Tubes électroniques - histoire, principe de fonctionnement, conception, application
Tube électronique (tube radio) — une innovation technique au début du XXe siècle qui a fondamentalement changé les méthodes d'utilisation des ondes électromagnétiques, déterminé la formation et l'épanouissement rapide de l'ingénierie radio. L'apparition de la lampe radio a également été une étape importante dans la direction du développement et de l'application des connaissances en ingénierie radio, qui sont devenues plus tard connues sous le nom d '«électronique».
Histoire des découvertes
La découverte du mécanisme de fonctionnement de tous les appareils électroniques à vide (rayonnement thermoélectronique) a été faite par Thomas Edison en 1883 alors qu'il travaillait à l'amélioration de sa lampe à incandescence. Pour plus de détails sur l'effet d'émission thermionique, voir ici -Courant électrique dans le vide.
Radiation thermique
En 1905, utilisant cette découverte, John Fleming a créé le premier tube électronique - "un dispositif pour convertir le courant alternatif en courant continu". Cette date est considérée comme le début de la naissance de toute l'électronique (voir — Quelles sont les différences entre l'électronique et l'électrotechnique). La période de 1935 à 1950est considéré comme l'âge d'or de tous les circuits à lampes.
Brevet de John Fleming
Les tubes à vide ont joué un rôle très important dans le développement de l'ingénierie radio et de l'électronique. A l'aide d'un tube à vide, il s'est avéré possible de générer des oscillations continues, nécessaires à la radiotéléphonie et à la télévision. Il est devenu possible d'amplifier les signaux radio reçus, grâce à quoi la réception de stations très éloignées est devenue disponible.
De plus, la lampe électronique s'est avérée être le modulateur le plus parfait et le plus fiable, c'est-à-dire un dispositif permettant de changer l'amplitude ou la phase des oscillations haute fréquence en basse fréquence, ce qui est nécessaire pour la radiotéléphonie et la télévision.
L'isolation des oscillations de fréquence audio dans le récepteur (détection) est également réalisée avec le plus de succès à l'aide d'un tube électronique. Le fonctionnement du tube à vide en tant que redresseur de courant alternatif a longtemps fourni de l'énergie aux appareils d'émission et de réception radio. En plus de tout cela, les tubes à vide étaient largement utilisés en électrotechnique (voltmètres, fréquencemètres, oscilloscopes, etc.), ainsi que les premiers ordinateurs.
L'apparition au cours de la deuxième décennie du XXe siècle de tubes électroniques techniquement adaptés disponibles dans le commerce a donné à l'ingénierie radio une impulsion puissante qui a transformé tous les équipements d'ingénierie radio et a permis de résoudre un certain nombre de problèmes inaccessibles à l'ingénierie radio à oscillations amorties.
Brevet de tube à vide 1928
Publicité pour les lampes dans le magazine d'ingénierie radio 1938
Inconvénients des tubes à vide : grande taille, encombrement, faible fiabilité des appareils construits sur un grand nombre de lampes (des milliers de lampes ont été utilisées dans les premiers ordinateurs), besoin d'énergie supplémentaire pour chauffer la cathode, dégagement de chaleur élevé, nécessitant souvent un refroidissement supplémentaire.
Le principe de fonctionnement et le dispositif des tubes électroniques
Le tube à vide utilise le processus d'émission thermionique - l'émission d'électrons à partir d'un métal chauffé dans un cylindre sous vide. La pression de gaz résiduelle est si négligeable que la décharge dans la lampe peut pratiquement être considérée comme purement électronique, car le courant d'ions positifs est extrêmement faible par rapport au courant d'électrons.
Regardons le dispositif et le principe de fonctionnement d'un tube à vide en prenant l'exemple d'un redresseur électronique (kénotron) Ces redresseurs, utilisant un courant électronique dans le vide, ont le facteur de correction le plus élevé.
Le kénotron se compose d'un ballon en verre ou en métal dans lequel un vide poussé (environ 10-6 mmHg Art.) est créé. Une source d'électrons (filament) est placée à l'intérieur du ballon, qui sert de cathode et est chauffée par un courant provenant d'une source auxiliaire : elle est entourée d'une électrode de grande surface (cylindrique ou plate), qui est l'anode.
Les électrons émis par la cathode tombant dans le champ entre l'anode et la cathode sont transférés à l'anode si son potentiel est plus élevé. Si le potentiel cathodique est plus élevé, le kénotron ne transmet pas de courant. La caractéristique courant-tension du kénotron est presque parfaite.
Des kénotrons à haute tension étaient utilisés dans les circuits d'alimentation des émetteurs radio.Dans la pratique des laboratoires et des radioamateurs, les petits redresseurs kénotron étaient largement utilisés, permettant d'obtenir un courant redressé de 50 à 150 mA à 250 à 500 V. courant alternatifretiré de l'enroulement auxiliaire du transformateur alimentant les anodes.
Pour simplifier l'installation des redresseurs (généralement des redresseurs pleine onde), des kénotrons à double anode ont été utilisés, contenant deux anodes séparées dans un cylindre commun avec une cathode commune. La capacité interélectrode relativement faible du kénotron de conception adaptée (dans ce cas on l'appelle une diode) et la non linéarité de ses caractéristiques ont permis de l'utiliser pour divers besoins d'ingénierie radio : détection, réglages automatiques du mode récepteur et autres fins.
Deux structures de cathode ont été utilisées dans les tubes à vide. Les filaments cathodiques directs (directs) sont réalisés sous la forme d'un fil ou d'une bande incandescente chauffée par le courant d'une batterie ou d'un transformateur. Les cathodes à chauffage indirect (chauffées) sont plus complexes.
Filament de tungstène - le radiateur est isolé avec une couche de céramique ou d'oxydes d'aluminium résistant à la chaleur et est placé à l'intérieur d'un cylindre de nickel recouvert d'une couche d'oxyde à l'extérieur. Le cylindre est chauffé par échange de chaleur avec le réchauffeur.
Du fait de l'inertie thermique du cylindre, sa température, même alimentée en courant alternatif, est pratiquement constante. La couche d'oxyde qui donne des émissions notables à basse température est la cathode.
L'inconvénient de la cathode à oxyde est l'instabilité de son fonctionnement lorsqu'elle est chauffée ou surchauffée.Ce dernier peut se produire lorsque le courant d'anode est trop élevé (proche de la saturation), car en raison de la résistance élevée, la cathode surchauffe, dans ce cas la couche d'oxyde perd son émission et peut même s'effondrer.
Le grand avantage de la cathode chauffée est l'absence de chute de tension à ses bornes (due au courant du filament lors du chauffage direct) et la possibilité d'alimenter les éléments chauffants de plusieurs lampes à partir d'une source commune en toute indépendance des potentiels de leurs cathodes.
Les formes particulières des radiateurs sont liées à la volonté de réduire le champ magnétique nocif du courant de lueur, qui crée un «fond» dans le haut-parleur du récepteur radio lorsque le radiateur est alimenté en courant alternatif.
Couverture du magazine "Radio-craft", 1934
Lampes à deux électrodes
Deux lampes à électrodes ont été utilisées pour le redressement du courant alternatif (kénotrons). Des lampes similaires utilisées dans la détection par radiofréquence sont appelées diodes.
Lampes à trois électrodes
Un an après l'apparition d'une lampe techniquement appropriée à deux électrodes, une troisième électrode y a été introduite - une grille en forme de spirale, située entre la cathode et l'anode. La lampe à trois électrodes résultante (triode) a acquis un certain nombre de nouvelles propriétés précieuses et est largement utilisée. Une telle lampe peut maintenant fonctionner comme un amplificateur. En 1913, avec son aide, le premier autogénérateur est créé.
Inventeur de la triode Lee de Forest (a ajouté une grille de contrôle au tube électronique)
La Triode Lee Forrest, 1906.
Dans une diode, le courant d'anode n'est fonction que de la tension d'anode.Dans une triode, la tension de grille contrôle également le courant d'anode. Dans les circuits radio, les triodes (et tubes multi-électrodes) sont généralement utilisées avec une tension secteur alternative appelée « tension de commande ».
Lampes multi-électrodes
Les tubes multi-électrodes sont conçus pour augmenter le gain et réduire la capacité d'entrée du tube. La grille supplémentaire protège de toute façon l'anode des autres électrodes, c'est pourquoi on l'appelle une grille de blindage (écran). La capacité entre l'anode et la grille de commande dans les lampes blindées est réduite à des centièmes de picofarad.
Dans une lampe blindée, les changements de tension d'anode affectent beaucoup moins le courant d'anode que dans une triode, donc le gain et la résistance interne de la lampe augmentent fortement, tandis que la pente diffère relativement peu de la pente de la triode.
Mais le fonctionnement d'une lampe blindée est compliqué par l'effet dit dynatron : à des vitesses suffisamment élevées, les électrons atteignant l'anode provoquent une émission secondaire d'électrons depuis sa surface.
Pour l'éliminer, un autre réseau appelé réseau de protection (antidynatron) est introduit entre la grille et l'anode. Il se connecte à la cathode (parfois à l'intérieur de la lampe). Étant à potentiel nul, cette grille ralentit les électrons secondaires sans affecter de manière significative le mouvement du flux d'électrons primaires. Cela élimine le creux de la caractéristique de courant d'anode.
Ces lampes à cinq électrodes - pentodes - se sont généralisées, car selon la conception et le mode de fonctionnement, elles peuvent acquérir des propriétés différentes.
Ancienne publicité pour la pentode Philips
Les pentodes haute fréquence ont une résistance interne de l'ordre du mégohm, une pente de plusieurs milliampères par volt et un gain de plusieurs milliers. Les pentodes de sortie basse fréquence se caractérisent par une résistance interne nettement inférieure (dizaines de kilo-ohms) avec une pente du même ordre.
Dans les lampes dites à faisceau, l'effet dynatron est éliminé non pas par la troisième grille, mais par la concentration du faisceau d'électrons entre la deuxième grille et l'anode. Il est obtenu en disposant symétriquement les spires des deux grilles et la distance de l'anode à celles-ci.
Les électrons quittent les grilles en « faisceaux plats » concentrés. La divergence du faisceau est en outre limitée par des plaques de protection à potentiel zéro. Un faisceau d'électrons concentré crée une charge d'espace sur l'anode. Un potentiel minimum se forme près de l'anode, suffisant pour ralentir les électrons secondaires.
Dans certaines lampes, la grille de commande est réalisée sous la forme d'une spirale à pas variable. Étant donné que la densité de réseau détermine le gain et la pente de la caractéristique, dans cette lampe, la pente s'avère variable.
À des potentiels de réseau légèrement négatifs, l'ensemble du réseau fonctionne, la pente s'avère importante. Mais si le potentiel de grille est fortement négatif, alors la partie dense de la grille ne permettra pratiquement pas le passage des électrons, et le fonctionnement de la lampe sera déterminé par les propriétés de la partie peu enroulée de la spirale, donc le gain et la pente sont considérablement réduites.
Cinq lampes à grille sont utilisées pour la conversion de fréquence. Deux des réseaux sont des réseaux de contrôle - ils sont alimentés par des tensions de fréquences différentes, les trois autres réseaux remplissent des fonctions auxiliaires.
Une publicité dans un magazine de 1947 pour les tubes à vide électroniques.
Lampes de décoration et de marquage
Il y avait un grand nombre de différents types de tubes à vide. Parallèlement aux lampes à ampoule en verre, les lampes à ampoule en métal ou en verre métallisé sont largement utilisées. Il protège la lampe des champs extérieurs et augmente sa résistance mécanique.
Les électrodes (ou la plupart d'entre elles) mènent aux broches sur la base de la lampe. La base à huit broches la plus courante.
Les petites lampes de type "doigt", "gland" et les lampes miniatures d'un diamètre de ballon de 4-10 mm (au lieu du diamètre habituel de 40-60 mm) n'ont pas de culot : les fils d'électrode sont réalisés à travers le culot du ballon - cela réduit la capacité entre les entrées. Les petites électrodes ont également une faible capacité, de sorte que de telles lampes peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées que les lampes conventionnelles : jusqu'à des fréquences de l'ordre de 500 MHz.
Les lampes balises étaient utilisées pour fonctionner à des fréquences plus élevées (jusqu'à 5000 MHz). Ils diffèrent par la conception de l'anode et de la grille. La grille en forme de disque est située dans la base plate du cylindre, soudée dans le verre (anode) à une distance de dixièmes de millimètre. Dans les lampes puissantes, les ballons sont en céramique spéciale (lampes en céramique). D'autres lampes sont disponibles pour les très hautes fréquences.
Dans les tubes électroniques de très haute puissance, il était nécessaire d'augmenter la surface de l'anode et même de recourir à un refroidissement par air forcé ou par eau.
Le marquage et l'impression des lampes sont très divers. De plus, les systèmes de marquage ont changé plusieurs fois. En URSS, une désignation de quatre éléments a été adoptée :
1. Un nombre indiquant la tension du filament, arrondi au volt le plus proche (les tensions les plus courantes sont 1,2, 2,0 et 6,3 V).
2. Une lettre indiquant le type de lampe. Ainsi, les diodes sont désignées par la lettre D, les triodes C, les pentodes de caractéristique courte Zh, de longueur K, les pentodes de sortie P, les doubles triodes H, les kénotrons Ts.
3. Un numéro indiquant le numéro de série de la conception d'usine.
4. La lettre qui caractérise le design de la lampe.Alors maintenant, les lampes en métal n'ont plus du tout la dernière désignation, les lampes en verre sont indiquées par la lettre C, le doigt P, les glands F, la miniature B.
Des informations détaillées sur les marquages, les broches et les dimensions des lampes sont mieux recherchées dans la littérature spécialisée des années 40 aux années 60. XXe siècle.
L'utilisation des lampes à notre époque
Dans les années 1970, tous les tubes à vide ont été remplacés par des dispositifs semi-conducteurs : diodes, transistors, thyristors, etc. Dans certaines régions, les tubes à vide sont encore utilisés, par exemple dans les fours à micro-ondes. magnétrons, et les kénotrons sont utilisés pour le redressement et la commutation rapide de la haute tension (dizaines et centaines de kilovolts) dans les sous-stations électriques pour le transport d'électricité par courant continu.
Il existe un grand nombre de self-made people, les soi-disant « tube sound », qui construit aujourd'hui des appareils sonores amateurs sur des tubes à vide électroniques.