Les tubes électroniques : comment ça marche ?

histoire d'une révolution
L'électronique à tubes est une technologie qui fêtera ses cent ans en 2004. Elle a véritablement permis l'essor de la radio au début du XXème siècle, mais aussi des premiers ordinateurs, de la télévision etc.
Après avoir été délaissés pendant près de vingt ans à partir des années 70, les tubes électroniques ont connu depuis une dizaine d'années un regain d'intérêt considérable dans les applications « domestiques », principalement pour tout ce qui touche au matériel audio.

Après une brève historique, nous allons étudier le principe de fonctionnement des tubes, et parallèlement présenter les principaux types existants. Enfin nous illustrerons leur utilisation dans les amplificateurs audio.
I- Les bases de l'électronique à tubes :
Nous sommes en 1883 et Edison vient de découvrir sans le savoir l'effet thermoïonique, que l'on appelle toujours aujourd'hui « l'effet Edison ».
Edison eut l'idée, pour améliorer sa lampe à incandescence (filament placé dans une ampoule sous vide, qui chauffé produit de la lumière), de rajouter une plaque métallique dans l'ampoule et d'utiliser une batterie, son pôle + étant connecté à la plaque et son pôle - au filament. Un courant s'établit alors dans le circuit pourtant apparemment « ouvert » entre le filament et la plaque.
En effet, les électrons arrachés au filament chauffé sont attirés par le potentiel positif de la plaque et traversent ainsi le vide de l'ampoule.
L'effet Edison est fondamental et est la base du fonctionnement de tous les tubes électroniques à vide.
Il faut cependant attendre 1904 pour que Fleming fabrique et brevette ce que l'on peut appeler le premier tube électronique, qu'il baptise la « valve ». Ce n'est ni plus ni moins qu'une diode, ou redresseur à vide, basé sur l'observation faite par Edison qu'en inversant la polarité de la pile entre le filament et la plaque le courant ne passait plus.
Attardons nous quelque peu sur les détails du fonctionnement de cette « valve ». Tout d'abord au niveau de son architecture interne : le filament, qui correspond au potentiel négatif (« producteur » d'électrons) est appelé « cathode », et la plaque qui est le potentiel positif est appelé « anode ». Une remarque importante à ce stade de la discussion est qu'en électronique à tubes le sens de courant correspond au sens réel du courant (déplacement des électrons), donc de la cathode vers l'anode.
Une notion essentielle dans le fonctionnement des tubes est celle de la « charge d'espace ».
En effet, les électrons arrachés de la cathode ne vont pas traverser directement le vide de l'ampoule pour rejoindre l'anode chargée positivement.

Imaginons deux électrodes (cathode et anode) planes placées à une certaine distance l'une de l'autre, l'anode étant pour le moment non chargée et donc au potentiel de la cathode. Dès que l'on chauffe la cathode des électrons vont être arrachés et se retrouver dans le vide entre les deux électrodes. Certains auront une énergie cinétique suffisante et arriverons à rejoindre l'anode (qui se charge alors légèrement négativement), mais pour la majorité, que se passe-t-il ? Ceux-ci sont d'un côté repoussés par le léger potentiel négatif de l'anode, et de l'autre par les nouveaux électrons qui s'échappent de la cathode toujours chauffée. Il va ainsi se former à proximité de la cathode un nuage d'électrons, c'est ce que l'on appelle la charge d'espace. Celle-ci va atteindre un niveau d'équilibre en fonction de la température de la cathode, donc de la tension de chauffage.
Maintenant appliquons une tension positive sur la plaque (anode) : les électrons à l'extérieur de la charge d'espace du côté de la plaque vont être attirés par celle-ci. Immédiatement d'autres électrons émis par la cathode vont pouvoir rejoindre la charge d'espace, la densité de cette dernière restant constante.

En fonctionnement normal, l'anode puise donc des électrons dans la charge d'espace et non pas directement sur la cathode. Ceci va assurer un flux électronique (donc un courant) indépendant des conditions aléatoires d'émission électronique de la cathode.
L'invention de la valve de Fleming arriva à point pour le développement du télégraphe longue distance.
Malgré tout il manquait un système permettant d'amplifier le signal avant la détection, il faut pour cela attendre encore quelques années.
II- La triode :
En 1907 l'américain Lee de Forest a l'idée de rajouter une « grille » entre la cathode et la plaque de la diode de Fleming, et les résultats dépassent les espérances : de faibles variations de la tension appliquée à la grille entraîne de grandes variations du courant de plaque. Cette invention baptisée « l'Audion » est aujourd'hui appelée triode, ou tube à trois électrodes.
Regardons de plus près le fonctionnement de la triode.
La grille est en fait portée à un potentiel négatif par rapport à la cathode. Les électrons émis par cette dernière et qui s'entassent dans la charge d'espace désormais située entre la cathode et la grille, vont être plus ou moins freinés par cette dernière lorsqu'ils voudront rejoindre l'anode, suivant le potentiel plus ou moins négatif de la grille.

La tension de la grille va donc « contrôler » le flux de courant produit par la source principale, et ce en théorie sans consommer de puissance à la source du signal, puisque dans une triode parfaite aucun courant ne peut circuler dans le circuit de grille. Comme on l'a dit précédemment, de faibles variations de la tension de grille vont provoquer de fortes variations du courant dans le circuit cathode/anode : c'est l'effet amplificateur.

Cet effet amplificateur est quantifié par le coefficient d'amplification, noté µ. La définition officielle (et exacte) est le rapport entre les variations de la tension de plaque et les variations de la tension de grille nécessaires pou maintenir le courant anodique à une valeur constante, ce qui peut se traduire plus physiquement par « le rapport des variations des tensions d'anode et de grille qui provoquent la même variation du courant anodique ».
µ=dVa / dVg

Pour les triodes communes, µ varie de quelques dizaines (ecc82/12AU7 : µ=17) à une centaine (ecc83/12AX7 : µ=100).
On dispose donc désormais d'un tube amplificateur.

Néanmoins le coefficient d'amplification des triodes est encore insuffisant pour amplifier des signaux de faible puissance et piloter par exemple des hauts parleurs.
III- Les tubes multi grilles :
L'ajout de nouvelles grilles entre la grille de commande et l'anode va permettre d'augmenter le coefficient d'amplification µ dans de grandes proportions.

La tétrode :

On rajoute tout d'abord une « grille écran » entre la grille de contrôle et l'anode. Celle-ci va être portée à un fort potentiel positif (de l'ordre de grandeur de celui de l'anode, mais toujours inférieur) et va donc accélérer considérablement les électrons. Elle joue aussi le rôle d'écran électrostatique et va réduire la capacité parasite grille/anode.

Typiquement, les tétrodes ont des µ compris entre 500 et 1000.
Mais apparaît une autre perturbation : l'énergie cinétique des électrons devient si grande qu'une partie d'entre eux va « rebondir » sur la plaque et ainsi perturber le flux électronique, c'est le phénomène « d'émission secondaire », que l'on va s'empresser de corriger au mieux.
La pentode :

L'adjonction d'une troisième grille polarisée très négativement entre la grille écran et l'anode va avoir pour but de forcer ces électrons qui ont rebondi à rejoindre l'anode au plus vite, c'est la grille de suppression. Généralement cette grille est connectée directement à la cathode.

On obtient ainsi des µ jusqu'à plusieurs milliers pour les pentodes.

IV- Les tubes aujourd'hui :
Une des grandes utilisations aujourd'hui pour les tubes concerne les amplificateurs audio (Hi-fi, instruments.), et dans ce secteur ceux-ci sont aujourd'hui la majorité du temps considérés comme la référence en matière de musicalité.

A cela on peut identifier plusieurs caractéristiques des tubes qui les avantagent par rapport aux transistors dans ce domaine :
- un fonctionnement indépendant de la température, vu que leur température de fonctionnement est constante et imposée par la température de chauffe
- un niveau de bruit constant, du à la densité constante de la charge d'espace
- pas de rupture brusque en fonctionnement normal, mais une dégradation progressive des caractéristiques
- favorise les harmoniques de rang paire, beaucoup plus agréables à l'oreille que ceux de rang impaire (transistors)

De manière générale les tubes sont toujours utilisés aujourd'hui dès que l'on a besoin de produire de l'énergie HF à forte puissance (>~1000W), que ce soit pour des tubes cathodiques (moniteurs, oscilloscopes.), des stations de radio, des radars. Ainsi par exemple le radar de nez de l'avion russe Mig 21 fonctionne à l'aide d'un tube.

Il est aussi à remarquer que bien que l'industrie du tube reprenne depuis quelques années de l'importance avec des fabricants / marques comme Sovtek, EH, Svetlana etc. la qualité de fabrication, et donc sonore, des tubes de l'age d'or (50's, 60's, début 70's) reste aujourd'hui inégalée.
Ceux-ci sont représentés le plus souvent par des marques prestigieuses telles que Mullard, Telefunken, RCA... qui constituent aujourd'hui ce qu'on appelle les "Tubes NOS" pour "New Old Stock".
Elles sont particulièrement recherchées par les amateurs désireux de retrouver le son unique et la longévité inégalée procurés par ces lampes qui ne sont plus fabriquées aujourd'hui.
Note : les illustrations sont tirées de l'excellente revue "LED" que je vous conseille si vous vous intéressez de prêt ou de loin à l'électronique musicale. Il y a d'ailleurs un dossier très complet sur les lampes et leur utilisation s'étendant sur de nombreux numéros.