Diodes à tube vide expliquées : fonctionnement, histoire et applications modernes

Diodes à tube vide à enveloppe métallique

Ces derniers temps, nous avons vu beaucoup d'avancées technologiques dans le domaine des dispositifs électriques. Aujourd'hui, on trouve une multitude de transistors créant des portes logiques et permettant le calcul.

Mais les ordinateurs existaient avant l'invention des transistors et du courant continu. Bien que cette première forme d'ordinateur était si massive qu'elle occupait des pièces entières et pesait des milliers de livres au 20e siècle.

La diode à tube vide a joué le rôle de transistors dans ces ordinateurs géants. Bien que les transistors dirigent le monde des dispositifs électroniques modernes, la diode à vide a encore ses utilisations.

Dans cet article, nous allons tout vous montrer sur la diode à tube vide, son fonctionnement, ses types et applications pour votre PCB, et ses caractéristiques.

Commençons !

Tube vide

Qu'est-ce qu'une diode à tube vide ?

Avant l'ère des transistors de Sir John, Ambrose Fleming a créé ce que nous connaissons comme le tube vide — en 1904. Sir Lee De Forest (du 17e siècle) est un autre nom à retenir, surtout concernant les radios et les filaments liés aux diodes à tube vide.

Le tube vide est un dispositif qui bloque le flux d'électrons individuels d'un courant électrique dans un sens (anode vers cathode) tout en permettant le flux de courant électrique dans l'autre sens (cathode vers anode).

Maintenant, la diode à vide est la forme la plus simple du tube vide qui produit et contrôle les électrons libres. De plus, la diode à vide a deux électrodes que nous connaissons sous le nom de cathode et anode. L'anode fonctionne comme collecteur d'électrons, tandis que la cathode sert d'émetteur d'électrons. Elle fonctionne aussi comme un filament de 1,4 volt avec une valve unidirectionnelle supportant à la fois des filaments chauffés et fins.

De plus, la cathode peut être une électrode positive ou négative lors de sa décharge de champ électrostatique. En d'autres termes, elle a d'excellentes propriétés d'émission de champ.

Les anodes sont des cylindres métalliques creux faits de nickel ou de fer. Cependant, dans les situations de haute puissance, on trouve des anodes en molybdène, graphite ou tantale car les événements de haute puissance peuvent endommager les anodes en nickel ou fer. De plus, les anodes sont plus grandes que les cathodes pour dissiper la chaleur sans forte augmentation de température. Donc, vous ne pouvez pas considérer une anode comme ayant un faible courant.

D'autre part, les cathodes consistent en un simple filament de tungstène ou de tungstène thorifié. Aussi, les cathodes avec lignes de champ peuvent être des tubes en nickel recouverts d'oxyde de baryum ou de strontium. De plus, les cathodes recouvertes d'oxyde montrent une meilleure efficacité d'émission.

Comment fonctionnent les diodes à tube vide

En examinant le fonctionnement d'une diode à vide, il est important de connaître l'efficacité de la façon dont les électrons s'échappent d'une surface.

Le nombre de flux d'électrons qu'un matériau chauffé peut émettre par unité de surface est lié à une constante 'b' et à une température absolue. La constante 'b' indique ce qu'un électron primaire fait pour échapper à la surface.

Ainsi, à partir de cela, nous pouvons dériver une équation pour le courant quittant la surface externe :

I = AT²ε (–b/T)

Équation pour le courant quittant la surface externe

Où :

I – courant mesuré en ampères

A – constante pour le type de matériau émetteur

T – température en degrés absolus

b – travail nécessaire pour que l'électron quitte la surface externe

Les inventions de Walter H. Schottky et Thomas Edison soutiennent également l'équation ci-dessus.

Diodes à tube vide à haut vide

Pour la plupart, les diodes à tube vide thermioniques fonctionnent comme les tubes modernes. Mais avec une taille plus grande. De plus, elles comportent un conteneur sous vide avec une anode et une cathode connectées à une source de tension.

Tension Anode et Cathode

L'anode (borne positive) traite la tension positive. Elle fonctionne donc sur le principe de l'émission thermionique. De plus, le filament chauffe la cathode (borne négative) et permet l'émission d'électrons. Ces électrons émis sont ensuite attirés vers l'anode. Cependant, si la tension positive que l'anode reçoit n'est pas suffisante, elle n'attirera pas les électrons de la cathode.

Filament électrique

Pour cette raison, un nuage invisible d'électrons s'accumulera dans l'espace entre l'anode et la cathode, créant une charge d'espace. La charge d'espace repousse les autres électrons quittant la cathode. Donc, arrêtant l'émission d'électrons et le flux de courant à travers le circuit.

Mais, si la tension d'alimentation appliquée entre l'anode et la cathode est assez élevée, l'effet de charge d'espace sera neutralisé lentement. De cette façon, le flux d'électrons vers l'anode sera libre. Ainsi, les électrons peuvent se déplacer à travers le vide à l'intérieur de l'enveloppe de verre du tube vide. Pour cette raison, rien ne bloque l'émission d'électrons, permettant ainsi le flux libre de courant de l'anode vers la cathode.

De plus, à mesure que la tension appliquée sur l'anode augmente, le courant augmente aussi. Finalement, la charge d'espace disparaît complètement, et l'anode atteint l'émission maximale depuis la cathode.

Note :

La seule façon d'augmenter l'émission d'électrons de la cathode est d'augmenter la température de la cathode. Cela augmente aussi l'énergie des électrons permettant à plus d'électrons de quitter la cathode.

Bien que toutes les zones de la diode à vide comportent une charge d'espace, elle est assez importante dans la région de la cathode. Pourquoi ? Parce qu'elle détermine des éléments critiques — y compris l'émission maximale.

En revanche, si l'anode traite une tension négative, il n'y aura pas de flux d'électrons — car elle ne sera pas chaude. De plus, les électrons qui quittent le tube à rayons cathodiques chauffé ne se déplaceront pas vers l'anode. Ce processus accumule une forte charge d'espace entre l'anode et le tube à rayons cathodiques. En raison de la forte répulsion de la charge d'espace, tous les électrons reviennent vers la cathode. Par conséquent, aucun courant ne circule à travers le circuit.

Caractéristiques des diodes à vide

Voici quelques caractéristiques des diodes à tube vide.

Diode comme redresseur

Lorsqu'on applique un courant alternatif à votre anode, sa polarité restera positive pendant un demi-cycle positif. Ainsi, les électrons peuvent circuler vers l'anode. De plus, pendant un demi-cycle négatif, la plaque reste négative, ce qui termine le courant d'anode.

Donc, cela montre que les diodes à tube vide permettront au courant d'anode de circuler dans un seul sens et produiront un courant de sortie redressé. Et cela fonctionne mieux avec une diode thermionique ou une diode semi-conductrice avec tension de chauffage ou tensions inverses.

Redresseur à diode

Deux types de cathodes

La diode à tube vide peut utiliser deux types de cathodes :

Cathode chauffée directement

Ici, la cathode sert aussi de filament. On peut donc l'appeler cathode de type filament.

Cathode à chauffage indirect

Ici, la cathode a une fine manchette métallique recouverte d'oxydes. Les manchettes servent de cathode, et il y a un fil de tungstène électriquement isolé séparé de la manchette.

Charge d'espace

La charge d'espace est une caractéristique importante de la diode à tube vide. Une charge positive apparaît sur la cathode quand elle émet des électrons. Elle permet à la cathode d'attirer les électrons et de créer une charge d'espace dans l'enveloppe du tube vide.

Matériaux de cathode

Voici deux matériaux de cathode courants :

Tungstène

Le tungstène comprend un métal pur, et il a une fonction de travail de 4,54 eV. Vous pouvez faire fonctionner ce matériau en toute sécurité à 2500°K et l'utiliser dans un tube de haute puissance, tubes thermioniques à vide, ou tubes à ondes progressives.

Barre de tungstène

Tungstène thorifié

Ce matériau fonctionne dans les cathodes chauffées directement. Il supporte les électrons à basse température (environ 700°C à 750°C. Vous pouvez faire fonctionner ce matériau avec une haute efficacité et une faible puissance de chauffage.

Types de diodes à tube vide

Le type de diode à tube vide a six classifications qui incluent :

• Diodes à vide pour gamme de fréquence (émetteurs radio, micro-ondes, audio)

Micro-ondes

• Diodes à vide pour puissance nominale (puissance audio, petit signal) avec champ uniforme
• Diodes à vide type cathode/filament
• Diodes à vide pour fonctions spécialisées (détecteurs de lumière)
• Diodes à vide pour applications (tubes émetteurs ou tubes récepteurs)
• Diodes à vide pour paramètres spécialisés (amplification audio faible bruit)

Applications

Les applications pour les diodes à tube vide incluent :

• Horloges atomiques
• Tubes à rayons X
• Postes de radio
• Batterie de polarisation de grille
• Systèmes audio
• Tubes régulateurs de tension
• Électrode de contrôle
• Amplificateur triode
• Amplificateur électronique
• Applications grand public
• Commutation de circuit haute vitesse
• Tubes Klystron
• Systèmes de propulsion ionique
• Équipement électronique
• Équipement alimenté par batterie
• Équipement audio professionnel
• Communications radio
• Collecteurs solaires
• Systèmes micro-ondes
• Systèmes militaires avec alimentation (haute tension)
• Composants micro-ondes pour téléphone mobile, Bluetooth et Wi-Fi
• Satellites de téléphonie cellulaire
• Accélérateurs de particules
• Tubes photomultiplicateurs
• Stroboscopes
• Systèmes électroniques semi-conducteurs sous vide
• Dispositifs électroniques sous vide
• Affichages à panneau sous vide

Mot de la fin

Malgré le monde maintenant alimenté par des transistors, la diode à vide a encore ses utilisations. Peut-être l'utilisation moderne la plus remarquable de la diode à vide est dans la communauté musicale. La plupart des audiophiles préfèrent la qualité sonore des amplificateurs électroniques à tube vide plutôt que les amplis à semi-conducteurs.

Tubes à vide à enveloppe unique

Une autre application notable est les émetteurs RF de haute puissance. Les diodes à tube vide génèrent plus de puissance que les homologues à semi-conducteurs. On trouve donc des tubes à vide dans les scanners IRM, les accélérateurs de particules, et même les fours à micro-ondes. Cela conclut cet article. Si vous avez des questions, n'hésitez pas à nous contacter. Nous serons heureux de vous aider.