Un peu d'histoireL’invention du tube (comme composant actif) remonte à 1904, lorsque John Ambrose Fleming créée la diode à tube. Ce premier tube, « diode » pour 2 électrodes, permet de créer un courant unidirectionnel à partir d’un courant alternatif (c’est le principe du « pont de diodes » qui est encore utilisé de nos […]

[Théorie] Les tubes pour les nuls

Un peu d'histoire

L’invention du tube (comme composant actif) remonte à 1904, lorsque John Ambrose Fleming créée la diode à tube. Ce premier tube, « diode » pour 2 électrodes, permet de créer un courant unidirectionnel à partir d’un courant alternatif (c’est le principe du « pont de diodes » qui est encore utilisé de nos jours, soit avec des tubes redresseurs, soit avec des diodes électroniques). Le travail de Fleming est basé sur l’Effet Edison (à savoir le constat de l’unidirectionnalité de l’émission thermoïonique, soit le fait que dans l’équivalent d’une diode – filament chauffé + plaque réceptrice –, le courant positif est passant, le courant négatif non passant) et sur ses travaux préliminaires sur les valves détectrices.

Sir John Ambrose Fleming
Sir John Ambrose Fleming

Le principe de cette diode est simple : on alimente un filament en tungstène par un courant à basse tension. Ce filament est la cathode, c’est elle qui va émettre les électrons. Autour de cette cathode est placé un cylindre de tôle, qui va jouer le rôle d’anode (on parle de plaque) et va recevoir les électrons. L’ensemble est placé dans une enveloppe de verre (une ampoule). Le vide y est fait pour améliorer le fonctionnement du dispositif, en évitant la conduction de l’air.

À cette diode, Lee De Forest ajoute en 1906 une troisième électrode, servant de grille de contrôle. Il s’agit d’un fil enroulé autour du filament, à l’intérieur de la plaque (mais ne touchant ni l’un ni l’autre), servant d’écran. Il découvre que le courant créé entre la cathode et la plaque varie en fonction de la tension appliquée sur la grille : quand la tension (le potentiel électrique) de la grille augmente, le courant entre le filament et la plaque augmente aussi. Comme la grille elle-même ne consomme pas de courant, le premier circuit d’amplification de puissance électrique est né ! Il faudra 40 années pour que son remplaçant voie le jour.

Lee de Forest
Lee de Forest
Audion (les trois électrodes sont très visibles)
Audion (les trois électrodes sont très visibles)

De Forest nomme son invention Audion (on devine dans ce nom une intention audiophile). Elle est perfectionnée par Irving Langmuir, par la suite qui créé un Pliotron, dans lequel le vide partiel est avantageusement remplacé par un vide poussé. Ce n’est qu’en 1919 que William Eccles propose les noms de diode (pour un tube à vide possédant deux électrodes) et triode (pour un tube à vide possédant trois électrodes).

Irvin Langmuir tenant un des premiers exemplaires de Pliotron
Irving Langmuir tenant un des premiers exemplaires de Pliotron

Plusieurs améliorations sont apportées : suite à la détection de distorsions à faible intensité (faible volume) un travail est mené sur le courant de repos de la grille, afin d’obtenir une plage de fonctionnement sur laquelle le résultat est le plus linéaire possible. On parle, pour ce courant de repos, de tension de polarisation, ou de « bias ».

Une autre innovation fut le chauffage indirect de la cathode : plutôt qu’appliquer une tension sur la cathode elle-même, on alimente un filament qui va chauffer la cathode pour qu’elle émette le flux d’électron. Le chauffage indirect permet de réduire le niveau de bruit en supprimant les perturbations générées par le passage d’un courant non stabilisé dans le filament.

Schéma de triode (a : anode / k : cathode / g : grille de contrôle)
Schéma de triode (a : anode / k : cathode / g : grille de contrôle)
Triode vue en coupe
Triode vue en coupe

Des problèmes demeurent, notamment à cause de capacités parasites entre l’anode et la grille, créant des oscillations de la tension en sortie. Pour résoudre ce problème, on a ajouté une deuxième grille, la grille écran, située entre la grille de contrôle et la plaque (l’anode). Dotée de cette quatrième électrode, la tétrode est né (à ce moment de l’article, je suis persuadé que vous avez compris le schéma, et les plus hellénistes d’entre vous ont déjà deviné quel sera le prochain tube). Nous sommes en 1913. La grille écran, alimentée par une tension positive plus faible que la tension de plaque, permet d’éliminer les oscillations, mais pas de résoudre tous les problèmes : la grille écran accélère beaucoup le flux d’électron en direction de la plaque et du fait de leur célérité, certains vont rebondir sur la plaque et revenir sur l’écran. Ce flux secondaire d’électrons réduit le courant de plaque et donc le gain du circuit. La solution a consisté en l’ajout d’une troisième grille, la grille d’arrêt qui est alimentée par une tension négative par rapport à la plaque. Cela signifie que le flux secondaire est bloqué par la grille d’arrêt, ne peut pas revenir vers l’écran, et finit par revenir sur sa source d’émission, la plaque. On parle de (alors, qui a deviné ?) pentode, puisque l’on a ici 5 électrodes actives : la cathode (potentiellement le filament dans le cas d’un chauffage direct), la grille de contrôle (servant à moduler la tension de sortie en fonction du courant en entrée), la grille écran, (rendant impossible la création de capacité entre la grille de contrôle et la plaque), la grille d’arrêt (empêchant le flux secondaire d’électrons de se déposer sur la grille de contrôle) et enfin l’anode, ou plaque.

Schéma de tétrode (r : grille écran)
Schéma de tétrode (r : grille écran)
Schéma de pentode (s : grille d'arrêt)
Schéma de pentode (s : grille d’arrêt)

Dans le domaine de l’audio, on s’arrêtera là : il n’y a ainsi pas d’hexode avec une « grille de départ ». La pentode a été créée en 1926, mais pour autant, elle présentait deux problèmes. Le premier est que la pentode produirait plus d’harmoniques impaires que la triode en situation d’écrêtage, ce qui rend le son plus désagréable. Ce prétendu défaut semble cependant relever d’une certaine fantaisie quand on considère le deuxième problème : le principe de la grille d’arrêt a été breveté par Philips, et qui veut produire des pentodes doit payer.

Les deux principales évolutions qui naissent de ces problèmes, sont incorporées dans une évolution de la pentode, développée par RCA en 1936, utilisant une grille de contrôle et une grille écran alignées, dont les fils sont enroulées en suivant le même pas mais mettant en place deux plaques d’arrêt, reliées à la cathode, à la place de la grille d’arrêt présente dans la pentode. Ces modification visent à allier les avantages de la triode à ceux de la pentode : forte sensibilité à l’instar d’une pentode mais impédance de sortie faible, comme une triode.

Dans le domaine de l’audio, la tétrode à flux dirigé est la dernière innovation majeure apportée aux tubes (c’était il y a près de 80 ans). Dans le domaine des évolutions mineures, on notera la création de tubes multiples, comme les doubles triodes, incorporant plusieurs grilles de contrôles, chacune recevant un signal propre, au sein de la même ampoule de verre.

Le principe d’amplification par tubes à vide demeurera le seul disponible pendant plusieurs décennies, jusqu’à l’invention du transistor, en 1946, et l’expansion très rapide de son utilisation, portée par les nombreux avantages que ce dernier a sur les tubes : plus petit, moins cher, plus fiable et nécessitant une alimentation bien plus faible, des voltages réduits et pas de transformateurs de sortie.

Il est à noter que si l’utilisation des tubes à vide a perduré pour l’amplification analogique audio, ce n’est pas le seul cas : certaines applications continuent à utiliser des tubes (principalement pour leur fonctionnement à très haute fréquence ou lorsque de très fortes puissances sont requises).

En revanche, leur utilisation dans les domaines militaires a été abandonnée (malgré leur sensibilité beaucoup plus réduite aux Impulsions Electro-Magnétiques) et leur survie en milieu numérique rendue intenable face à la création puis la miniaturisation des circuits intégrés. Je vous laisse imaginer la taille (et la consommation) de votre processeur Core i5 s’il utilisait 774 millions de tubes…

ENIAC : ordinateur à tubes de 1946 (plus de 17,000 tubes)
ENIAC : ordinateur à tubes de 1946 (plus de 17,000 tubes… seulement)

18 réponses à “[Théorie] Les tubes pour les nuls

  1. Je pense qu’il n’y a pas grand chose à rajouter pour ce domaine qui me passionne. ..non me fascine depuis quelques temps. Chapeau pour ce boulot plus que complet.

  2. Je fais parti de la génération qui a connu pratiquement toutes les formes de l’amplification BF à tubes puis à Mosfet; de la classe A à la PWM ; excellent article !

  3. la partie 2 est….inouïe de détails et de précisions qui force le respect Burndav. La partie consacrée à la question des nomenclatures n’a pas dû etre une..partie de plaisir à concevoir.
    Quant au son tube, je suis en total accord avec ce qui est dit. L’on peut simplement rajouter que l’esthétique et la majesté d’un bel appareil à tubes en fonctionnement font toujours de l’effet : peut-être pas acoustique mais ça ne laisse pas indifférent.

    1. Merci pour ton retour gg !
      Pour la partie sur les nomenclatures, crédit doit être rendu à Superfred, qui m’a envoyé toutes les informations. Un immense merci à lui.
      Et merci aussi, tant qu’on y est, à MrButchi, Sorrodje, Estaero, GourouLubrik et Corderaide pour les relectures, corrections ou encouragements !

  4. Il y aurait beaucoup à dire sur l’amplification sonore à base de tubes ou de transistors.
    J’ai lu avec intérêt et surprise cet article : 1°) parce que la reproduction sonore de qualité m’intéresse, 2°) mais je suis surpris qu’à l’heure du numérique, quelqu’un ait osé un article sur l’analogique …
    Je vais résumer mes premières remarques.
    1°) La polarisation d’un tube audio est essentielle à son bon fonctionnement (en jargon on appelle ça le recul de grille, tension négative appliquée à la grille, par rapport à la cathode) : plus sa valeur absolue est grande, moins les fluctuations de tension affecteront le courant de polarisation (ou de repos) du tube. C’est surtout vrai pour les tubes de puissance, et c’est l’avantage des 6L6 sur les EL34 qui sont des tubes à plus faible recul de grille (dans les mêmes conditions d’alimentation et de polarisation, une 6L6 aura un courant de repos de 75mA, alors que le courant de repos de l’EL34 sera de 100mA. Les 6L6 sont plus faciles à polariser que les EL34.
    2°) Le gros manque de cet article concerne la contre-réaction (en anglais : feedback). Il n’existe pas (ou plus) d’amplificateur audio sans contre-réaction. Pour faire simple, la contre-réaction est une méthode pour asservir la tension de sortie à la tension d’entrée, donc pour réduire les distorsions. La stabilité de cet asservissement dépend du comportement fréquentiel des composants.
    Les amplis à tube avec transformateur de sortie sont d’autant meilleurs que la bande passante de ce transformateur est importante, donc que la qualité de ce transformateur est grande (tôles, enroulements, volume), ce qui permet d’appliquer une contre-réaction généreuse tout en préservant les marges de stabilité de l’ensemble, donc d’obtenir de plus faibles distorsions. La qualité des transformateur de sortie des Quad, Marantz et autres McIntosh est exceptionnelle.
    En passant, les transistors (de puissance) ne sont pas plus linéaires que les tubes (de puissance), tant s’en faut, c’est même le contraire, en règle générale. Mais les amplificateurs des transistors n’utilisent en général pas de transformateur de sortie et leur bande passante plus importante permet d’appliquer une contre-réaction plus forte, donc d’obtenir une distorsion plus faible qu’avec des tubes, en général.
    3°) Pour ce qui est des qualités sonores respectives des tubes et des transistors, je dirais qu’un bon ampli à transistors est indiscernable d’un bon ampli à tubes, c’est pour moi plus une question d’esthétique ou d’élégance … Les valeurs des distorsions ne fournissent que des indications, car elles ne concernent que des signaux continus à une ou deux fréquences (distorsion par harmoniques et distorsion d’intermodulation), alors qu’un son est un mélange de fréquences évoluant sans cesse. Enfin, la plus grande part de la distorsion, et de loin, provient des haut-parleurs et de leur couplage au local d’écoute.
    4°) La quasi totalité des amplificateurs de puissance modernes fonctionnent (avec des transistors) en classe D. Cette classe d’amplification permet de faire fonctionner les éléments de puissance en mode de commutation à faible pertes et la modulation audio ajoutée est extraite en sortie, ce qui permet des puissances très importantes dans un volume réduit. La contrepartie en est une très grande complexité, qui exclut qu’un tel ampli soit construit et mis au point par un amateur.

    Je m’arrête parce que j’ai soif.
    A la prochaine,
    PH.

    1. Bonjour PH, et merci pour le commentaire.

      Pour répondre à peu près point par point :
      1) Il est vrai que la partie concernant le BIAS (ou la polarisation) gagnerait à être étayée non seulement pour ce qui concerne le réglage lui-même mais aussi pour expliquer les différentes valeurs de polarisation en fonction des tubes et l’impact que cela a sur la conception des amplis. En revanche, j’ai peur qu’un tel développement rendrait la partie assez complexe pour un article qui se veut malgré tout assez vulgarisé.
      2) Même réponse : il y aurait de quoi tartiner des pages sur les boucles de contre-réaction, mais je ne suis pas certain que ce court article soit suffisant. Certains des points que vous abordez se trouvent dans l’article mais la compréhension des phénomènes et mécanisme de contre-réaction passent par une pédagogie appliquée à l’électronique que je sais ne pas avoir. Si vous souhaitez vous lancer, en revanche, vous êtes le bienvenu :)
      3) Tout a fait d’accord avec l’absence, au final, de qualités sonores distinctives en fonction de la technologie d’amplification utilisée.
      4) Je pense qu’il est intéressant de faire la différence entre les appareils d’amplification « courant » tels qu’on les trouve à peu près partout (enceintes amplifiées, autoradios, baladeurs, amplificateurs multicanaux etc.) des appareils plus haut de gamme tels que ceux qui sont mentionnés dans ces lignes. Si la classe D (ou la classe T ou les autres technologies d’amplification par commutation) a largement gagné du terrain, elle demeure encore minoritaire, malgré les percées de B&O (modules icepower) ou Nuforce – entre autres – dans le haut de gamme dans lequel, pour des bonnes et des mauvaises raisons, on trouve encore beaucoup de polarisations en classe A ou AB (Naim polarise encore en classe B ?). Dans le domaine encore plus particulier des amplis casques (après tout, on est sur tellement nomade), les besoins en puissance assez limités font que de minoritaire elle passe à marginale.

      De manière plus générale et en ce qui concerne ce papier, et pour reprendre ce qui est indiqué dans l’introduction : je suis un enthousiaste loin d’être spécialiste de l’électronique et encore moins des loupiotes (même si je possède plusieurs appareils à lampes et si j’ai pu à quelques reprises rencontrer des personnes passionnées et passionnantes). Par curiosité, j’ai regroupé des informations que j’ai voulu par la suite synthétiser et retransmettre dans cet article, d’un niveau pas très poussé. Après, je n’y vois rien d’osé, en tout cas sur tellement nomade : les utilisateurs d’amplificateurs à lampes y sont assez nombreux !

      Quoi qu’il en soit, si vous souhaitez continuer vos remarques après vous être désaltéré, vous êtes le bienvenu !

      1. Hello Burndav,
        Je suis content d’avoir rencontré quelqu’un qui s’intéresse à ces techniques anciennes, mais toujours vivantes, et à la diffusion de cette connaissance.
        Merci d’avoir répondu si vite.
        Il est vrai que quand je parlais d’amplificateurs en classe D, je prenais en compte aussi les mobiles, tablettes, anceintes amplifiées, etc.
        C’est vrai aussi qu’un article sur la contre-réaction, même simple, implique des connaissances minimales ou un investissement de la part du lecteur. Je peux essayer d’écrire quelque chose, je te le passerai et tu verras si cela convient.
        La plupart de mes connaissances dans la reproduction audio viennent de choses anciennes :
        1°) un bouquin « Transistor manual » de General Electric et du cours d’un prof hors du commun,
        2°) la lecture d’une (défunte) revue, Wireless World, dans laquelle se sont exprimés des pointures de l’audio en Angleterre pendant des années,
        3°) un bouquin « Amplificateurs BF de qualité » de Philippe Ramain,
        4°) le déchiffrement des schémas US des années 60 – 80 dans des revues (défuntes elles aussi) comme « Audio Amateur », « Glass Audio » et bien sûr
        5°) la pratique, avec des résultats pas toujours heureux …
        Ce que je retire un peu de tout ça, c’est que du point de vue de l’électronique, le plus simple est le mieux et le plus élégant, si ce n’est le meilleur et de toute façon le plus fiable, mais c’est une opinion personnelle.
        Le plus difficile reste l’enceinte acoustique (passive), je ne m’y suis pratiquement jamais essayé.
        Voilà, voilà,
        Ça m’a donné soif …
        Bravo pour ta démarche,
        PH.

        1. Je peux comprendre la soif, vu la longueur du message :)
          Plus sérieusement : si tu veux soumettre un texte, tu es le bienvenu, nous pourrons en discuter et le publier en annexe de l’article sur les tubes, cela semble adapté.

          En revanche, l’équipe blog sera en vacances tout le mois d’août, donc ça sera peut-être pour la rentrée, en fonction de la date à laquelle tu soumets l’article.
          N’hésite pas à me contacter par message privé sur le forum pour continuer cette discussion.

          A très bientôt et encore merci pour la proposition et les retours.

          Burndav

  5. Le comparatif ampli à tubes / transistors me semble basé sur des principes très théoriques (comme souvent pour les afficionados de la technique). J’ai 30 ans d’écoute dans les oreilles (débuté avec un NAD 3020b) et je n’ai tout de même encore jamais entendu un bon transistor (et surement pas un accuphase) sonner comme un bon tube et sachant regrouper en un appareil les qualités de transparence, délié, dynamique, naturel, relief et magie… je ne demande qu’à entendre :) bien évidemment je ne parle pas d’écoutes faites sur enceintes bouchons <90db…
    J'ai pour ma part un 845 SE en chauffage direct.

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