Worldlex Wiki La tétrode a été développée dans les années 1920 en ajoutant une grille supplémentaire à la première lampe à vide amplificatrice, la triode , afin de corriger ses limitations. Entre 1913 et 1927, trois types distincts de tétrodes sont apparus. Toutes possédaient une grille de commande classique servant à contrôler le courant traversant le tube, mais elles différaient par la fonction de l'autre grille. Par ordre d'apparition, il s'agit de : la tétrode à grille d'espace , la tétrode à double grille et la tétrode à grille écran . Cette dernière se déclinait en deux variantes distinctes, destinées à des applications différentes : la tétrode à grille écran proprement dite, utilisée pour l'amplification de signaux faibles en moyenne fréquence, et la tétrode à faisceau, apparue plus tard et utilisée pour l'amplification de puissance audio ou radiofréquence. La première fut rapidement remplacée par la pentode RF , tandis que la seconde fut initialement développée comme alternative à la pentode pour l'amplification de puissance audio. La tétrode à faisceau a également été développée comme tube émetteur radio de haute puissance.
Les tétrodes ont été largement utilisées dans de nombreux appareils électroniques grand public tels que les radios, les téléviseurs et les systèmes audio jusqu'à ce que les transistors remplacent les tubes électroniques dans les années 1960 et 1970. Les tétrodes à faisceau ont continué d'être utilisées jusqu'à une période assez récente dans des applications de puissance telles que les amplificateurs audio et les émetteurs radio.
La tétrode fonctionne de manière similaire à la triode , dont elle est dérivée. Un courant traversant le filament chauffe la cathode , ce qui provoque l'émission d'électrons par effet thermoélectronique . Une tension positive est appliquée entre l'anode et la cathode, induisant un flux d'électrons de la cathode vers l'anode à travers les deux grilles. Une tension variable appliquée à la grille de commande permet de contrôler ce courant, et donc de faire varier le courant d'anode. En présence d'une charge résistive ou autre dans le circuit d'anode, la variation du courant entraîne une variation de la tension d'anode. Avec une polarisation appropriée , cette tension est une version amplifiée (mais inversée) de la tension alternative appliquée à la grille de commande, ce qui représente un gain en tension . Dans la tétrode, la fonction de l'autre grille varie selon le type de tétrode ; ce point est abordé plus loin.
tube de grille de charge spatiale
Le tube à grille de charge d'espace fut le premier type de tétrode à apparaître. Au cours de ses recherches sur le fonctionnement du tube triode audion inventé par Edwin Howard Armstrong et Lee de Forest , Irving Langmuir découvrit que l'action de la cathode thermoïonique chauffée consistait à créer une charge d'espace , ou nuage d'électrons, autour de la cathode . Ce nuage agissait comme une cathode virtuelle. Avec une faible tension anodique appliquée, de nombreux électrons de la charge d'espace retournaient à la cathode et ne contribuaient pas au courant anodique ; seuls ceux situés à sa limite extérieure étaient affectés par le champ électrique dû à l'anode et accélérés vers celle-ci. Cependant, si une grille portant un faible potentiel positif appliqué (environ 10 V) était insérée entre la cathode et la grille de commande, la charge d'espace pouvait être étendue plus loin de la cathode. Ceci avait deux avantages, tous deux liés à l'influence des champs électriques des autres électrodes (anode et grille de commande) sur les électrons de la charge d'espace. Premièrement, une augmentation significative du courant anodique pouvait être obtenue avec une faible tension anodique ; Il était possible d'optimiser le fonctionnement de la valve avec une tension anodique appliquée plus faible. Deuxièmement, la transconductance (courant anodique par rapport à la tension de la grille de commande) du tube a été augmentée. Ce dernier effet était particulièrement important car il augmentait le gain en tension disponible de la valve.
Les tubes à charge d'espace sont restés des composants utiles tout au long de l'ère des tubes électroniques et ont été utilisés dans des applications telles que les autoradios fonctionnant directement sur une alimentation de 12 V, où seule une faible tension anodique était disponible. Le même principe a été appliqué à d'autres types de tubes à grilles multiples, comme les pentodes . Par exemple, le Sylvania 12K5 est décrit comme « une tétrode conçue pour fonctionner en charge d'espace. Elle est destinée à être utilisée comme pilote d'amplificateur de puissance lorsque les potentiels sont directement issus d'une batterie automobile de 12 V. » La grille de charge d'espace était alimentée à +12 V, soit la même tension que l'alimentation anodique.
Une autre application importante de la tétrode à charge d'espace était son utilisation comme tube électromètre pour la détection et la mesure de courants extrêmement faibles. Par exemple, le FP54 de General Electric était décrit comme un « tube à grille à charge d'espace… conçu pour avoir une impédance d'entrée très élevée et un courant de grille très faible. Il est conçu particulièrement pour l'amplification de courants continus inférieurs à environ 10⁻⁹ A » triode , la première grille de la tétrode résultante est la grille de charge d'espace et la seconde grille est la grille de contrôle .
Vanne bi-réseau
Dans une tétrode à deux grilles, les deux grilles sont destinées à transporter des signaux électriques ; elles servent donc toutes deux de grilles de commande. Le premier exemple apparu en Grande-Bretagne fut la Marconi-Osram FE1, conçue par H.J. Round et commercialisée en 1920 Ce tube était destiné à être utilisé dans un circuit réflexe (par exemple, le récepteur de navire monotube Type 91 ), où il assurait les fonctions combinées d'amplificateur RF, d'amplificateur BF et de détecteur à diode. Le signal RF était appliqué à une grille de commande et le signal BF à l'autre. Ce type de tétrode a été utilisé de manière très ingénieuse avant que l'apparition du tube à grille écran ne révolutionne la conception des récepteurs
Une application est illustrée. Il s'agit d'un émetteur de téléphonie AM où la seconde grille et l'anode forment un oscillateur de puissance , la première grille servant d'électrode de modulation. Le courant anodique du tube, et donc l'amplitude du signal RF de sortie, est modulé par la tension appliquée à G1, elle-même issue d'un microphone à charbon. Un tube de ce type peut également être utilisé comme récepteur CW (radiotélégraphie) à conversion directe. Dans ce cas, le tube oscille grâce au couplage entre la première grille et l'anode, tandis que la seconde grille est couplée à l'antenne. La fréquence de battement BF est audible au casque. Le tube agit alors comme un détecteur de produit auto-oscillant . Une autre application très similaire du tube à double grille était celle de mélangeur de fréquence auto-oscillant dans les premiers récepteurs superhétérodynes Une grille de commande transportait le signal RF entrant, tandis que l'autre était connectée à un circuit oscillateur qui générait l'oscillation locale au sein du même tube. Comme le courant anodique du tube à deux grilles était proportionnel à la fois au signal appliqué à la première grille et à la tension de l'oscillateur sur la seconde, la multiplication requise des deux signaux était réalisée et le signal de fréquence intermédiaire était sélectionné par un circuit accordé connecté à l'anode. Dans chacune de ces applications, la tétrode à deux grilles fonctionnait comme un multiplicateur analogique asymétrique , le courant de plaque, outre la transmission des deux signaux d'entrée, incluant le produit des deux signaux appliqués aux grilles.
Le récepteur superhétérodyne
Le concept de superhétérodyne pourrait être mis en œuvre à l'aide d'un tube comme oscillateur local et d'un autre tube comme mélangeur, recevant le signal d'antenne et celui de l'oscillateur local comme signaux d'entrée. Par souci d'économie, ces deux fonctions pourraient également être combinées dans une seule tétrode à double grille, capable d'osciller et de mélanger en fréquence le signal RF provenant de l'antenne. Plus tard, ce principe a été appliqué de manière similaire au tube convertisseur à pentagrille , un tube amplificateur/oscillateur à deux entrées comparable, mais qui (comme les pentodes ) intégrait une grille de suppression et, dans ce cas, deux grilles écran afin d'isoler électrostatiquement l'anode et les deux grilles de signal l'une de l'autre. Dans les récepteurs actuels, basés sur une technologie de semi-conducteurs peu coûteuse ( transistors ), la combinaison des deux fonctions dans un seul composant actif ne présente aucun avantage économique.
vanne à grille de tamis
Le tube à grille écran offre une capacité grille-anode bien plus faible et un facteur d'amplification nettement supérieur à celui d'une triode. Les circuits amplificateurs radiofréquences utilisant des triodes étaient sujets à des oscillations dues à la capacité grille-anode de la triode. Dans le tube à grille écran, une grille , appelée grille de blindage ou parfois grille d'accélération, est insérée entre la grille de commande et l'anode. Cette grille écran assure un blindage électrostatique entre la grille de commande et l'anode, réduisant ainsi la capacité entre elles à une valeur très faible. Afin de réduire l'influence du champ électrique de l'anode sur la charge d'espace de la cathode et sur la grille de commande, le physicien Walter H. Schottky a développé , entre 1915 et 1916, les premiers tubes comportant une grille placée entre l'anode et la grille de commande pour assurer un blindage électrostatique. Schottky a breveté ces tubes à grille écran en Allemagne en 1916 et aux États-Unis en 1919. Ces tubes étaient produits en Allemagne et connus sous le nom de tubes Siemens-Schottky. Au Japon, Hiroshi Ando a breveté des améliorations apportées à la construction de la grille écran en 1919. Au cours de la seconde moitié des années 1920, Neal H. Williams et Albert Hull chez General Electric , H.J. Round chez MOV et Bernard Tellegen chez Philips ont mis au point des tubes à grille écran améliorés. Ces tubes à grille écran améliorés ont été commercialisés pour la première fois en 1927.
La rétroaction via la capacité grille-anode (effet Miller) de la triode pouvait provoquer des oscillations, notamment lorsque l'anode et la grille étaient connectées à des circuits résonants accordés, comme c'est généralement le cas dans un amplificateur radiofréquence (RF). Pour les fréquences supérieures à environ 100 kHz, un circuit de neutralisation était nécessaire. Une triode typique utilisée pour l'amplification de petits signaux présentait une capacité grille-anode de 8 pF , tandis que la valeur correspondante pour un tube à grille écran typique était de 0,025 pF . Les circuits de neutralisation n'étaient pas nécessaires pour un étage d'amplification RF à tube à grille écran bien conçu.
La grille écran est connectée à une tension continue positive et à la masse alternative grâce à un condensateur de découplage . Le fonctionnement utile du tube à grille écran en tant qu'amplificateur est limité aux tensions anodiques supérieures à la tension de grille écran. Pour des tensions anodiques supérieures à la tension de grille écran, certains électrons provenant de la cathode atteignent la grille écran, générant un courant d'écran, tandis que la plupart traversent les espaces libres de la grille et rejoignent l'anode. Lorsque la tension anodique s'approche puis devient inférieure à la tension de grille écran, le courant d'écran augmente, comme illustré sur le diagramme caractéristique.
Un avantage supplémentaire de la grille écran est apparu lors de son ajout. Le courant anodique devient quasiment indépendant de la tension anodique, pourvu que cette dernière soit supérieure à la tension écran. Ceci correspond à une résistance dynamique anodique très élevée, permettant ainsi un gain en tension bien plus important lorsque l'impédance de charge anodique est élevée. Le courant anodique est contrôlé par les tensions de la grille de commande et de la grille écran. Par conséquent, les tétrodes sont principalement caractérisées par leur transconductance (variation du courant anodique en fonction de la tension de la grille de commande), tandis que les triodes sont caractérisées par leur facteur d'amplification ( μ ), soit leur gain en tension maximal. Lors de l'introduction des tubes à grille écran, une triode typique utilisée dans les récepteurs radio présentait une résistance dynamique anodique de 20 kΩ ou moins, tandis que celle d'un tube à grille écran typique était de 500 kΩ. Un étage amplificateur RF ondes moyennes à triode typique produisait un gain en tension d'environ 14, tandis que les étages amplificateurs RF à tube à grille écran atteignaient des gains en tension de 30 à 60.
Afin d'exploiter pleinement la très faible capacité grille-anode, un blindage entre les circuits d'anode et de grille a été mis en œuvre lors de la construction du poste radio. Le tube S625 était monté dans un blindage métallique plan, mis à la terre et aligné avec la grille écran interne. Le circuit d'entrée, ou circuit de commande, se trouvait d'un côté du blindage, tandis que le circuit d'anode, ou circuit de sortie, était de l'autre. Dans le récepteur illustré, utilisant des tubes S23, chaque étage complet de l'amplificateur RF à deux étages, ainsi que l'étage de détection accordé, était enfermé dans un grand boîtier métallique individuel pour le blindage électrostatique . Ces boîtiers ont été retirés de l'illustration, mais on peut encore apercevoir les bords relevés de leurs bases.
Ainsi, les tubes à grille écran permettaient une meilleure amplification des radiofréquences dans les gammes de moyennes et hautes fréquences des équipements radio. Ils furent couramment utilisés dans la conception des étages d'amplification des récepteurs radio de la fin de 1927 à 1931, avant d'être remplacés par le tube pentode .
Caractéristiques de l'anode des vannes à grille écran
Dans les applications normales, la tension anodique était d'environ 150 V, tandis que celle de la grille écran était d'environ 60 V (Thrower, p. 183). La grille écran étant positive par rapport à la cathode, elle capte une certaine fraction (environ un quart) des électrons qui, autrement, passeraient de la zone de la grille à l'anode. Ceci induit un courant dans le circuit de la grille écran. Généralement, ce courant est faible et négligeable. Cependant, si la tension anodique est inférieure à celle de la grille écran, cette dernière peut également capter les électrons secondaires éjectés de l'anode par l'impact des électrons primaires énergétiques. Ces deux effets tendent à réduire le courant anodique. Si la tension anodique augmente à partir d'une valeur basse, la grille écran étant à sa tension de fonctionnement normale (60 V, par exemple), le courant anodique augmente initialement rapidement car une plus grande quantité d'électrons traversant la grille écran sont captés par l'anode plutôt que de retourner à la grille. Cette partie de la caractéristique anodique d'une tétrode ressemble à la partie correspondante de celle d'une triode ou d'une pentode . Cependant, lorsque la tension anodique augmente encore, les électrons arrivant à l'anode possèdent une énergie suffisante pour provoquer une importante émission secondaire. Nombre de ces électrons secondaires sont capturés par l'électrode écran, qui est à un potentiel positif supérieur à celui de l'anode. Ceci entraîne une diminution du courant anodique au lieu d'une augmentation lorsque la tension anodique augmente. Dans certains cas, le courant anodique peut même devenir négatif (le courant sort de l'anode) ; ceci est possible car chaque électron primaire peut produire plusieurs électrons secondaires. La diminution du courant anodique positif, accompagnée d'une augmentation de la tension anodique, confère à la caractéristique anodique une zone de pente négative, correspondant à une résistance négative susceptible d'entraîner une instabilité dans certains circuits. Pour des tensions anodiques plus élevées, la tension anodique dépasse suffisamment celle de l'électrode écran pour qu'une proportion croissante d'électrons secondaires soit attirée vers l'anode. Le courant anodique augmente alors à nouveau et la pente de la caractéristique anodique redevient positive. Dans une gamme de tensions anodiques encore plus élevées, le courant anodique devient sensiblement constant, puisque tous les électrons secondaires retournent alors à l'anode, et le principal facteur de contrôle du courant dans le tube est la tension de la grille de commande. Il s'agit du mode de fonctionnement normal du tube.
La caractéristique anodique d'un tube à grille écran est donc très différente de celle d'une triode . Lorsque la tension anodique est inférieure à la tension de grille écran, on observe une résistance négative caractéristique, appelée région dynatron ou coude de tétrode . La région de courant quasi constant et de faible pente, pour des tensions anodiques supérieures à la tension de grille écran, diffère également nettement de celle de la triode et constitue la zone de fonctionnement utile du tube à grille écran en tant qu'amplificateur . Cette faible pente est très avantageuse, car elle améliore considérablement le gain en tension du dispositif. Les premiers tubes à grille écran présentaient des facteurs d'amplification (c'est-à-dire le produit de la transconductance et de la résistance de pente anodique, R La région de fonctionnement à résistance négative de la tétrode est exploitée dans l' oscillateur dynatron , qui est un exemple d'oscillateur à résistance négative.(Eastman, p431)
tétrode à faisceau
La tétrode à faisceau élimine la zone de dynatron, ou coude de tétrode, du tube à grille écran en utilisant des faisceaux d'électrons partiellement collimatés pour créer une zone de charge d'espace dense et à faible potentiel entre la grille écran et l'anode, qui renvoie les électrons d'émission secondaire de l'anode vers celle-ci. La caractéristique anodique de la tétrode à faisceau est moins arrondie aux basses tensions anodiques que celle de la pentode de puissance, ce qui se traduit par une puissance de sortie plus élevée et une distorsion harmonique de troisième ordre plus faible pour une même tension d'alimentation anodique. Les tétrodes à faisceau sont généralement utilisées pour l'amplification de puissance , des fréquences audio aux radiofréquences . La tétrode à faisceau a été brevetée en Grande-Bretagne en 1933 par trois ingénieurs d'EMI : Isaac Shoenberg, Cabot Bull et Sidney Rodda. En 1936, O.H. Schade a détaillé la théorie et la conception de la 6L6 chez RCA.
Tétrode à distance critique
La société High Vacuum Valve de Londres (Hivac) a lancé en août 1935 une gamme de tétrodes de puissance exploitant l'effet de distance critique de J.H. Owen Harries pour éliminer la zone de dynatron de la caractéristique tension-courant anodique. Ces tubes à distance critique utilisaient le retour des électrons secondaires de l'anode vers celle-ci par effet de charge d'espace. Les caractéristiques physiques distinctives de ces tétrodes étaient une grande distance entre la grille écran et l'anode, ainsi qu'une structure de grille elliptique. Cette grande distance favorisait la formation d'une charge d'espace à faible potentiel, permettant le retour des électrons secondaires de l'anode vers celle-ci lorsque le potentiel de l'anode était inférieur à celui de la grille écran. La forme elliptique des grilles permettait d'éloigner les tiges de support de la grille de commande de la cathode, réduisant ainsi leur influence sur le facteur d'amplification en fonction de la tension de la grille de commande. À une tension de grille de commande nulle ou négative, les barres de support et la grille de commande formaient le flux d'électrons provenant de la cathode en deux zones principales de courant spatial, distantes de 180 degrés et dirigées vers deux larges secteurs de la circonférence de l'anode. Ces caractéristiques permettaient d'obtenir une puissance de sortie légèrement supérieure et une distorsion inférieure à celles d'une pentode de puissance comparable, en raison de la saturation survenant à une tension anodique plus basse et de la courbure accrue (rayon plus petit) de la caractéristique tension anodique-courant anodique à basses tensions anodiques. Une gamme de tétrodes de ce type a été introduite, destinée au marché des récepteurs domestiques. Certaines étaient équipées de filaments supportant deux volts en courant continu, conçus pour les postes de faible puissance fonctionnant sur piles ; d'autres possédaient des cathodes à chauffage indirect, avec des résistances supportant quatre volts ou plus, pour un fonctionnement sur secteur. Les puissances de sortie nominales variaient de 0,5 watt à 11,5 watts. De manière déroutante, plusieurs de ces nouveaux tubes portaient la même référence que des pentodes existantes aux caractéristiques presque identiques. Exemples : Y220 (0,5 W, filament 2 V), AC/Y (3 W, chauffage 4 V), AC/Q (11,5 W, chauffage 4 V).