Historique des tubes électroniques

Une audion de 1906

John Ambrose Fleming, conseiller scientifique à la société Marconi invente, en novembre 1904, la diode à vide[N 1] basée sur une observation de Thomas Edison[1] qui permet de créer un courant unidirectionnel[N 2] 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[2]. 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[3]. En 1919, William Eccles propose d'appeler « diode » le tube à vide contenant deux électrodes et « triode » celui qui en contient trois[4]. Contrairement aux noms précédemment utilisés, ces dénominations sont génériques et ne sont pas couvertes par des brevets ; elles deviennent rapidement d'usage général.

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 (heater) 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 (screen grid) 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).

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)[2].

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 contrôles, 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 pentagrilles, 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.

Un tube 6550C de fabrication actuelle

Le tube à faisceau dirigé[N 3] est dû aux travaux de l'ingénieur de la Radio Corporation of America (RCA), Otto H. Schade, en 1936[5]. Le premier tube à faisceau dirigé est construite par RCA au début de l'année 1936[6].

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.

Certains autoradios, certaines planches de bords automobiles ont utilisé autrefois des tubes à vide comme afficheurs, des tubes scellés utilisant des anodes recouvertes de phosphore pour l'affichage des caractères, et un filament chauffant comme source d'électrons. Ces composants sont appelés afficheurs fluorescents à vide.

L'ENIAC

À l'âge d'or des tubes, un simple téléviseur couleur demandait une vingtaine de tubes. Un récepteur de radionavigation DECCA des années 1950-1960 utilisait une centaine de tubes. Quant aux premiers ordinateurs ou calculateurs comme le Colossus ils utilisaient 2 000 tubes, l'ENIAC en utilisait près de 18 000 tout comme l'IBM 700.
Le changement de tubes en panne était le travail de base des dépanneurs et le problème de fiabilité devint la principale limitation à la complexité des équipements.

Pour certaines applications spéciales, les tubes sont volontairement remplis de gaz. Par exemple, les régulateurs de tension au gaz sont des tubes à gaz pouvant contenir différents gaz inertes comme l'argon, l'hélium ou le néon ; ces tubes tirent avantage du gaz en utilisant son ionisation qui se produit à une tension prévisible. Aujourd'hui les diodes zener ont remplacé avantageusement les tubes comme référence de tension.

Le thyratron est un tube pour les applications spéciales (variateur électronique de lumière dans l'éclairage scénique, avant l'invention du triac) qui est rempli avec des gaz à basse pression, et qui est utilisé comme commutateur électronique à haute vitesse.

Les tubes afficheurs à gaz, populairement appelés Nixie, ont été utilisés dans tous les instruments de comptage des années 1950-1970 : horloges, compteurs, fréquencemètres. Ils tapissaient les murs des centres de contrôle du début du spatial, et des laboratoires de recherche nucléaire. Le tube Nixie comportait 10 électrodes en forme de chiffres décimaux, alimentées sous une tension de 100 V, ce qui produisait un halo du gaz rare dans lequel elles étaient plongées (en général le néon pour le rouge).

Le nuvistor 6DS4 de la RCA qui est une triode d'environ 20 mm de haut et de 11 mm de diamètre.

Les tubes ont généralement une enveloppe en verre, mais le métal, le quartz fondu (verre de silice), et la céramique sont des choix possibles. La première version de la 6L6 utilisait une enveloppe en métal dont les sorties étaient rendues étanches avec des perles de verres, plus tard un disque de verre fondu dans le métal fut utilisé. Le métal et la céramique sont utilisés principalement pour les tubes d'une puissance (de dissipation) supérieure à 2 kW. Le nuvistor est un petit tube réalisé seulement avec du métal et de la céramique. Dans certains tubes de puissance, l'enveloppe de métal est aussi l'anode. Le 4CX800A est un tube à anode externe de ce type. L’air est soufflé directement sur les ailettes de l'anode, ce qui permet un bon refroidissement. Les tubes de puissance utilisant cette technique de refroidissement sont disponibles jusqu'à une puissance dissipée de 150 kW. Au-dessus de cette puissance, un système de refroidissement à eau ou bien un refroidissement eau/vapeur est utilisé. Le tube le plus puissant disponible actuellement est le Eimac 8974, un tube refroidi par eau d'une puissance dissipable de 1,5 MW (1,5 million de watts). (En comparaison le plus « gros » transistor peut seulement dissiper 1 000 W). Une paire de 8974 est capable de produire 2 millions de watts de puissance audio, mais ce n'est pas là son application principale. La 8974 est utilisée dans des applications militaires spéciales et dans les applications radiofréquences commerciales.

Vers la fin de la Seconde Guerre mondiale, certaines radios d'avion et à usage militaire commencèrent à intégrer l'enveloppe du tube au boîtier de la radio en aluminium ou zinc, ceci afin de rendre les radios plus robustes. La radio devint alors seulement un circuit imprimé sans tube, soudé au châssis qui le contenait. Une autre idée de la Seconde Guerre mondiale fut de fabriquer de petits tubes, très résistants, en verre. Ils furent tout d'abord utilisés en radiofréquence pour les détecteurs de métaux intégrés aux obus d'artillerie ; cette détection de proximité rendit l'artillerie antiaérienne plus efficace. Ces petits tubes furent connus plus tard sous le nom de tubes « subminiatures ». Ils furent largement utilisés dans les années 1950 dans l'électronique militaire et d'aviation (le Concorde utilisait une électronique à tubes).