LES AMPLIFICATEURS A TUBES DE PUISSANCE

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LES TUBES ELECTRONIQUES

Historiques

L’histoire se remonte au XIIIè siècle, avec la découverte du vide et l’invention de la pompe à vide par Tepler en 1286. Mais ce sont les Allemands Julius Plücker et Heinrich Geissler (1815-1879) qui, en mettant au point les premières pompes à « vide poussé », permirent de faire de nombreuses découvertes sans précédent.
En 1859, Julius Plücker, son frère ainsi que son assistant Hittorf découvraient la présence du « nuage électronique » émis par une cathode chaude dans un milieu vide d’air. L’année 1883 est marquée par la découverte de l’effet Edison : par un pur hasard, Edison venait en effet d’inventer la diode à vide. Mais ce ne fut que 20 ans plus tard, 1903, que naissait la première vraie diode à vide,  la célèbre diode de Fleming (Sir John Ambrose Fleming, ingénieur physicien anglais).
Dès 1898, Lenard avait pensé à contrôler le courant d’un tube à décharge gazeuse par une troisième électrode. Mais c’est en 1907 que la triode classique fut mise au point en Amerique par Lee De Forest. Mais on s’aperçoit l’existence de la capacité grille-plaque qui a pour effet une réaction parasite entre l’anode et la grille. Un moyen de s’en protéger, au moins pour une grande part fut imaginé par Schottky en 1915. Il disposa à l’intérieur du tube une quatrième électrode placée entre la grille normale et la plaque, la capacité grille-plaque etant réduite au vingtième ou même au centième de sa valeur. L’invention de la pentode date de 1928 ; c’est Tellegen, ingénieur de la société Philips qui ajouta un cinquième électrode, la grille d’arrêt entre la plaque et la grille écran.
Depuis, de nombreuses expériences et théories furent développées. Dès 1921, Hull publia la première théorie du magnétron : l’idée est de placer une diode dans un champ magnétique. En 1939, Hann et Webster présentèrent une première théorie sur le fonctionnement des tubes à modulation de vitesse…
L’invention du transistor, son implémentation dans les appareils domestiques et la tendance à la miniaturisation marque la fin des années glorieuses des tubes électroniques. Dès lors, il n’est utilisé que dans les étages amplificateurs qui nécessitent de très haute puissance comme dans les grands émetteurs de radiodiffusion ou de télévision.

L’effet thermoïonique – effet Edison 

Expérience d’Edison

Thomas Alva Edison, qui avait mis au point la lampe à incandescence, avait remarqué le noircissement rapide de l’intérieur de l’ampoule de verre, rendant même celle-ci totalement opaque après un certains temps d’utilisation. Dans le but d’attirer ce noircissement vers un point précis de l’ampoule, il place sur celle-ci une feuille d’étain et remarque le passage d’un faible courant entre le filament et cette feuille. Ce courant dépend d’ailleurs de la tension appliqué au filament (donc de sa température) et de la distance entre les deux électrodes.

Effet thermoïonique

Pour expliquer cette expérience, il nous suffit de rappeler la structure et les propriétés de la matière.
L’étude de la structure de la matière montre que le métal est composé d’atomes et ces derniers par des électrons qui gravitent autour d’un noyau. Les électrons les plus éloignés du noyau, ne sont pas fermement attachés à l’atome. Sous l’influence de divers facteurs, ils se déplacent au hasard, d’un atome à un autre, cela à une vitesse moyenne de l’ordre de 1000km par seconde.
La température du métal n’influe pas sur la vitesse d’agitation des électrons mais agit sur le mouvement des atomes, ceux-ci ne se déplaçant pas mais vibrent sur place. L’amplitude de cette vibration varie avec la température. Avec l’élévation de la température du corps, l’énergie cinétique moyenne des électrons libres dans ce corps s’élève aussi. C’est ainsi qu’un grand nombre d’électron atteint une énergie cinétique suffisant pour vaincre la barrière de potentiel et peut se déplacer au-delà de l’attraction du noyau. Cet effet est appelé effet thermoïonique.
La densité des électrons qui s’échappent dans la région vidée d’air est donnée par la formule ou la loi de Richardson :
T : Température absolue en °K
A0 = 60.2 : Constante en A/m2/°K
b0 = 11600 EW
EW : Travail de sortie du métal : différence entre la barrière de potentiel et son niveau de Fermi.
Remarque : Le chauffage des cathodes se fait de deux manières différentes :
– le chauffage direct dans lequel l’émetteur thermoïonique est indirectement chauffé par le passage du courant,
– le chauffage indirect, dans lequel la cathode est chauffée par un filament isolé électriquement.

Les diodes à vide 

Principe

Les diodes à vide poussés comprennent deux électrodes : une cathode, émetteur thermoïonique (chauffage direct ou indirect) et une anode ou plaque.
Pour examiner les phénomènes qui ont lieu à l’intérieur d’une diode, considérons le circuit suivant :
Figure 2.02 : Principe de la diode à vide
La courbe caractéristique de la diode est donnée par la figure 2.03 :
Figure 2.03 : Courbe caractéristique d’une diode à vide
Dans la partie ascendante des courbes, le courant est limité par la charge d’espace. Pour examiner cette courbe, appelons d la distance qui existe entre les électrodes, et EAK la différence de potentiel entre A et K. Si la cathode est froide, la fonction potentiel φ(x) est donnée par la figure
2.04.a :
Figure 2.04 : Distribution de potentiel dans une diode à vide
Le système anode cathode se comporte comme un condensateur plan (capacité de l’ordre de picofarad).
Lorsqu’elle est chauffée, elle émet un grand nombre d’électron tandis que l’anode est maintenue à un potentiel EAK ; si le courant anodique est inférieur au courant émis par la cathode, une partie d’électron retourne à la cathode, sous l’effet du nuage d’électron qui se trouve dans l’espace inter électrode. La présence de ce nuage fait baisser la courbe de distribution de potentiel, qui prend la forme indiquée sur la figure 2.04.b.

Les triodes

Principes

Nous avons vu précédemment que le courant anodique dans les diodes est essentiellement contrôlé par la charge d’espace aux alentours de la cathode, là où le potentiel est négatif. Maintenant, si l’on place une troisième électrode – ou grille de commande – dans cette région, on peut contrôler le flux du courant anodique, accompagné d’une perte insignifiante d’énergie. On forme ainsi un tube triode dont la représentation schématique est la suivante :
Il y a trois électrodes : la cathode (K) chauffée directement ou indirectement par le filament, la grille de commande (G) qui contrôle le flux des électrons provenant de la cathode généralement polarisée négativement, l’anode (A) ou plaque toujours à un potentiel positif.
Lorsque le potentiel négatif de grille est suffisant pour qu’aucun électron émis ne puisse pas dépasser la barrière de potentiel dans la région de la grille, on dit que la triode est bloquée. La tension négative de la grille qui annule le courant anodique est appelée tension de coupure ou de seuil (cutt-off en anglais).
Lorsque la grille est moins négative, une partie des électrons émis par la cathode ne dépasse la barrière de potentiel et va former le courant anodique, on parle de triode en conduction. Ce courant anodique est donné par la relation suivante :
On portera sur la grille un potentiel négatif réglable, de même entre l’anode et la cathode une tension positif réglable. Nous pouvons connaître alors à chaque instant l’intensité anodique iA en fonction d’une variable qui sera soit la tension eG appliquée entre la grille et la cathode, soit la tension anodique eA On pourra condenser la série de résultat sous forme de tableau, soit mieux encore de courbes caractéristiques selon la grandeur que l’on varie :

Polarisation des tubes triodes

Avant d’utiliser un tube triode, il faut lui appliquer un potentiel EA sur l’anode et –EG sur la grille. Ces potentiels sont appelés potentiel de polarisation du tube et doivent être choisis de façon telle que le tube fonctionne autour d’un point convenable (point de fonctionnement) de ses caractéristiques.
La polarisation grille peut s’effectuer de différentes façons, les deux principales étant la polarisation automatique et la polarisation fixe.

Polarisation automatique

La polarisation automatique ou auto-polarisation consiste à insérer entre la cathode et la masse une résistance dite de cathode (ou Rk). Dans ce cas, on place entre la grille et la masse une résistance d’assez forte valeur, dite de « fuite de grille ». Le passage du courant anodique dans le tube produit alors une tension continue positive sur la cathode, par rapport à la masse. La référence 0V du tube étant la cathode, la tension de polarisation de la grille vue de la cathode sera donc non pas positive mais négative. La valeur de la résistance Rk est calculée à partir des caractéristiques du tube, c’est-à-dire tension plaque, polarisation grille, courant plaque et charge de plaque.

Table des matières

NOTATIONS
INTRODUCTION
C HAPITRE 1 : GENERALITE SUR LES EMETTEURS
1 .1. Introduction
1 .2. Structure générale d’un émetteur [6][7]
1 .3. Structure d’un émetteur de radiodiffusion [6][7]
1 .4. Les éléments fonctionnels d’un émetteur [3][4][7][8][9][10]
1 .4.1. Les oscillateurs [7][9][10]
1 .4.1.1. Définitions
1 .4.1.2. Le module d’action G
1 .4.1.3. Le module de réaction H
1 .4.2. L’oscillateur à quartz [7][8][9]
1 .4.2.1. Propriété des lames de quartz. Effet piézo-électrique
1 .4.2.2. Propriétés d’un résonateur à quartz
Les amplificateurs [3][4][8]
1 .4.2.3. Définition
1 .4.2.4. Propriétés d’un amplificateur
1 .4.2.5. Utilisation des amplificateurs
1 .4.2.6. Les amplificateurs de puissance
C HAPITRE 2 : LES TUBES ELECTRONIQUES
2 .1. Historiques [1][2]
2 .2. L’effet thermoïonique – effet Edison [1][2][3][4][5][6][12][14]
2 .2.1. Expérience d’Edison
2 .2.2. Effet thermoïonique
2 .3. Les diodes à vide [1][2][3][4][5][6][11][12][14]
2 .3.1. Principe
2 .3.2. Circuits équivalents des diodes
2 .3.3. Caractéristiques d’une diode à vide
2 .4. Les triodes [1][2][3][4][5][6][11][12][14] [17]
2 .4.1. Principes
2 .4.2. Courbes caractéristiques des triodes
2 .4.3. Polarisation des tubes triodes
2 .4.3.1. Polarisation automatique
2 .4.3.2. Polarisation fixe
2 .4.4. Modèles équivalents des triodes
2 .4.5. Paramètres d’une triode
2 .4.6. Inconvénient des tubes triodes
2 .5. Les tétrodes [1][2][3][4][5][6][11][12][14] [17]
2 .5.1. Principes :
2 .5.2. Courbes caractéristiques
2 .5.3. Paramètres d’une tétrode
2 .5.4. Inconvénient des tubes tétrodes
2 .6. Les pentodes [1][2][3][4][5][6][11][12][14]
2 .6.1. Principes
2 .6.2. Courbes caractéristiques d’une pentode
2 .6.3. Paramètres d’une pentode
C HAPITRE 3 : LES AMPLIFICATEURS A TUBES DE PUISSANCE
3 .1. Généralité [1][2][3][4][5][6][11][12][14]
3 .1.1. Point de fonctionnement. Caractéristique statique d’un étage amplificateur [1][2][4][11
3 .1.2. Caractéristique dynamique d’un étage amplificateur [1][2][4][11]
3 .1.3. Rendement d’un amplificateur [1][2][3][4][5][6][11][12][14]
3 .1.4. Les distorsions dans les amplificateurs [4]
3 .1.4.1. Distorsion de fréquence ou distorsion linéaire
3 .1.4.2. Distorsion d’amplitude ou distorsion non linéaire
3 .1.4.3. Distorsion par transmodulation ou intermodulation
3 .1.5. Calcul du facteur ou taux de distorsion d’un amplificateur [4][6]
3 .2. Les amplificateurs en classe A [2][4][15][16]
3 .2.1. Définition
3 .2.2. Charge optimum d’un tube triode en régime A [4][16]
3 .2.2.1. Pour une excitation de grille donnée
3 .2.2.2. Pour une tension de plaque donnée :
3 .2.3. Rendement maximum [4][15][16]
3 .3. Les amplificateurs en classe B et en classe AB [4][6][16]
3 .3.1. Définition
3 .3.2. Montage push-pull ou symétrique
3 .3.2.1. Principe
3 .3.2.2. Caractéristique dynamique composée
3 .3.2.3. Charge optimum, Puissance, Rendement
3 .4. Les amplificateurs en classe C [2][4][6][15][16]
3 .4.1. Définition et principe
3 .4.2. Etude et calcul d’un amplificateur en régime C [6]
3 .4.2.1. Choix de l’angle d’ouverture du tube
3 .4.2.2. Ordre de calcul de l’amplificateur classe C
3 .5. Neutrodynage des étages de puissance [4][6]
3 .5.1. Neutrodynage de grille
3 .5.2. Le neutrodynage anodique
C HAPITRE 4 : LES AMPLIFICATEURS EN « R EGIME DE MODULATION »
4 .1. La modulation anodique [4][6][13]
4 .1.1. Régime de fonctionnement en modulation anodique
4 .1.2. Calcul de l’amplificateur en modulation anodique
4 .1.3. Exemples de schémas d’amplificateurs de puissance en modulation anodique
4 .1.3.1. Amplificateur RF asymétrique
4 .1.3.2. Amplificateur RF symétrique
4 .2. La modulation de grille [4][6][13]
4 .2.1. Régime de fonctionnement en modulation de grille
4 .2.2. Calcul de l’amplificateur en modulation de grille
4 .2.3. Exemple de schéma en modulation de grille
4 .2.3.1. Amplificateur asymétrique
4 .2.3.2. Amplificateur symétrique
4 .3. Modulation par déphasage [4]
C HAPITRE 5 : SIMULATION
5 .1. Introduction
5 .2. Présentation du simulateur
5 .2.1. Présentation de Matlab
5 .2.2. Présentation du simulateur
5 .3. Programmation
5 .3.1. Les variables utilisées [18]
5 .3.2. Fonction parametre.m
5 .3.3. Fonction allure.m
5 .3.4. Fonction caracteristique_iA_eA.m
5 .3.5. Fonction caracteristique_iA_eG.m
5 .3.6. Fonction caracteristique_dynamique.m
5 .3.7. Fonction distorsion.m
5 .4. Simulation des amplificateurs de puissance
5 .4.1. Ajout d’un nouveau tube pentode
5 .4.2. Utilisation du GY-71B comme amplificateur classe A
5 .4.3. Utilisation du GY-71B comme amplificateur classe B push-pull
5 .4.4. Utilisation du tube triode GU-3 en classe A
5 .4.5. Utilisation du GU-3 en classe C
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 2 : LE COMPILATEUR DE MATLAB
ANNEXE 3 : MODULATION D’AMPLITUDE
BIBLIOGRAPHIE

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