La construction d'une tétrode à charge d'espace avec des électrodes très rapprochées. La grille de commande est la seconde grille.

Historique des tubes à charge d'espace

Ces tubes nécessitent une puissance de chauffage plus importante et un courant de grille est présent. Ces tubes ont donc un très mauvais rendement et ne peuvent fournir qu'un courant anodique de quelques milliampères, tandis que le courant de la grille d'espace peut atteindre 100mA.

Quand les transistors haute fréquence ont fait leur apparition au milieu des années 1960 il n'était plus nécessaire d'utiliser des tubes. Mais on a continué à fabriquer des radios de salon à tubes, car ils étaient fiables et utilisaient des composants standardisés. Même les petits fabricants locaux avaient l'expertise des radios à lampes, mais fabriquer une radio à transistors était beaucoup plus complexe, surtout avec les premiers transistors haute fréquence qui nécessitaient un neutrodynage. Certaines radios à lampes n'utilisaient pas de transformateur d'alimentation (ce qui réduit le prix de l'appareil) et on a continué à fabriquer des radios à lampes jusque dans les années 1970.

Fonctionnement

Une triode (ou tout autre tube) a une charge d'espace qui se forme autour de la cathode. Cette charge d'espace limite la quantité d'électrons qui vont de la cathode à l'anode en formant un nuage chargé électriquement qui limite l'arrivée de nouveaux électrons. La plupart des électrons sont repoussés vers la cathode. La grille se trouve à la hauteur de la charge d'espace et elle se charge négativement à cause des électrons. En modifiant la tension sur la grille de controle, on agit sur la taille de la charge d'espace et donc indirectement sur le flot d'électrons.

Quand la tension anodique est faible, il y a très peu d'électrons qui arrivent à l'anode. Pour avoir un courant suffisant, il faut éliminer la charge d'espace. Cela peut être réalisé avec une tétrode spécifique dont la grille 1 est branchée à une tension positive (environ 10V). Cette tension positive accélère les électrons vers l'anode. La commande se fait alors sur la grille 2. Il ne s'agit donc plus de triodes, on retrouve le nom de tétrodes à charge d'espace, parfois même la dénomination de tube bigrille (qui n'est pas correcte: le tube bigrille est l'ancètre de l'heptode changeuse de fréquence en radio).

Exemple d'étage driver et de puissance

Une caractéristique de ce tube (comme tous les tubes à charge d'espace) est la puissance de chauffage élevée de 5.5W pour un tube en enveloppe 7 pins. La puissance de chauffage élevée est nécessaire pour chauffer la grande cathode qui doit émettre beaucoup d'électrons (la plupart sont d'ailleurs perdus, captés par la première grille). Dans les autoradios il ne faut pas réduire la consommation au maximum, et on utilise donc des tubes à chauffage indirect. Le tube n'est pas très linéaire, mais ses caractéristiques sont meilleures que les transistor de l'époque, surtout en haute fréquence.

Le transistor 2N176 peut travailler avec une tension maximale de 30V et un courant maximal de 3A. Ce sont des bonnes caractéristiques, mais la fréquence de coupure (la fréquence à laquelle le transistor n'amplifie plus) est de 7kHz. Ce transistor ne peut donc être utilisé que comme étage de puissance dans les radios AM où la bande passante est de toute façon limitée.

Les tubes à charge d'espace ont été développés aux Etats Unis, les tubes européens étant des pentodes et des triodes classiques adaptées pour un fonctionnement à basse tension (EF97, EF98, ECH83, EBF83 et ECC86), voir autoradios à lampes et transistors (le schéma complet de la radio Motorola est également repris sur la page). Les tubes européens ont la grille écran connectée au positif et la grille suppresseuse à l'anode (à ces basses tensions il n'y a pas d'émission secondaire). Tout comme les tétrodes à charge d'espace, on ne peut pas utiliser ces tubes à une tension élevée.

Autre exemple de circuit préamplificateur et driver

Un exemple de tube péamplificateur et driver est le 12AL8 qui se compose d'une triode adaptée pour la basse tension et d'une tétrode à charge d'espace. Les éléments (cathode, grille et anode) sont relativement grands pour arriver à un courant suffisant malgré la basse tension. Ici aussi la puissance de chauffage est élevée pour un tube préamplificateur, notament 550mA sous 6.3V (3.5W).

La triode travaille avec les caractéristiques suivantes: Ia = 0.5mA, Ug = -0.9V, la tension négative provient de la résistance de grille de 2.2MΩ. La tétrode travaille avec Ug1 = 12.6V, Ia = 40mA au repos (8mA au signal maximal, il y a un effet de détection, la grille de controle agissant comme une diode), Ig1 = 75mA.

Le circuit montré ici peut fournir une puissance de 40mW, ce qui est suffisant pour attaquer l'étage de puissance transistorisé (ou pour alimenter un écouteur de 800Ω). Dans un montage qu'on réaliserait soi-même on peut utiliser une tension d'alimentation de 24V si la tension de la grille à charge d'espace est limitée à 10V (utiliser une résistance de 180 à 200Ω connectée au positif, la résistance étant découplée à la masse par un électrochimique de 100µF). Sous 24V la puissance passe à environ 120mW ce qui est amplement suffisant pour un écouteur.

EL504 en fonctionnement en charge d'espace (en bleu le signal à l'entrée) El504 en fonctionnement en tétrode normale EL508 en fonctionnement normal

Tétrodes classiques en fonctionnement à charge d'espace

Quels tubes ont de telles caractéristiques et résistent à un courant de grille 1 important? Les tétrodes à faisceaux dirigés utilisées dans la déflection magnétique horizontale des anciens téléviseurs. Le tube PL504 et EL504 sont relativement bon marchés et peuvent être utilisés, les tubes plus anciens comme le PL500 et PL36 également (ce dernier tube a l'avantage d'un soquet octal plus courant que le soquet magnoval). Si on n'aime pas le téton anodique, on peut utiliser un PL508 ou un EL508 qui a pratiquement les mêmes caractéristiques à basse tension.

Ces tubes ont le pas de la seconde grille qui correspond à celui de la première grille. Dans l'application originale le but était de limiter le courant de la grille écran, puisque la grille se trouve dans l'ombre de la grille de controle. Ici on utilise le pas resserré de la grille écran pour avoir un facteur d'amplification suffisant. Dans certains amplificateurs, on utilise même une commande via la grille écran (enhanced triode).

On travaille avec une tension de grille 1 de +6V. Avec une tension de grille de +27V on a un courant de 250mA, ce qui est beaucoup trop, la dissipation est de 6.75W dans une grille qui n'est pas conçue pour avoir un courant de grille. La tension sur la grille 2 (grille de commande) est environ 0V et la tension anodique est de 27V (c'est la tension de chauffage du PL504). Si on utilise un transfo de 24V pour le chauffage et qu'on redresse et filtre la tension, on obtient une tension anodique de 33V. C'est une tension 22% plus élevée qui permet une puissance 50% plus élevée.

Il ne faut pas utiliser de polarisation par résistance cathodique pour éviter de gaspiller le peu de volts dont on dispose. Le courant maximal qu'on peut obtenir est de 33mA avec un tube NOS, ce qui est amplement suffisant pour alimenter un casque d'écoute (100mW en montage single ended).

L'impédance du tube est relativement basse, environ 800Ω (la tétrode fonctionne en mode triode). On pourrait commander directement un casque d'écoute à haute impédance.

Tétrodes en fonctionnement normal

En fonctionnement en charge d'espace il faut une tension de commande de 4V effectifs, un circuit préamplificateur est donc nécessaire. Avec un montage classique il faut une tension alternative de 1.8V pour obtenir la puissance maximale que l'ampli peut fournir.

La puissance est obtenue par un courant anodique le plus élevé possible (aucun risque de dépasser la dissipation anodique maximale!) et certains petits transformateurs d'alimentation (220V vers 24V) utilisés comme transfo de sortie peuvent saturer. Un transfo récupéré d'une ancienne radio à lampes (avec tube de puissance EL84 ou UL84) fait mieux l'affaire, car il a été conçu pour un courant anodique permanent et a un entrefer.

La troisième image d'oscilloscope montre l'utilisation d'un EL508 en branchement normal. Le signal à l'entrée est de 8Vpp (2.8Vrms) avec une tension de grille de controle de +1V. L'amplitude du signal en sortie est de 4.5V et est déformé aussi bien dans les parties positives que négatives, un signe qu'il n'y plus possible d'améliorer la polarisation. Le courant anodique moyen est de 22mA et le courant de la grille écran de 12mA.

La tension d'alimentation est de 24V, ce qui correspond à la tension de chauffage d'un PL508 (17V) redressée. La résistance anodique est de 100Ω et il est possible d'avoir un sweep plus élevé avec une impédance plus élevée.

Le tube EL508/PL508 a un facteur d'amplification plus faible, le signal en sortie est plus faible: ce tube n'est pas vraiment à sa place avec une basse tension d'alimentation.