Tubes à Ionisation Gaz : Principes, Types et Applications

Jusqu'ici nous avons examiné les tubes à vide, complètement évacués de gaz et vapeur. L'introduction de gaz ou vapeurs spécifiques dans l'enveloppe transforme le comportement du tube, lui permettant d'exécuter des fonctions spécialisées dans les circuits électroniques.

L'application d'une tension suffisamment élevée à travers une région remplie de gaz, ou son chauffage, arrache les électrons de leurs noyaux atomiques — un processus appelé ionisation. Les électrons libérés dérivent comme un courant électrique, transformant le gaz en plasma conducteur.

Bien que le gaz ionisé ne soit pas un conducteur parfait, sa résistance cause une libération d'énergie sous forme de chaleur. Cette auto-chauffe soutient l'ionisation, donc une fois que le tube commence à conduire, il reste allumé jusqu'à ce que la tension ou le courant appliqué tombe sous un seuil.

Ce comportement miroir celui des thyristors, qui exhibent de l'hystérésis : ils restent allumé après déclenchement et restent éteint jusqu'à re-déclenchement. Les tubes à gaz affichent aussi de l'hystérésis.

En contraste avec les tubes à vide, les tubes d'ionisation étaient fréquemment construits sans filament — connus comme tubes à cathode froide — tandis que ceux avec un chauffage étaient appelés tubes à cathode chaude. La présence de chaleur altère les caractéristiques d'un tube, bien que l'effet soit moins prononcé que dans les tubes à vide.

Le dispositif d'ionisation le plus basique est souvent pas un tube mais un écart d'étincelle : deux électrodes séparées par un espace rempli de gaz. L'écart peut être rempli d'air ambiant ou d'un gaz spécial, ce dernier requérant une enceinte scellée.

Les écarts d'étincelle sont largement utilisés pour la protection contre les surtensions. Conçus pour rester non-conductifs sous tensions normales, ils déclenchent quand la tension monte brusquement. En conduisant, ils tirent de grands courants, créant une chute de tension qui clampe le système. Quand la tension tombe sous le niveau de claquage, l'écart s'éteint.

Une limitation clé des écarts d'étincelle est leur durée de vie finie. La décharge intense érode les surfaces d'électrodes par piqûres ou fusion.

Les écarts d'étincelle peuvent être déclenchés délibérément en insérant une troisième électrode pointue et en l'impulsant avec haute tension. L'étincelle induite ionise une portion du chemin entre les électrodes principales, permettant la conduction si la tension appliquée dépasse le seuil de claquage.

Les écarts d'étincelle déclenchés et non-déclenchés peuvent gérer d'énormes courants, même jusqu'à des méga-ampères. La limitation principale est la taille physique des électrodes et de l'enceinte.

Enfermer les électrodes dans un tube scellé avec un gaz spécial crée un tube à décharge. L'exemple le plus familier est la lampe néon, dont la couleur de lueur dépend du gaz utilisé.

Les lampes néon partagent une construction similaire aux écarts d'étincelle, pourtant elles opèrent différemment :

Ajuster l'espacement des électrodes et le type de gaz permet aux lampes néon de conduire à des courants modestes. Elles affichent encore l'hystérésis — tension d'allumage plus haute que tension d'extinction — et possèdent une résistance non-linéaire : tension plus haute donne courant plus haut, plus chaleur, et résistance plus basse. Excéder la tension de conception risque surchauffe et dommage.

Le comportement non-linéaire rend aussi les tubes néon utiles comme régulateurs de tension, fonctionnant comme une diode Zener en tirant plus de courant quand la tension baisse. Dans ce rôle, ils sont appelés tubes lueur ou régulateurs de tension et étaient communs dans les circuits de l'ère des tubes.

Remarquez le point noir dans le symbole de tube ci-dessus — et dans le symbole lampe néon. Il dénote un tube à gaz, une convention standard dans les schémas de tubes.

Un tube lueur régulateur typique est le VR-150, qui maintient une sortie nominale de 150 V. Sa résistance varie de 5 kΩ à 30 kΩ — une plage 6:1 — permettant le couplage à des tubes amplificateurs pour une régulation améliorée et des courants de charge plus élevés, analogue aux diodes Zener modernes.

Une triode à gaz se comporte comme les autres tubes à gaz mais offre un avantage additionnel : la tension grille-cathode fixe la tension plaque-cathode minimale requise pour s'allumer. Effectivement, elle sert d'homologue à gaz du SCR semi-conducteur, connu sous le nom de thyratron.

Le schéma est une simplification. Certains thyratrons requièrent que la tension de grille change de polarité entre états allumé/éteint, et certains ont plusieurs grilles.

Les thyratrons sont employés similaires aux SCRs, régulant le CA redressé pour grosses charges comme moteurs. Les fabricants varient le remplissage gazeux — gaz inertes, hydrogène, vapeur de mercure, ou même deutérium — pour adapter la performance au commutage haute tension.