

Les triodes et autres tubes réguliers peuvent être utilisés comme interrupteurs, amplificateurs, mélangeurs et il y a beaucoup d'autres utilisations à choisir. Il peut amplifier les signaux en appliquant le signal à la grille et en le laissant diriger le courant d'anode, si une résistance est ajoutée entre l'anode et l'alimentation, le signal amplifié peut être retiré de la tension d'anode, car la résistance d'anode et le tube agissent similaire à un diviseur de tension, la partie triode variant sa résistance en fonction de la tension du signal d'entrée.

Les tétrodes à la rescousse!

Les premières triodes souffraient d'un faible gain et de capacités parasites élevées. Dans les années 1920, il a été constaté qu'en plaçant une deuxième grille (écran) entre le premier et l'anode, augmentait le gain et abaissait les capacités parasites, le nouveau tube s'appelait tétrode, ce qui signifie en grec quatre (tétra) voie (ode, suffixe). La nouvelle tétrode n'était pas parfaite, elle souffrait d'une résistance négative causée par une émission secondaire pouvant provoquer des oscillations parasites. L'émission secondaire s'est produite lorsque la deuxième tension de grille était supérieure à la tension d'anode, provoquant une baisse du courant d'anode avec les électrons frappant l'anode et éliminant d'autres électrons et les électrons étant attirés par la grille d'écran positive, provoquant une augmentation supplémentaire potentiellement dommageable de courant de grille.

Pentodes - la dernière frontière?

Les recherches sur les moyens de réduire les émissions secondaires ont abouti à l'invention de la pentode en 1926 par les ingénieurs néerlandais Bernhard DH Tellegen et Gilles Holst. Il a été constaté que l'ajout d'une troisième grille, appelée grille de suppression, entre la grille d'écran et l'anode, supprime les effets de l'émission secondaire en repoussant les électrons expulsés de l'anode vers l'anode puisqu'elle est soit connectée à la terre, soit à la cathode. Aujourd'hui, les pentodes sont utilisés dans les émetteurs en dessous de 50 MHz, car les tétrodes des émetteurs fonctionnent bien jusqu'à 500 MHz et les triodes jusqu'à la gamme gigahertz, sans parler de l'utilisation audiophile.

Différents types de tubes à vide

En dehors de ces tubes «réguliers», il existe de nombreux tubes industriels et commerciaux spécialisés conçus pour différents usages.

Magnétron

Le magnétron est similaire à la diode, mais avec des cavités résonnantes façonnées dans l'anode du tube et le tube entier situé entre deux aimants puissants. Lorsque la tension est appliquée, le tube commence l'oscillation, les électrons passant les cavités sur l'anode, provoquant la génération de signaux radiofréquence, dans un processus similaire au sifflement.

Tubes à rayons X

Les tubes à rayons X sont utilisés pour générer des rayons X à des fins médicales ou de recherche. Lorsqu'une tension suffisamment élevée est appliquée à la diode du tube à vide, des rayons X sont émis, plus la tension est élevée, plus la longueur d'onde est courte. Pour faire face au chauffage de l'anode, causé par les électrons qui la frappent, l'anode en forme de disque tourne, de sorte que les électrons heurtent différentes parties de l'anode pendant sa rotation, améliorant ainsi le refroidissement.

Tube CRT ou cathodique

Le CRT ou le «tube cathodique» était la principale technologie d'affichage à l'époque. Dans un tube cathodique monochromatique, une cathode chaude ou un filament faisant office de cathode émet des électrons. Sur leur chemin vers les anodes, ils traversent un petit trou dans le cylindre de Wehnelt, le cylindre agissant comme une grille de contrôle pour le tube et aidant à concentrer les électrons en un faisceau serré. Plus tard, ils sont attirés et focalisés par plusieurs anodes haute tension. Cette partie du tube (cathode, cylindre de Wehnelt et anodes) est appelée canon à électrons. Après avoir passé les anodes, elles passent les plaques de déflexion et heurtent l'avant fluorescent du tube, provoquant l'apparition d'un point lumineux à l'endroit où le faisceau frappe. Les plaques de déflexion sont utilisées pour balayer le faisceau à travers l'écran en attirant et en repoussant les électrons dans leur direction, il y en a deux paires, une pour l'axe X et une pour l'axe Y.

Un petit tube cathodique fait pour les oscilloscopes, on voit clairement (de gauche) le cylindre Wehnelt, les anodes circulaires et les plaques de déflexion en forme de lettre Y.

Tube à ondes progressives

Les tubes à ondes progressives sont utilisés comme amplificateurs de puissance RF à bord des satellites de communication et d'autres engins spatiaux en raison de leur petite taille, de leur faible poids et de leur efficacité aux hautes fréquences. Tout comme le CRT, il a un canon à électrons à l'arrière. Une bobine appelée «hélice» est enroulée autour du faisceau d'électrons, l'entrée du tube est reliée à l'extrémité de l'hélice plus proche du canon à électrons et la sortie est prise à l'autre extrémité. L'onde radio traversant l'hélice interagit avec le faisceau d'électrons, le ralentissant et l'accélérant en différents points, provoquant une amplification. L'hélice est entourée d'aimants de focalisation du faisceau et d'un atténuateur au milieu, son but est d'empêcher le signal amplifié de revenir à l'entrée et de provoquer des oscillations parasites. A l'extrémité du tube se trouve un collecteur,elle étant comparable à l'anode d'une triode ou d'une pentode mais aucune sortie n'en est prélevée, elle est localisée. Le faisceau d'électrons heurte le collecteur, mettant fin à son histoire à l'intérieur du tube.

Tubes Geiger – Müller

Les tubes Geiger – Müller sont utilisés dans les radiamètres, ils se composent d'un cylindre métallique (cathode) avec un trou à une extrémité et d'un fil de cuivre au milieu (anode) à l'intérieur d'une enveloppe de verre remplie d'un gaz spécial. Chaque fois qu'une particule passe à travers le trou et heurte la paroi de la cathode pendant un bref instant, le gaz dans le tube s'ionise, permettant au courant de circuler. Cette impulsion peut être entendue sur le haut-parleur du compteur comme un clic caractéristique!