Tubes à grille-cadre

frame grid valve

Types de tubes

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Les tubes à grille-cadre ont la grille de commande montée sur un cadre en métal, au lieu d'avoir une grille tendue entre deux tiges. Dans les tubes multi-grilles, seule la première grille est une grille-cadre.

Les tubes à grille-cadre (frame grid) sont apparus dans les années 1960. Les premiers tubes étaient utilisés dans des applications très haute fréquence (tuners UHF), mais ces tubes se sont retrouvés un peu partout par après, là où il fallait un facteur d'amplification plus élevé qu'avec un tube classique. Les tubes à grille-cadre ont un fil beaucoup plus fin (environ 10µm au lieu de 100µm), les spires sont plus proches et le fil est tendu plus fort. La grille se trouve également plus près de la cathode pour avoir un controle renforcé sur le flux d'électrons. Dans les application moyenne fréquence où il fallait trois tubes (télévision), on peut maintenant se contenter de deux tubes.

Le principe de la grille-cadre n'est pas utilisé pour la grille écran (ou tout autre grille) car les fils sont tellement fins qu'ils ne supporteraient pas le courant.

Les tubes à grille-cadre étaient par exemple les tubes PCC89 (double triode VHF pour amplificateur cascode), PCF86 (changement de fréquence), EF183 et EF184 (moyenne fréquence). Une caractéristique d'une triode à grille-cadre c'est le petit creux rectangulaire au centre de l'anode (l'anode étant également plus proche de la cathode en comparaison d'un tube normal). Le creux ne fait que quelques millimètres de coté pour un tube haute fréquence, mais fait environ 1cm pour un vrai tube E83CC-S.

Pour avoir une amplification suffisante en très haute fréquence, il faut que les capacités parasites soient très faibles. Il faut donc des tubes avec de très petites électrodes (dans les tubes UHF l'anode ne se trouve que d'un coté pour réduire la capacité parasite de moitié). Mais ces tubes avec petites électrodes ont également une amplification plus faible. Pour avoir une amplification suffisante, il faut passer à la grille-cadre.

5 images à droite:: 5 exemples de grilles de commande: une grille classique, une grille-cadre classique (cadre en molybdène, un métal extrèmement solide) et deux grilles mixtes (grille classique en cuivre, mais avec supports aux extrémités).
La dernière grille a également un cadre en molybdène. Le fil est recouvert d'or pour réduire l'émission secondaire.

A droite:: L'espacement entre deux fils est de 60µm et l'épaisseur d'un fil fait 6.5µm. De tels fils ne sont pas visibles à l'œil nu.

Comparaison avec un tube classique

Les tubes EF183 et EF184 étaient des remplacements des tubes EF80 et EF89. Les tubes EF80 étaient utilisés dans le premières télévisions (VHF, moyenne fréquence et même sortie image) tandis que les EF89 étaient utilisés en radio. Les tubes EF183 et EF184 étaient utilisés en télévision en remplacement des EF80. La bande passante en télévision devait être beaucoup plus importante pour transmettre toutes les informations (la bande passante en télévision était généralement de 6MHz au lieu de 300kHz en radio). Le gain d'un étage est moindre si la bande à transmettre est plus importante. De plus la moyenne fréquence est plus élevée (35MHz au lieu de 10.7MHz). Il fallait donc un tube avec un facteur d'amplification plus important, pour éviter d'avoir de nombreux tubes à la suite.

Le EF183 a comme tous les tubes à numéro impair une pente variable et est utilisé dans les étages à controle de gain, tandis que le tube EF184 a un gain fixe.

Dans les postes de radio qui utilisent un EF89, on peut le remplacer par un EF183 qui améliore les caractéristiques de la radio (plus sensible en FM). Tous les deux tubes ont un brochage compatibles (comme l'ancètre, le EF80).

		Transconductance
EF80	Ancètre (télé)	7.0mA/V
EF89	Original (radio)	4.4mA/V
EF183	Frame grid (télé)	12.5mA/V
EF184	Frame grid (télé)	15mA

A droite:: Vue d'une triode VHF PC900. Les deux plaques d'anode s'approchent très près de la grille et de la cathode, ce qui limite la tension de fonctionnement à 200V maximum. Ce type a une transconductance de 20mA/V pour un courant de 16.5mA. La surface externe de l'anode permet de dissiper la chaleur. La forme bleue est une sorte d'écran électrostatique pour réduire l'influence de l'anode (qui doit être suffisamment grande pour dissiper 2W environ). Pour réduire le bruit de fond, le tube était utilisé avec le courant maximal admissible, compatible avec la dissipation du tube.

Le PL802 est une tétrode de puissance à grille cadre.

Tubes à grille-cadre dans les amplificateurs audio

Quelle est l'influence des tubes à grille-cadre sur les amplificateurs audio à tubes? Très faible. On a fabriqué des pentodes de puissance à grille cadre (EL520 et EL503) pour pouvoir utiliser des tubes qui fournissent une puissance plus élevée, tout en de demandant qu'une faible tension de commande. On pouvait ainsi garder le même schéma avec un nombre limité de tubes, tandis que la puissance était doublée. Ces tubes qui avaient une distortion un peu plus élevée n'ont été utilisés que pour la sonorisation (salles de spectacle, de cinéma,...)

Une autre caractéristique des tubes à grille cadre avec les fils plus fins tendus plus fort c'est que leur fréquence de résonance est plus élevée (20kHz) que celle d'une grille d'un tube classique. Cet avantage ne joue que pour les étages de préamplification, quand il faut amplifier des signaux de quelques millivolts.

A droite:: Exemple d'un tube UHF qui n'a une anode que d'un seul coté pour encore réduire un peu plus la capacité parasite. La grille écran est normale (il s'agit d'une tétrode).

Telefunken (TFK) a fabriqué en petite série des tubes E83CC-S avec grille-cadre pour utilisation dans les amplificateurs de mesure. Il s'agit d'une version spéciale des tubes ECC83 bien connus, avec le "S" utilisé à l'origine par Telefunken (et plus tard également Tesla) pour indiquer une grille cadre (Spanngitter). Ces tubes n'ont jamais été développés comme tube audio et d'ailleurs ils étaient trop chers pour une utilisation dans les amplificateurs, ce n'est que des années plus tard que des tubistes puristes et snobistes ont découvert le tube.

De petits malins ont sauté sur le train et proposent plusieurs types de tubes spéciaux:

Si les tubes E83CC sont une version de meilleure qualité que les tubes courants (ECC83), en pratique tu n'as aucune garantie qu'une version professionelle tiendra le coup plus longtemps.
Les tubes à grille-cadre ont des caractéristiques particulières, mais pas spécialement adaptées aux applications audio.

Les caractéristiques d'un tube ECC83 sont fixe et une grille cadre n'est pas nécessaire. Un tube avec une vraie grille cadre aurait des caractéristiques bien différentes et ne pourrait pas être utilisée dans les circuits. A cause de leur gain plus élevé, ces tubes ont une forte tendance à osciller et la distortion est plus élevée quand l'amplitude du signal devient plus grande. On ne peut en fait les utiliser que comme tube préamplificateur (premier étage).

Les électrodes étant plus proches les unes des autres, il faut limiter la tension d'alimentation à 160V. Si vous avez un amplificateur alimenté sous 400V continu, il faut une alimentation indépendante ou un pont diviseur (qui consomme de la puissance) pour réduire la tension, surtout quand les cathodes sont encore froides.

Le tube ECC88 était utilisé comma amplificateur HF (cascode) dans la bande VHF et FM. C'était un des premiers tubes à grille cadre. La tension d'alimentation maximale par triode est de 150V. L'anode des deux triodes est coupée en deux pour éviter les courants parasites.

Tubes de fabriucation récente

Les connaissances de fabrication des tubes se sont perdues au fil du temps. Les fabricants n'ont pas déposé de brevets, mais ont travaillé en secret à l'élaboration de tubes aux caractéristiques toujours meilleures. En effet, si un fabricant dépose un brevet, il doit donner la composition et le mode de fabrication de ses tubes et des firmes étrangères peuvent construire des tubes identiques. Comme il n'y a pas eu de brevets, il est difficile de déterminer la composition exacte de la cathode.

Quand on est passé aux transistors, les machines pour fabriquer les tubes ont été détruites, tout le monde s'est lancé dans la fabrication de transistors (cela n'a pas beaucoup aidé, la plupart des fabricants n'ont pas survécu à la transition): Mullard au Royaume Uni, MBLE en Belgique,... Tous ont été repris ou ont fait faillite. Philips qui a repris de nombreuses entreprises (pour les brevets) les a plumé et puis laissé faire faillite.

Le manque de connaissances exactes n'a pas empèché plusieurs fabricants de se lancer dans la fabrication de tubes audio, parfois avec des caractéristiques très variables. Il se peut que le gain soit différent d'un tube à un autre, et même le courant dans les deux triodes d'une triode double peut être différent de plus de 10%. Procédure de test: laisser chauffer le tube pendant 10 minutes, tension d'anode de 150V, grille à -2V, on mesure le courant dans les deux triodes.

Mais en général il vaut mieux faire confiance aux fabricants de tubes récents que d'utiliser des tubes NOS (tubes d'origine non utilisés). Ces tubes deviennent de plus en plus rares (et donc chers) et si vous n'avez pas l'expérience vous ne pouvez pas voir s'il s'agit d'un tube d'origine ou non. De plus, ces tubes n'ont jamais été construit pour tenir le coup plus de 50 ans. Certains tubes NOS fonctionnent 50 heures et puis tombent en panne.

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