Thermo-électronique

La triode

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Le tube TRIODE - principes - analyse du phénomène -

On obtient une triode en interposant une grille entre la cathode et l'anode.

La grille est généralement constituée par une spirale de fil métallique fin enroulée autour de la cathode, sans la toucher mais assez près de cette dernière. Comme les autres électrodes, la grille est reliée à une broche extérieure à travers le verre du tube.

En fonctionnement normal, on la porte à un potentiel négatif (quelques Volts) par rapport à la cathode.
Cette tension est Ugk < 0
L'anode (plaque) est portée à un potentiel fortement (80V à 250V, voire 350 V) positif par rapport à cette même cathode. Cette tension s'appelle la tension anodique Uak..

Si la grille n'est pas trop négative, on constate qu'un un courant passe de l'anode vers la cathode à travers le tube : c'est le courant anodique Ia.
Ce courant peut atteindre quelques centaines de milliampères.
En somme tout se passe comme dans une diode.


Plus la grille est négative par rapport à la cathode,
plus elle à tendance à repousser les électrons émis par cette cathode,
limitant ainsi le courant de plaque (courant anodique Ia).

Une tension Ugk suffisamment négative est capable d'arrêter complètement le courant anodique.
On l'appelle la tension de blocage ou "cut-off" abrégé en "co"

On a donc un moyen de contrôler le courant anodique par la tension grille-cathode.

Cela peut vous sembler banal à première vue.
C'est loin d'être anodin.

En effet, il suffit d'une très faible variation de la tension grille-cathode Ugk
pour produire d'importantes variations du courant anodique Ia.

L'expérience pontre que la puissance nécessaire pour produire la variation de tension grille-cathode
est très très faible en comparaison de la variation de puissance qu'elle produit sur la charge
alimentée par l'anode.
L'amplification de puissance d'une triode est donc considérable !

D'ailleurs, ses premières applications furent les récepteurs de radio.
L'amplification directe des très faibles tensions d'antenne (quelques microvolts)
permettait, avec un seul étage d'amplification, d'obtenir des puissances suffisantes
pour actionner un petit haut parleur !

 

La grille ne doit jamais être positive par rapport à la cathode.
Elle se comporterait alors comme une anode et attirerait à elle les électrons émis par la cathode.
Il aparaitrait t un courant de grille qui risquerait fort, vu sa fragilité, de la faire chauffer jusqu'à fondre.
Par ailleurs on ne connaît pas d'application de ce type de polarisation.

Courbes caractéristiques d'une triode

Les triodes ne sont pas faites pour qu'on en étudie les principes
mais pour s'en servir comme éléments constitutifs de diverses fonctions dans des dispositifs réels.

Mais comment maîtriser un tel élément ?
Comment prévoir son comportement dans les montages ?

Les équations qui gèrent une triode ne peuvent pas déduire son comportement de façon suffisament simple
de ses caractéristiques dimensionnelles, géométriques, des constantes de la physique, etc.

On doit donc déterminer les caractéristiques des tubes électroniques en traçant empiriquement les courbes
traduisant leur fonctionnement.

De telle courbes sont publiées par les constructeurs de tubes.
Mais elles peuvent aussi être tracées en laboratoire, pour confirmation, pour observer le viellissement d'un tube
ou à titre de manipulation pour des étudiants.

Tracé des courbes caractéristiques d'une triode.

Toute augmentation de la tension anodique Uak produit, on s'en doute, une augmentation du courant anodique Ia.
même si la tension grille-cathode Vgk reste inchangée.

Nous avons un problème à trois paramètres dépendants les uns des autres :

Ugk ; Uak ; Ia

La représentaiton mathématique d'un tel trio se fait non par une courbe mais par une surface
dans un système d'axes en trièdre sur lesquels on porte chacune de ces trois variables.

On peut aussi la faire par des abaques, qui ne sont que des sections de la surface
représentative de la fonction liant ces trois variables,
par des plans parallèles à chacun des plans du trièdre..

Les plus utilisés sont :

  • L'abaque de transfert : courbes donnant Ia en fonction de Ugk pour diverses valeurs de Uak.
  • L'abaque de Kellog : courbes donnant Ia en fonction de Uak pour diverses valeurs de Ugk

Voici le montage proposé pour tracer ces caractéristiques.


En bleu, des générateurs de tension continue constante :
fixe à gauche (20 V) - variable à droite (0 à 500 V)

En jaune deux voltmètres et un milli ampèremètre.

En blanc une triode dont le filament n'est pas représenté.
La représentation des filaments complique inutimement les schémas.


Les voltmètres visualisent les tensions
Vgk (Grille-Cathode) et Vak (Andode-Cathode)

Le milliampèremètre mesure le courant anodique Ia.

Toutes les variables Vgk, Vak et Ia sont accessibles à la mesure.


De par le montage :
Vgk sera toujours négative ou nulle.
Vak sera toujours positive.

La grille étant négative par rapport à la cathode
il n'y a pas de courant de grille-cathode.

Par le potentiomètre de gauche on contrôle la tension Vgk.
Par le bouton du générateur de tension continue on contrôle la tension anodique Vak.

Allure des courbes obtenues.


Si vous souhaitez, dans la suite, voir cette courbe sur une fenêtre inépendante, cliquez l'icône :


Si vous souhaitez, dans la suite, voir cette courbe sur une fenêtre inépendante, cliquez l'icône :

N.B. Ces courbes sont idéalisées.
Les courbes réélles que nous allons voir plus loin sont moins rectilignes

Notez que les deux types d'abaques fournissent les mêmes renseignements.
Chacun est seulement plus pratique que l'autre suivant ce que l'on cherche.

Quelques remarques et définitions

Pente d'une triode

Les courbes présentent des parties rectilignes et des arondis.
Seules, donc, les parties rectilignes seront exploitables dans des amplificateurs
que nous voulons les plus linéraies possible.

Or, les parties rectilignes des courbes de transfert ont une pente, au sens mathématique, de dIa / dUgk.
(en
utilisant la notation différentielle)

Vous noterez que les parties rectilignes de toutes ces courbes sont parallèles : donc des
dIa / dUgk égaux.
Notons que dans le réseau de transfert, les diverses courbes dont on considère le dIa / dUgk
ont été tracées à Uak constant..

La quantité
dIa / dUgk à Uak constant est une grandeur caractéristique d'une triode.
Elle est généralement différente d'un type de diode à l'autre, d'une région du réseau à l'autre.

La quantité :
S = dIa / dUgk
à Uak constant
s'appelle la pente de la triode
et s'évalue en
Ampères par Volt (A/V)
ou Siemens (S)


Dans l'exemple de la courbe ci-dessus, les traits rouges permettent d'évaluer :
dIa = - 4 mA pour dUgk = - 1V
soit
dIa / dUgk = 4 mA / V
S = 4 ma / V = 4 mS.

Observez que chacune des courbes du réseau de transfert
a été tracée d'une manière très particulière (en maintenant Uak constante pour chaque courbe ).

Ces conditions ne peuvent généralement pas être réalisées dans la plupart des montages !

S nous servira, certes, à déterminer indirectement le comportement de ces montages,
mais on ne pourra pas invoquer que [ dIa / dUak ] a cette valeur dans un montage quelconque.

Cut-off

Rappelons qu'on appelle "cut-off" la tension suffisament négative de la grille pour interrompre le courant anodique.
Sur le réseau de transfert ci-dessus, pour Uak = 200 V il est de -11 V. Il n'est plus que de -4V pour Uka = 50 V.
C'est important pour les applications de commutation ( fonctionnement en interrupteur, tout ou rien ).
On abrège souvent "cut-of" par "c.o.", voire "co"

Amplification - Coefficient d'amplification

Reprenons le réseau de transfert de la triode :

Si nous maintenons Ia constante à 14,5 mA,
la
variation de la tension Ugk de -1V à -2V puis à -3 V. (Soit - 2 V)
s'accompagne d'une variation de tension anodique Uak de 100 V à 150V puis à 200 V, (soit + 100 V).

En écriture différentielle : dUak / dUgk = 100 / -2 = - 50
C'est ce qu'on appellele l'amplification de cette triode.

m = dUak / dUgk

( Le mot plus couramment employé de "coefficient d'amplification"
s'applique en toute rigueur à la valeur absolue de m
mais l'usage courant ignore souvent ce distinguo ; le contexte permet facilement de distinguer.)

Notez que m est négatif.
Le montage amplificateur à base de triode
où le signal d'entrée est appliqué à Ugk et le signal de sortie est Uak
est systématiquement inverseur.
Ce qui signifie par exemple, qu'un signal sinusoïdal en entrée
produira un signal sinusoïdal de sortie en contrephase avec le signal d'entrée.

Notons que dans le réseau de transfert, les diverses courbes dont on considère le dUak / dUgk
ont été tracées à Ia constant.

Ce coefficient m a donc été calculé en supposant que Ia est constante,
ce qui est rarement le cas dans les montages,
m nous servira, certes, à déterminer indirectement le comportement de ces montages,
mais on ne pourra pas invoquer que [ dUak / dUgk ] a cette valeur dans un montage quelconque.

N.B. Le coefficient d'amplification est généralement désigné par la lettre grecque "mu" : m.
Les ordinateurs n'ayant pas la police "GreekC" verront ce symobole différemment.

Résistance interne

Si vous observez le réseau de Kellog
vous constatez que les parties rectilignes des différentes courbes sont parallèles.
Elles on une pente constante : dIa / dUAK
On peut donc définir une constante : Ri = dUak / dIa qui a les dimensions d'une résistance.
On l'appelle "Résistance Interne" de la triode.

Comme pour la pente S on peut dire que chacune des courbes du réseau de Kellog
a été tracée d'une manière très particulière (en maintenant Ugk constante pour chaque courbe ).

Ces conditions ne peuvent généralement pas être réalisées dans la plupart des montages !

Certes, R nous servira indirectement à déterminer le comportement de ces montages,
mais on ne pourra pas invoquer que [ dIa / dUak ] a la valeur 1/Ri dans un montage quelconque.

Relation entre le coefficient d'amplification, la pente et la résistance interne

m = S . Ri

Equations aux dérivées partielles

Ia est fonction de deux variables : Ua (Uak) et Ugk.
On peut lui appliquer la formule des dérivées partielles :
(voir cours de mathématiques sur les fonctions de variables multiples)

Dérivée partielle de Ia par rapport à Ugk (en maintenant constante Ua)
Ce n'est autre que la pente S comme nous l'avons définie.
Dérivée partielle de Ia par rapport à Ua (en maintenant constante Ugk)
Ce n'est autre que l'inverse de la résistance interne Ri

Retenons la relation différentielle valable, cette fois, quel que soit le montage :

dIa = S. dUgk+ (1/Ri). dUak
ou - avec lecoefficient d'amplification que nous apelons ici "m" :
dIa = ( 1 / Ri )( m.dUgk+ dUak )

Rappelons que Ugk est négatif dans ces applications.

Hyperbole d'isopuissance maximale

Une triode, vue entre sa cathode et son anode, est un dipôle électrique
traversé par un courant Ia et soumis à une tension Uak entre ses bornes.

Comme dans tout dipôle électique, la puissance consommée est : Wak = Uak . Ia
Or, cette puissance est entièrement dissipée en chaleur à l'intérieur du tube.
Si elle est exagérée, celui-ci est déterioré.

Si, sur un réseau de Kellog : [ Ia = f(Uak) ] on trace l'ensemble des points pour lesquels Wak = Cte,
on obtient mathématiquement des hyperboles.
Une de ces hyperboles a été tracée en rouge sur le réseau de Kellog ci-dessus .
C'est la plus intéressante : celle pour laquelle Wak est maximale pour le tube correspondant.

  • Tous les points situés sur cette hyperbole de puissance maximale correspondent à un fonctionnement thermique limite.
  • Tous ceux situés du côté de l'origine des axes par rapport à cette hyperbole correspondent à un fonctionnement durable.
  • Tous ceux qui sont au-delà correspondent à une dissipation thermique excessive.

C'est la raison pour laquelle j'ai limité le tracé des courbes à leur partie de sécurité thermique.

Les hyperboles d'isopuissance que l'on trouve sur les catalogues de réseaux de caractéristiques,
vu le faible intervalle de valeurs pour lesquelles elles sont tracées,
resemblent souvent à des segments de droite.



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