Triode (électronique)

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L'Audion de Lee De Forest, 1906.
Triode à chauffage direct

La lampe triode est le premier dispositif amplificateur d'un signal électronique. L'ingénieur américain Lee De Forest est l'inventeur, en 1906, de cette lampe qu'il nomme Audion[N 1]. C'est le physicien W. H. Eccles qui donne le nom de triode à cette lampe à trois électrodes[1].

Historique[modifier | modifier le code]

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

La triode se compose d'une cathode semiconductrice à chaud, émettrice d'électrons, d'une anode réceptrice, et d'une grille placée entre les deux.

  • La cathode est chauffée par un filament placé derrière. (Parfois le filament et la cathode ne forment qu'un seul élément). Le chauffage de la cathode confère suffisamment d'énergie aux électrons de la cathode pour leur permettre de se libérer (on parle d'émission cathodique) et de rejoindre un « nuage électronique » dans le vide entourant la cathode appelé charge d'espace. La cathode possède un potentiel (souvent le 0V) plus petit que celui de l'anode provoquant la migration des électrons vers l'anode, car les électrons (charge négative) sont attirés par les charges positives de l'anode.
  • En jouant sur le potentiel (tension) de la grille par rapport à la cathode, un nombre plus ou moins grand d'électrons émis par la cathode arriveront jusqu'à l'anode, créant un courant variable entre anode et cathode : l'amplification de puissance est réalisée car la grille ne consomme pas de courant, c'est en théorie un potentiel statique.

Schéma[modifier | modifier le code]

Triode

Caractéristiques de la triode[modifier | modifier le code]

Le facteur d'amplification μ d'une triode exprime le rapport entre la tension amplifiée sur l'anode et la tension d'entrée appliquée sur la grille : \mu = {Ua \over Ug}

Il est aussi égal au rapport entre la capacité parasite grille-cathode Cgc et la capacité parasite anode-cathode Cac : \mu = {Cgc \over Cac}.

Cette deuxième équation montre qu'une diminution de la distance entre la grille et la cathode permet d'augment le facteur d'amplification du tube, car cela aura pour effet d'augmenter la capacité entre la grille et la cathode.

La loi de Child permet de décrire le courant d'anode d'une triode : Ia = A \left ( \mu Ug + Ua \right )^\frac{3}{2} où A est une constante qui dépend de la géométrie du tube.

De l'expansion de Taylor de cette équation au voisinage du point de travail du tube, on trouve \Delta I_a = \tfrac{\partial I_a}{\partial U_g}\Delta U_g + \tfrac{\partial I_a}{\partial U_a}\Delta U_a = g_m\Delta U_g+\tfrac 1{r_a}\Delta U_a.

La première dérivée partielle de cette équation est la pente de la caractéristique de transfert au point d'opération et elle est appelée la conductance mutuelle g_m ou transconductance, laquelle s'exprime en mho, ou plus communément en mA/V (1mmho = 1 mA/V). La deuxième dérivée partielle est la pente S de la caractéristique d'anode. Cependant dans le métier, on a gardé l'appellation "pente S" (en mA/V) pour désigner, en Europe, l'équivalent de la transconductance, aux États-Unis. Le réciproque de cette pente est appelée la résistance interne d'anode r_a qui s'exprime en ohm.

Pour \Delta I_a=0 et en introduisant ces définitions, cette équation peut être écrite 0 = g_m\Delta U_g+\tfrac 1{r_a}\Delta U_a ou g_m r_a=-\frac {\Delta U_a}{\Delta U_g}.

Le terme de droite est équivalent à la définition du facteur d'amplification soit le produit de la pente x par la résistance interne appelé µ. Le signe - signifie que la tension d'anode diminue quand la tension de grille augmente. Cette dernière équation peut être écrite \mu = r_a g_m, formule très utile pour retrouver un des paramètres du tube quand les deux autres sont connues.

Application[modifier | modifier le code]

Cette invention permit l'apparition du cinéma parlant, de la TSF (radio), et plus tard de l'informatique, ainsi que des progrès dans les communications téléphoniques en permettant une amplification importante du signal sans effets de distorsion.

  • La triode fut vite perfectionnée par ajout d'une (pour la tétrode) puis, deux grilles supplémentaires, évitant des effets indésirables, notamment l'effet « dynatron ». Ce tube pentode sera rapidement adopté dans la plupart des amplificateurs à tubes, pour son meilleur rendement. Ceux-ci sont toujours utilisés aujourd'hui, et très appréciés des guitaristes (amplificateurs) et des amateurs de Hi-Fi (en dépit de la nécessité de remplacer régulièrement les tubes, dont la cathode s'épuise. Néanmoins, la durée de vie moyenne d'un tube de puissance dépasse souvent les 2000 heures) en raison de leurs excellentes qualités pour la reproduction du son, parmi lesquelles on peut noter :
  • le spectre harmonique enviable en régime linéaire,
  • la bonne réponse aux transitoires produisant un son réputé plus naturel,
  • et accessoirement l'entrée en saturation douce lors de l'écrêtage (bien qu'il ne soit pas d'usage en Hi-Fi d'entrer dans les zones de saturation et d'écrêtage, si l'on excepte le cas assez particulier d'un ampli en Classe B)

En dehors du domaine marginal des collectionneurs et mélomanes, la triode est largement utilisée comme amplificateur de forte puissance (500 watts et au-delà) jusqu'à 100 mégahertz environ, en montage "grille commune", avec l'avantage d'absence de neutrodynage, contrairement à la pentode. Ces triodes pour amplificateurs linéaires HF peuvent fournir de 500 W à 15 kW. Les fournisseurs principaux sont EIMAC et AMPEREX.

Modèles courant[modifier | modifier le code]

Principales triodes utilisées en audio[modifier | modifier le code]

Pour les préamplificateurs[modifier | modifier le code]

Type \mu r_a en k\Omega g_m en mA/V Pa max en W Ua max en V
ECC83-12AX7 double triode à fort \mu 100 62 1,6 1.2 300
ECC82-12AU7 double triode à faible \mu 17 7,7 2,2 2,75 300
ECC81-12AT7 double triode à \mu moyen 60 11 5,5 2,5 300

Pour les amplificateurs (puissance)[modifier | modifier le code]

Type \mu r_a en \Omega g_m en mA/V Pa max en W Ua max en V
845 triode de puissance 5,3 1700 3,1 100 1250
300B triode de puissance 3,85 700 5,5 40 450

Principales triodes industrielles[modifier | modifier le code]

Eimac 3CX1500A7
  • 3CW30000H3 dissipation maximale 30 kW à 100 MHz
  • 3CW20000A7 dissipation maximale 20 kW à 140 MHz
  • 3CX15000H3 dissipation maximale 15 kW à 90 MHz
  • 3CX10000A7 dissipation maximale 10 kW à 160 MHz
  • 8161R dissipation maximale 4 kW à 110 MHz
  • 833A dissipation maximale 0,4 kW à 30 MHz
  • TH5-4 dissipation maximale 4 kW à 110 MHz
  • TH6-3 dissipation maximale 10 kW à 140 MHz
  • 3-500Z dissipation maximale 1000 W à 50 MHz

(valeurs indicatives pouvant varier selon le fabricant)

Notes et références[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. Histoire de la lampe de radio, op. cit. p. 6

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Le brevet est déposé le 29 janvier 1907

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

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Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Bernard Machard, Histoire de la lampe de radio, Lacour, Nîmes, 1989.
  • Germain Dutheil, Guide des tubes BF, Publitronic Elektor, 1999.
  • Jean Hiraga, Initiation aux amplis à tubes, Dunod, 2000.
  • Francis Ibre, Tubes audio anciens et récents, ISBN 978-2-86661-155-2, Publitronic Elektor, 2007.
  • Francis Ibre, Audio tubes : caractéristiques & utilisation, ISBN 978-2-86661-174-3, Publitronic Elektor, 2010.
  • Peter Dieleman, Théorie & pratique des amplificateurs audio à tubes, Elektor, 2005
  • (en) George Shiers, The First Electron Tube, in Scientific american, March 1969, p. 104.
  • (en) Gerald Tyne, Saga of the vacuum tube, in Prompt Publications, 1977, p. 30-83, reprint 1994.
  • (en) John Stokes, 70 years of radio tubes and valves, in Vestal Press, NY, 1982, p. 3-9.
  • (en) Keith Thrower History of the British Radio Valve to 1940, in MMA International, 1982, p 9-13.