Regardez une vieille radio des années 1930.
Allumez-la.
Attendez quelques secondes.
Puis observez l’intérieur.
Dans la pénombre apparaissent de petites lueurs orangées.
Des lampes chauffent doucement.
Elles semblent appartenir à une époque disparue.
Et pourtant… c’est dans une ampoule que l’électronique moderne a commencé à naître.
Avant le transistor, avant le circuit intégré, avant le microprocesseur et bien avant nos SDR, il fallut découvrir qu’un flux d’électrons pouvait être contrôlé dans le vide.
Cette découverte allait permettre de : redresser, détecter, amplifier, osciller et finalement : communiquer à travers le monde.
Voici l’histoire des tubes électroniques.
Au commencement était… l’ampoule
À la fin du XIXᵉ siècle, les inventeurs cherchent avant tout à fabriquer une lampe électrique pratique.
Parmi eux se trouve : Thomas Edison.
Ses ampoules possèdent un filament porté à haute température dans une enveloppe dont on a retiré autant d’air que possible.
Mais Edison observe un phénomène étrange.
En 1883, il place une électrode métallique supplémentaire à l’intérieur d’une lampe.
Lorsqu’elle est portée à un potentiel positif par rapport au filament chauffé, un courant peut circuler à travers le vide.
Dans l’autre sens, pratiquement pas.
Ce phénomène deviendra célèbre sous le nom : d’effet Edison.
Edison en comprend l’intérêt potentiel pour certaines mesures électriques, mais il ne transforme pas cette observation en véritable composant électronique.
Il vient pourtant d’entrouvrir une porte extraordinaire.
Des électrons qui quittent le métal
Nous savons aujourd’hui ce qui se produit.
Lorsqu’un métal est suffisamment chauffé, certains électrons acquièrent assez d’énergie pour quitter sa surface.
C’est : l’émission thermoïonique.
Imaginez une foule enfermée derrière une barrière.
À basse température, presque personne ne peut la franchir.
Chauffez suffisamment le métal et certains électrons réussissent à s’échapper.
Ils forment alors autour de la cathode : un nuage d’électrons.
Si nous plaçons en face une électrode positive, les électrons sont attirés vers elle.
Nous obtenons un courant traversant : le vide.
Voilà le principe fondamental de la lampe électronique.
Fleming : l’ampoule devient diode
Au début du XXᵉ siècle, la télégraphie sans fil progresse rapidement.
Mais recevoir les faibles signaux radio reste difficile.
L’ingénieur britannique John Ambrose Fleming, qui travaille notamment comme conseiller pour la société de Marconi, connaît les expériences d’Edison.
Il comprend qu’elles peuvent servir à détecter les signaux électriques.
En 1904, il met au point et fait breveter sa : valve thermionique.
Elle comporte essentiellement deux électrodes : une cathode chauffée et : une anode.
Le courant passe beaucoup plus facilement dans un sens que dans l’autre.
Nous venons d’obtenir : la diode à vide.
Et le mot est logique : di = deux.
Deux électrodes : Cathode → Anode
La lampe n’est plus simplement destinée à produire de la lumière.
Elle devient : un composant électronique.
Pourquoi la diode est-elle utile en radio ?
Un signal radio reçu par une antenne oscille très rapidement.
Pour récupérer l’information qu’il transporte, il faut notamment pouvoir effectuer une : détection.
La diode permet de redresser le signal, c’est-à-dire de favoriser le passage du courant dans un seul sens.
Ce principe deviendra fondamental dans les premiers récepteurs.
Mais la diode possède une limite importante.
Elle sait : redresser.
Elle ne sait pas réellement : amplifier.
Pour cela, il manque quelque chose.
Une simple petite grille.
Lee de Forest : une grille change tout
En 1906, l’Américain Lee de Forest ajoute une troisième électrode entre la cathode et l’anode.
Cette électrode ressemble à une petite grille métallique.
Il appelle son tube :Audion.
Nous parlerons bientôt de : triode.
Cette fois : tri = trois.
Nous avons donc : cathode, grille, anode.
Et cette grille va révolutionner l’électronique.
D’Edison à De Forest : en ajoutant des électrodes dans une ampoule sous vide, la lampe devint diode, puis triode amplificatrice.
Une petite tension commande un grand courant
Plaçons la grille entre la cathode et l’anode.
Les électrons quittent la cathode et se dirigent vers l’anode positive.
Mais ils doivent passer à proximité de la grille.
Si nous modifions légèrement la tension de cette grille, nous pouvons modifier fortement le nombre d’électrons atteignant l’anode.
Autrement dit : une petite variation de tension peut contrôler une variation beaucoup plus importante du courant d’anode.
Voilà le principe essentiel.
Nous pouvons maintenant : amplifier.
Un faible signal provenant d’une antenne peut contrôler un courant beaucoup plus important.
La lampe peut donc produire, à sa sortie, une version amplifiée du signal.
La radio vient de changer d’époque.
De Forest avait ouvert la porte
L’Audion initial de De Forest n’était pas encore la triode à vide parfaitement maîtrisée que nous connaîtrons ensuite.
La compréhension du fonctionnement, l’amélioration du vide et les travaux d’autres ingénieurs permettront d’en faire un véritable amplificateur fiable.
Dans les années 1910, la triode devient progressivement un composant majeur.
Les faibles signaux peuvent être amplifiés.
Mais ce n’est pas tout.
Une lampe amplificatrice peut aussi être utilisée avec une partie de son signal renvoyée vers son entrée.
Nous obtenons alors : la réaction.
Et un jeune ingénieur américain va particulièrement exploiter cette idée.
Armstrong : quand la lampe se mit à réagir
En 1912-1913, Edwin Howard Armstrong développe son célèbre circuit : régénératif, ou : à réaction.
Le principe consiste à réinjecter une partie du signal amplifié vers l’entrée.
Bien réglée, cette réaction augmente considérablement : le gain et : la sélectivité.
Poussée davantage, elle peut conduire le circuit à : osciller.
La lampe n’est donc plus seulement capable d’amplifier un signal.
Elle peut participer à la génération d’un signal radio.
Pour les émetteurs comme pour les récepteurs, c’est une révolution.
La radio commence à parler fort
Au début de la radiotélégraphie, les émissions utilisent notamment des systèmes à étincelles.
Ils produisent des signaux larges, peu propres et difficiles à maîtriser.
Avec les oscillateurs électroniques à lampes, il devient possible de générer des signaux continus beaucoup mieux contrôlés.
Et surtout : de les amplifier.
La radiotéléphonie peut véritablement se développer.
Les voix puis la musique envahissent les ondes.
Dans les années 1920, les récepteurs à lampes entrent progressivement dans les foyers.
La radio devient : un média de masse.
Une lampe chauffe… même avant de travailler
Les anciens se souviennent d’un détail caractéristique.
On allume le poste… et on attend.
Pourquoi ?
Parce que la cathode doit atteindre une température suffisante pour émettre ses électrons.
Selon les tubes, le chauffage peut être : direct, le filament constituant lui-même la cathode, ou : indirect, un filament chauffe une cathode électriquement séparée.
C’est cette chauffe qui explique la lueur visible dans de nombreuses lampes.
Attention cependant : ce n’est généralement pas le courant d’électrons allant vers l’anode que nous voyons briller.
La lueur orangée provient essentiellement du filament ou du dispositif de chauffage.
Mais pourquoi faut-il du vide ?
Si notre nuage d’électrons devait traverser de l’air à pression normale, il entrerait constamment en collision avec les molécules du gaz.
Dans une lampe électronique classique, on cherche donc à obtenir : un vide poussé.
Les électrons peuvent ainsi circuler beaucoup plus librement entre les électrodes.
Cette enveloppe de verre n’est donc pas simplement là pour protéger les composants.
Elle conserve : le vide nécessaire au fonctionnement du tube.
De la triode à toute une famille
La triode fonctionne remarquablement bien.
Mais lorsque les fréquences augmentent, certains phénomènes parasites deviennent gênants.
Notamment les capacités internes entre les électrodes.
Les ingénieurs vont alors ajouter : d’autres grilles.
La famille des tubes commence à s’agrandir.
La tétrode : quatre électrodes
Ajoutons une deuxième grille.
Nous obtenons : une tétrode.
Elle possède généralement : une cathode, une grille de commande, une grille écran, une anode.
La grille écran permet notamment de réduire l’influence électrostatique de l’anode sur la grille de commande.
Le tube gagne en performances.
Mais un nouveau problème apparaît : l’émission secondaire.
Des électrons frappant l’anode peuvent en arracher d’autres.
Le comportement du tube peut alors devenir indésirable.
Il faut encore une grille !
La pentode : cinq électrodes
Ajoutons donc une : grille suppresseuse.
Nous obtenons la : pentode.
Penta = cinq.
La famille devient : cathode, grille de commande, grille écran, grille suppresseuse, anode.
La pentode offrira notamment un gain élevé et deviendra extrêmement répandue dans : les récepteurs, les amplificateurs audio, les étages HF et : les émetteurs.
Quelques morceaux de métal enfermés dans du verre viennent de donner naissance à une industrie entière.
De la diode à la pentode : chaque nouvelle grille améliore le contrôle des électrons et les performances du tube.
Et les noms commencent à devenir familiers
Pour plusieurs générations de radioamateurs, certaines références sont presque devenues des noms propres.
On rencontre par exemple : 6V6, 6L6, EL84, EL34, ECC81, ECC82, ECC83, 807, 6146, 811A, 813 ou encore : 3-500Z.
Chaque tube possède ses caractéristiques : tension de chauffage, tension d’anode, courant, gain, puissance et : fréquence maximale d’utilisation.
Choisir une lampe devient presque aussi important que choisir aujourd’hui un transistor ou un circuit intégré.
Les lampes envahissent les postes
Dans les années 1930, 1940 et 1950, ouvrez un récepteur et vous découvrez parfois toute une forêt de tubes.
Pourquoi autant ?
Parce que chacun possède sa fonction.
Une lampe peut servir : d’amplificatrice HF, une autre : d’oscillatrice locale, une autre : de mélangeuse, une autre : d’amplificatrice FI, une autre : de détectrice, et enfin une ou plusieurs autres : d’amplificatrices audio.
Le récepteur superhétérodyne, dont Armstrong avait développé le principe à la fin de la Première Guerre mondiale, trouve dans les tubes électroniques un terrain idéal.
Le poste de radio moderne est né.
Et chez les radioamateurs ?
Les radioamateurs adoptent évidemment les lampes.
Elles permettent de construire : des oscillateurs, des VFO, des amplificateurs HF, des modulateurs, des récepteurs, des alimentations et surtout : des émetteurs de plus en plus puissants.
Une simple triode peut produire un signal.
Un autre étage l’amplifie.
Puis un tube de puissance fournit plusieurs dizaines, centaines, voire milliers de watts selon l’équipement.
Le shack se remplit alors de : bobines, condensateurs variables, transformateurs et : lampes rougissantes.
Attention : haute tension !
Cette époque possède cependant un aspect qu’il ne faut surtout pas idéaliser.
Les tubes fonctionnent souvent avec des tensions bien supérieures à celles de nos équipements modernes.
Quelques centaines de volts sont courants.
Les amplificateurs de puissance peuvent utiliser : plusieurs milliers de volts.
Et contrairement à une petite alimentation 12 V : ces tensions peuvent être mortelles.
Les anciens équipements à lampes nécessitent donc de véritables précautions, y compris longtemps après leur mise hors tension, car certains condensateurs peuvent conserver une charge dangereuse.
La nostalgie n’empêche pas : la prudence.
La lampe devient gigantesque
Jusqu’ici, nous imaginions de petites lampes en verre.
Mais pour émettre beaucoup de puissance, les dimensions augmentent.
Certains tubes utilisent : du verre, du métal, de la céramique et des systèmes de refroidissement impressionnants.
Le principe reste pourtant apparenté à celui de nos petites triodes : contrôler un flux d’électrons dans le vide.
Dans les émetteurs professionnels, les tubes peuvent atteindre des puissances considérables.
Le 807 : une silhouette mythique
Parmi les tubes particulièrement connus des radioamateurs figure le : 807.
Introduit dans les années 1930, ce tube de puissance devient extrêmement populaire dans les équipements radio.
Sa silhouette est immédiatement reconnaissable : une enveloppe de verre et une connexion d’anode située au sommet.
On le retrouve dans : des émetteurs, des amplificateurs, des équipements militaires et quantité de réalisations amateurs.
Après la Seconde Guerre mondiale, les surplus militaires rendent certains de ces tubes particulièrement accessibles.
De nombreux radioamateurs apprennent alors l’émission HF autour de lampes devenues légendaires.
La 6146 : une autre vedette du shack
Plus tard, la 6146 devient à son tour extrêmement populaire.
Elle équipe de nombreux émetteurs et transceivers.
Des constructeurs comme Collins, Heathkit, Drake, Yaesu ou Kenwood utiliseront des tubes de puissance dans quantité d’appareils devenus aujourd’hui historiques.
Pendant plusieurs décennies, voir deux lampes dans l’étage final d’un transceiver HF est : parfaitement normal.
Mais les tubes ne servent pas qu’à la radio
L’électronique à lampes transforme progressivement toute la société.
On les retrouve dans : les centraux téléphoniques, les équipements scientifiques, les téléviseurs, les radars, les appareils de mesure et même : les ordinateurs.
L’un des exemples les plus célèbres est l’ENIAC, présenté au public en 1946.
Il utilise environ : 18 000 tubes électroniques.
Imaginez la consommation.
La chaleur.
Les alimentations.
Et la maintenance !
Mais ces milliers de lampes peuvent effectuer des opérations électroniques à une vitesse inimaginable pour les systèmes électromécaniques précédents.
L’ordinateur électronique est en train de naître.
Le radar pousse les tubes vers les hyperfréquences
La Seconde Guerre mondiale accélère considérablement les recherches autour du radar.
Or les tubes conventionnels deviennent difficiles à utiliser lorsque les fréquences montent très fortement.
Les ingénieurs développent alors des tubes spécialisés.
Parmi eux : le klystron, développé à la fin des années 1930 par les frères Russell et Sigurd Varian avec leurs collaborateurs.
Il permet d’amplifier ou de produire des signaux à très haute fréquence.
Un autre tube devient célèbre : le magnétron à cavités.
Son développement permet de produire des puissances importantes aux fréquences micro-ondes et joue un rôle majeur dans l’évolution du radar.
Plus tard viendra également : le tube à ondes progressives — TWT.
L’électronique à vide vient de monter : dans les hyperfréquences.
Des tubes jusque dans l’espace
On pourrait penser qu’un satellite ultramoderne n’a rien à voir avec nos vieilles lampes.
Et pourtant !
Les tubes à ondes progressives restent particulièrement intéressants pour certaines applications nécessitant de fortes puissances aux fréquences micro-ondes.
Ils ont ainsi été largement utilisés dans les : télécommunications spatiales.
La technologie née de l’électron circulant dans le vide n’est donc pas restée enfermée dans les postes TSF.
Elle est partie : dans l’espace.
De la TSF aux satellites : les tubes électroniques ont porté la radio, la télévision, le radar, l’informatique et les hyperfréquences.
1947 : un minuscule concurrent apparaît
Puis survient une révolution.
Aux Bell Laboratories, John Bardeen et Walter Brattain réalisent en décembre 1947 le premier transistor fonctionnel à contact ponctuel.
William Shockley, qui dirige le groupe, développera ensuite le transistor à jonction.
Cette fois : plus de cathode à chauffer.
Plus besoin d’une ampoule sous vide.
Le composant peut être : plus petit, plus robuste, moins gourmand et fonctionner avec des tensions beaucoup plus faibles.
Le transistor possède tous les arguments pour conquérir l’électronique.
La lampe va-t-elle disparaître ?
Pas immédiatement.
Les premiers transistors possèdent leurs propres limites.
Pendant les années 1950 et 1960, lampes et transistors cohabitent.
Les petits récepteurs portatifs adoptent rapidement le transistor.
Mais les tubes conservent longtemps des avantages dans : les fortes puissances, certaines fréquences élevées et : certaines applications professionnelles.
Même les premiers transceivers dits « transistorisés » peuvent encore conserver : des lampes dans leur étage final HF.
La transition est progressive.
Quand le transistor conquit le shack
Au fil des années, les semi-conducteurs progressent.
Transistors bipolaires, MOSFET puis LDMOS deviennent capables de fournir des puissances HF importantes.
Nos transceivers deviennent : plus petits, plus légers, plus froids, plus économes et surtout : immédiatement disponibles après l’allumage.
Plus besoin d’attendre que les filaments chauffent.
Plus besoin de transporter un énorme transformateur haute tension.
La lampe quitte progressivement : le poste radio quotidien.
Mais elle refuse de mourir !
Plus d’un siècle après Fleming et De Forest, les tubes électroniques existent toujours.
Certains radioamateurs utilisent encore des amplificateurs équipés de : 3-500Z, 811A, 572B et d’autres tubes de puissance.
Des équipements professionnels emploient toujours des technologies à vide lorsqu’elles offrent des avantages particuliers.
Les magnétrons sont encore extrêmement répandus.
Les tubes micro-ondes spécialisés continuent de rendre des services que les semi-conducteurs ne remplacent pas toujours aussi facilement.
Et dans le domaine audio, les amplificateurs à lampes conservent également de nombreux passionnés.
La lampe électronique n’est donc pas morte.
Elle s’est spécialisée.
Une incroyable famille
En un peu plus d’un demi-siècle, l’ampoule expérimentale est devenue une immense famille : diodes, triodes, tétrodes, pentodes, tubes multifonctions, tubes de puissance, tubes cathodiques, klystrons, magnétrons, TWT…
Tous ne fonctionnent pas exactement de la même manière.
Mais ils partagent une idée fondamentale : exploiter et contrôler le déplacement d’électrons dans le vide.
Cette idée a construit une grande partie de l’électronique du XXᵉ siècle.
De l’ampoule au SDR
Regardons maintenant notre station radioamateur moderne.
Le transceiver contient : des transistors, des circuits intégrés, des convertisseurs analogique-numérique, des DSP et parfois : un véritable ordinateur.
Sur l’écran, notre SDR affiche plusieurs centaines de kilohertz de spectre.
Un logiciel démodule le signal.
Un autre le décode.
Nous sommes apparemment très loin de Fleming et de De Forest.
Et pourtant, la question fondamentale reste étonnamment semblable : comment contrôler un signal électrique pour en extraire ou lui donner une information ?
Hier, nous placions une grille entre une cathode et une anode.
Aujourd’hui, nous écrivons parfois : quelques lignes de programme.
Entre les deux se trouve toute l’histoire de l’électronique.
Quand l’électronique naquit dans une ampoule !
Revenons une dernière fois dans notre vieux poste.
Le filament commence à rougir.
La cathode chauffe.
Des électrons quittent sa surface.
La grille contrôle leur passage.
L’anode les recueille.
Et un signal presque imperceptible capté par l’antenne devient : suffisamment puissant pour être entendu.
Cela nous semble aujourd’hui élémentaire.
Mais au début du XXᵉ siècle, cette possibilité bouleverse le monde.
Sans les tubes électroniques, l’histoire de : la radio, la télévision, du radar, des télécommunications, de l’informatique et même : de la conquête spatiale aurait été profondément différente.
Le transistor allait ensuite miniaturiser cette révolution.
Le circuit intégré allait la multiplier par millions.
Le microprocesseur allait la programmer.
Mais avant tout cela, il fallut une ampoule.
Un peu de vide.
Quelques morceaux de métal.
Et des électrons suffisamment chauffés pour accepter de quitter leur cathode.
Alors, pour la première fois, un faible signal put commander un courant beaucoup plus important.
L’amplification électronique était née.
Et avec elle… l’électronique naquit dans une ampoule !
