Tube électronique à vide

Un tube électronique, ou lampe, est une ampoule de verre scellée et vidée d’air dans laquelle un filament chauffé émet des électrons qui gagnent une plaque de métal. À deux électrodes, il ne laisse passer le courant que dans un sens ; avec une grille de fil entre filament et plaque, une petite tension commande un fort courant. En 1883, Thomas Edison demanda un brevet pour une lampe à électrode supplémentaire servant à indiquer la tension du réseau, et en 1904 John Ambrose Fleming utilisa un tube de ce genre pour détecter les ondes radio. Les tubes firent ensuite marcher la radio, le téléphone à grande distance et les premiers ordinateurs électroniques.

Ce que c’est

Un tube électronique est une ampoule de verre, scellée et vidée d’air, qui renferme deux électrodes métalliques ou davantage, dont les fils traversent le verre jusqu’aux broches du culot. L’une des électrodes, la cathode, est chauffée, le plus souvent sous la forme d’un mince filament qui rougeoie comme celui d’une ampoule électrique. Une autre, une plaque de métal qui l’entoure, est l’anode. Les Britanniques l’appelaient valve, parce que le courant ne la traverse que dans un sens.

Le tube à deux électrodes, la diode, change le courant alternatif en courant qui circule dans un seul sens, et extrait le son d’un signal radio. Le tube à trois électrodes, la triode, ajoute une grille de fil fin entre filament et plaque et devient un amplificateur : un faible signal appliqué à la grille ressort à la plaque en copie bien plus forte. Avant le transistor, les tubes ont amplifié les voix du téléphone à grande distance, rendu possible la radio et assuré les commutations des premiers ordinateurs électroniques.

Comment ça marche

Un métal chauffé jusqu’à rougeoyer émet des électrons par sa surface, un peu comme un liquide chaud dégage de la vapeur. Dans une lampe munie d’une électrode supplémentaire, Thomas Edison constata qu’un courant n’allait vers cette électrode que si elle était positive par rapport au filament ; les Edison Papers de l’université Rutgers datent la première observation du 13 février 1880, l’IEEE de 1883. Ce courant est un flux d’électrons qui traversent le vide. Le vide compte doublement : les électrons voyagent sans heurter de molécules de gaz, et le filament chaud ne brûle pas.

Dans une diode, les électrons, qui sont négatifs, sont attirés par la plaque quand elle est positive et repoussés quand elle est négative. Le courant ne peut donc traverser le tube que dans un sens. Fleming s’en servit pour changer les oscillations rapides qui arrivent sur une antenne en un courant qu’un appareil de mesure ou un écouteur pouvait enregistrer, et les diodes fournirent plus tard aux postes de radio le courant continu dont ils avaient besoin à partir du secteur alternatif.

Dans une triode, les électrons partis du filament passent entre les fils de la grille pour atteindre la plaque.

Dans une triode, la grille est bien plus proche du filament que la plaque. Une grille légèrement négative renvoie beaucoup d’électrons, une grille moins négative en laisse passer davantage, et comme elle est très proche, une petite variation de sa tension produit une grande variation du courant de plaque. Si l’on renvoie une partie de la sortie de la plaque vers la grille, le tube oscille à une fréquence régulière : c’est ainsi que les émetteurs à tubes produisaient leurs ondes. Les tubes plus tardifs ont reçu d’autres grilles et une cathode faite d’un manchon enduit, chauffé de l’intérieur, mais le principe est resté le même.

Un tube demande une basse tension pour chauffer le filament et une tension bien plus élevée pour la plaque. Les appareils à tubes fonctionnent sous des tensions qui peuvent tuer, leurs condensateurs restent chargés une fois débranchés, et leur verre chauffe et peut imploser s’il se fêle. Seules des personnes formées devraient ouvrir et réparer les vieilles radios et les amplificateurs.

Histoire et évolution

Le 15 novembre 1883, Thomas Edison demande un brevet pour un indicateur électrique. C’est une lampe ordinaire à filament de carbone, avec une pièce de platine placée entre les branches du filament et reliée à un galvanomètre hors de l’ampoule. Le courant qui traverse le vide jusqu’au platine suit l’éclat de la lampe : le galvanomètre montre donc les variations de la tension du réseau, et son aiguille peut aussi fermer des contacts qui commandent des régulateurs. Le brevet est accordé en octobre 1884.

La valve d’oscillation de Fleming en 1904 : une lampe avec une plaque de métal près de son filament.

John Ambrose Fleming, professeur à l’University College de Londres, avait conseillé de 1881 à 1891 la compagnie d’éclairage électrique d’Edison à Londres et avait étudié l’effet Edison. En 1899, il devint conseiller scientifique de la compagnie de télégraphie sans fil de Marconi, qui cherchait de meilleurs détecteurs. En octobre 1904, il essaya des lampes munies d’une plaque métallique et constata qu’elles redressaient les oscillations radio. Il demanda le 16 novembre 1904 un brevet pour sa « valve d’oscillation ». Le Science Museum de Londres conserve une valve fabriquée pour lui par la compagnie Edison and Swan et utilisée en octobre 1904, ainsi que des lampes expérimentales de 1889 qu’il reprit cette année-là.

L’Audion de Lee de Forest plaçait une grille de fil entre le filament et la plaque.

Après avoir lu l’article de Fleming de 1905, Lee de Forest, à New York, place en 1906 une troisième électrode, un zigzag de fil, entre filament et plaque. Il appelle ce tube l’Audion et pense que le gaz resté à l’intérieur joue un rôle dans son fonctionnement. À la Western Electric, Harold Arnold et son équipe montrent que le tube marche d’autant mieux qu’il est plus complètement vidé. En octobre 1913, des amplificateurs à vide poussé sont installés sur une ligne téléphonique interurbaine partant de New York, et grâce à des répéteurs à tubes répartis le long du trajet, la ligne téléphonique de New York à San Francisco ouvre le 25 janvier 1915.

Dans les années 1920 et 1930, les tubes font entrer la radiodiffusion dans les foyers. L’ENIAC, ordinateur électronique construit à l’université de Pennsylvanie et présenté en février 1946, utilisait plus de 17 000 tubes, et en garder assez en état de marche à la fois fut le principal problème de ses constructeurs. À partir des années 1950, le transistor, plus petit, moins chaud et plus durable, reprend l’essentiel de leur travail.