Thermoélectronique

Effet thermoélectronique
Les tubes à vide

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Expérience

Dans une ampoule de verre un filament et une plaque métallique.
Les extémités du filament et la plaque sont reliés à des conducteurs qui traversent le verre.
On fait un vide poussé dans l'ampoule.


Le filament est relié à une source de faible tension qui le rend juste incandescent.
La plaque est reliée au pôle plus d'une source de tension assez élevée.
Un ampèremètre inséré dans le circuit décèlera le passage d'un courant interne
entre plaque et filament.

Surprenant, puisque le circuit est apparemment coupé à l'intérieur de l'ampoule.

Toutefois, si on inverse la source de haute tension ou si on ne chauffe pas le filament
aucun courant ne peut être décelé.

Les conditions de conduction sont :

  • un vide poussé dans l'ampoule
  • l'incandescence du filament
  • la polarité de la source de haute tension entre plaque et filament,
    son pôle positif devant obligatoirement être appliqué à la plaque, le moins au filament.


Un tel dispositif ne comportant que deux électrodes : le filament et la plaque,
s'appelle une DIODE.
L'électrode constituée par la plaque prend le nom d'ANODE.
Le filament constitue également une électrode, c'est la CATHODE.

 


Comment expliquer ce phénomène ?

Les atomes constituant le filament comportent des noyaux fixes
et des électrons qui circulent librement au sein du métal.
Les électrons libres.

La température augmente leur agitation au sein du métal qui s'entoure alors d'un "nuage électonique".
Ce nuage reste extrêmement proche de la surface du métal car si des électrons quittaient définitivement celui-ci,
la masse du filament présenterait une carence en charges négatives.
Elle deviendrait du même coup positive ce qui attirerait les électrons transfuges.
Les électrons ne peuvent pas quitter définitivement le métal.


Nuage à la surface de la cathode

Si à proximité nous plaçons une plaque métallique reliée au pôle positif d'une source de haute tension,
ces électrons seront attirés par cette anode.
Si la tension est suffisante, elle pourra compenser la force d'attraction que la cathode exerce sur eux.
Ils pourront alors la quitter pour aller vers l'anode.

Toutefois, cela ne sera possible que si la source de haute tension est également reliée, par son pôle moins à la cathode, fournissant à celle-ci les électrons qu'elle perd dans leur fuite vers l'anode.

Cela ne sera possible, également, que si ces électrons ne rencontrent pas de molécules de gaz
dans leur course vers l'anode.

C'est la raison du vide très poussé qu'il convient de pratiquer dans l'enceinte close.
De phénomènes d'ionisation également peuvent perturber le fonctionnement
du tube si le vide n'est pas quasi-complet.

Enfin, le filament devra être suffisament incandescent.
La chauffe au rouge sombre suffit.

Ce phénomène est connu sous le nom d ' EFFET THERMO-ELECTRONIQUE


Dessin de la première diode inventée et réalisée par John Ambrose Fleming en 1904

Sens du courant
Certains peuvent être perplexes : l'analyse du phénomène montre que les les électrons vont bien de la cathode vers l'anode,
alors que les schémas montrent un courant orienté de l'anode vers la cathode !

Ceux -là oublient que le sens conventionnel du courant électrique, que nous adoptons pour nos schémas, est l'inverse du sens réel des électrons.

On améliore nettement les performances de ce dispositif en entourant le filament cathode
d'un petit cylindre constitué de nickel recouvert de sels de baryum.
Dès lors, c'est lui qui deviendra la véritable cathode, le filament ne servant qu'à le chauffer.
On a appelé ce dispositif une cathode à chauffage indirect.
Les sels de baryum ont la propriété de favoriser le pouvoir émissif d'électrons.
La cathode à chauffage indirect est, bien entendu isolée électriquement du filament.


Un vide peu poussé donne lieu à des collisions entre électrons et molécules de gaz résiduelles.
Celles-ci, ionisées positivement se précipitent sur la cathode dont elles détruisent progressivement le pouvoir émissif.
Le tube vieillit prématurément.

Encore un argument pour pratiquer un vide poussé.
On améliorait grandement ce vide en intruduisant certains produits chimiques dans l'enceinte.
Dès qu'elle était vidée d'air, on procédait à la chauffe de ces produits par des champs magnétiques tournants.
Ces produits prenaient feu et transformaient le peu d'air qui restait
en des sels solides qui se déposaient sur la paroi interne du verre.
Ces dispositifs s'appellaient des "getters".

Diode réelle à deux plaques.
Plaque et cathode sont constituées par deux cylindres de même axe très proches l'un de l'autre.
La plaque est le cylindre externe laissant voir la cathode par l'éclaté.
Elle même éclatée, la cathode fait apparaître le filament en rouge.

On remarquera la pièce en forme d'étrier dans la partie supérieure du tube.
C'est le "getter". Il soutenait un film du produit qui, par incandescence provoquée extérieurement,
a absorbé la plupart du gaz résiduel après qu'on ait fait le vide dans l'ampoule.
Le film a bien entendu disparu. Seules restent des traces noires miroitantes de sa volatilisation sur la face interne du verre.


Les diodes de redressement

La principale application des diodes était le redressement des tensions alternatives du secteur
pour les divers montages électroniques à lampes qui exigeaient de fortes tensions continues.
Voici le montage classique dit MONO-ALTERNANCE.




On observera la représentation schématique d'une diode thermo électronique.
Celle-ci est dotée (comme la quasi totalité des modèles) d'une cathode indirecte.
L'enveloppe électro émissive est représentée détachée du filament.

Ce filament était presque toujours chauffé par une tension alternative de 6,3 V efficaces
fournie par l'un des enroulements secondaires du transformateur d'alimentation.

Un autre enroulement secondaire fournissait une tension alternative élevé.
On atteignait souvent les 350 V efficaces.
Le dépanneur radio de ces temps encourait de forts risques d'électrocution
en procédant à des réglages forcément sous tension !

Le redressement à l'aide d'une seule diode est forcément mono-alternance.
Ce qui signifie que le courant ne passe à travers la diode que pendant une alternance sur deux.
Cela se produit lorsque la tension fournie par le secondaire est positive sur l'anode.
Ce qui donne lieu aux courants indiqués sur la figure ci-dessus.
Souvenez-vous que le sens conventionnel du courant est l'inverse du sens des électrons !

Si on ne met pas le condensateur de la figure, les tensions entre les deux lignes équipotentielles
horizontales dessinées en haut et en bas de la figure sont indiquées par
les sinusoïdes tronquées présentant une alternance positive sur deux.

C'est certes du courant continu puisque sa polarité ne change pas, mais il est fortement ondulé.
Impropre donc à son utilisation dans les montages.

On améliorait la situation en montant un condensateur dit de "filtrage".
Celui-ci ne pouvait que se charger lors des alternances indiquées sur la figure.
Il ne pouvait pas se décharger pendant les autres alternances
car la diode n'était pas conductrice, sons anode se trouvant négative à ces moments là.
Le condensateur restait chargé à la tension de pointe.
Pour une tension éfficace de 350 V cela représente environ 500 V courant continu constant !
Faites donc très attention si vous vous livrez à des expériences en thermoélectronique !

En fait, la tension entre les deux équipotentielles marquées +Va (tension d'alimentation) et 0V
sur la figure ci-desus étaient employée à alimenter des montages électronqiues.
Le condensateur se déchargeait legèrement entre deux alternances.
Le courant n'était pas constant mais légèrement ondulé.
On savait s'en contenter même pour des montages de précision.



Redressement bi-alternance

Pour diminuer l'ondulation de la tension continue produite par redressement d'une tension alternative,
on a recours au redressement BI-ALTERNANCE

Il faut pour cela disposer :

  • D'un transformateur avec secondaire à point milieu.
  • D'une DIODE BI-PLAQUE


Les fleches bleues et rouges montrent le cheminement du courant lors de chacune des alternances.
Pour chacune d'entre elles, quelle que soit sa polarité, le condensateur est chargé dans le même sens.
Si la tension efficace délivrée par chacun des secondaires est 350 V ,
sans le condensateur, le redressement fournirait des sinusoïdes redressées bi-alternance
d'une tension crête de 350 multipliés par racine carrée de deux = 495 V.
comme indiqué sur la figure juste au-dessus de l'inscription "495 V DC"
DC (Direct Current) : courant continu.

Remarquez que c'est du courant continu : polarité constante, mais pas d'amplitude constante..

La présence du condensateur va donner une tension continue constante de 495 V
si toutefois on ne branche aucune charge aux bornes de sortie de l'alimentation : le dipôle Va.

Mais comme le but est précisément de se servir de ce montage pour alimenter un autre système,
la charge existera et la tension ne sera pas constante mais légèrement ondulée.

L'ondulation peut être rendue négligeable si on monte un condensateur de capacité suffisante.
En général, 50 à 250 micro Farads suffisaient pour les montages ordinaires.
Mais utilisait le plus souvent un filtre à deux condensateurs et résistance pour diminuer encore l'ondulation.


Complément succinct sur l'ondulation

C
représente la capacité de filtrage permettant d'obtenir une tension la plus constante possible.
R est la résistance équivalente au montage que l'alimentation est chargée d'alimenter.
Us est la tension de sortie continue mais non constante appliquée au montage alimenté.
T est la période de la tension alternative.
Pour une tension de 50 Hz ; T = 20 ms

On reconnaîtra dans les portions descendantes de la courbe donnant la tension de sortie
les courbes logarithmiques de décharge d'un condensateur dans une résistance.

Dispositifs plus sophistiqués de filtrage utilisés avec les diodes thermoélectroniques
Il s'agit des filtres CRC (Capacité - Résistance - Capacité)
et CLC (Capacité - Inductance - Capacité)



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