Fabriquer un tube à vide

En une phrase

Un tube à vide est une ampoule de verre d’où l’air a été retiré, contenant des fils métalliques qui contrôlent le flux d’électrons, servant d’interrupteur ou d’amplificateur électrique.

Comment ça marche

Qu’est-ce que c’est ?

Un tube à vide (aussi appelé tuyau électronique ou lampe) est un composant électronique fondamental. C’est un récipient en verre d’où presque tout l’air a été retiré (le vide). À l’intérieur, il y a :

• La cathode : un fil chauffé qui émet des électrons (un filament, comme dans une ampoule)
• L’anode : une plaque métallique positive qui attire les électrons
• La grille (dans un triode) : un fil enroulé entre la cathode et l’anode qui contrôle le flux d’électrons

Quand la cathode est chauffée par un courant électrique, elle émet des électrons dans le vide. Ces électrons sont attirés par l’anode positive. Le courant passe. Mais si on applique une petite tension négative sur la grille, elle repousse les électrons et le courant est bloqué. Une toute petite variation sur la grille contrôle un grand courant entre cathode et anode : c’est l’amplification.

Il existe plusieurs types :

• Diode : cathode + anode (pas de grille). Laisse passer le courant dans un sens seulement.
• Triode : cathode + grille + anode. Amplifie un signal.
• Pentode : cathode + deux grilles + anode. Amplification plus forte.

Où le trouver / comment le fabriquer ?

Les tubes à vide ne se trouvent pas dans la nature. Ils sont parmi les composants les plus difficiles à fabriquer de manière artisanale. Il faut :

• Savoir souffler le verre (voir Fabriquer du verre)
• Savoir créer un vide partiel dans une enceinte fermée
• Disposer de fils métalliques fins (tungstène de préférence, ou fer)
• Avoir une source de courant pour chauffer le filament

Comment l’utiliser ?

Un tube à vide s’insère dans un circuit électrique. Il sert d’amplificateur (un faible signal sur la grille commande un fort courant à l’anode) ou de redresseur (la diode laisse passer le courant dans un sens seulement). C’est le composant de base des premiers ordinateurs et des premiers émetteurs radio.

Étapes détaillées

1. Fabriquer l’enveloppe en verre

L’enveloppe est un tube ou une ampoule en verre qui doit être parfaitement étanche.

• Utiliser un tube en verre borosilicaté (résistant à la chaleur) d’environ 2 à 3 centimètres de diamètre et 8 à 10 centimètres de long.
• À l’aide d’un chalumeau ou d’un four à verre, fermer une extrémité du tube en la chauffant et la soufflant pour former une ampoule ronde.
• L’autre extrémité est laissée ouverte pour l’instant (c’est par là qu’on introduira les électrodes).
• Laisser refroidir lentement pour éviter les fissures (recuit).

Pour un tube plus simple (diode), on peut utiliser une ampoule de lampe existante dont on a coupé le fond et scellé les fils.

2. Fabriquer la cathode (filament)

La cathode est le fil qui sera chauffé pour émettre des électrons.

• Filament direct : un fil de tungstène (le meilleur), de tantale, ou à défaut de fer fin, en forme de V ou de W, d’environ 0,05 à 0,1 millimètre d’épaisseur.
• Fixer les deux bouts du filament à des fils de support en nickel ou en fer plus épais (les tiges).
• Le filament doit être tendu mais avec un peu de mou (il se dilate en chauffant).
• Appliquer une couche d’oxyde de baryum ou de strontium sur le filament pour faciliter l’émission des électrons (cathode à oxyde). Pour cela, tremper le filament dans un mélange de carbonate de baryum en poudre mélangé à un liant, puis le chauffer pour décomposer le carbonate en oxyde.

3. Fabriquer la grille (pour une triode)

La grille est un fil fin enroulé en spirale autour de la cathode.

• Utiliser du fil de nickel ou de fer très fin (0,1 mm) enroulé sur un mandrin de la bonne taille.
• L’espacement des spires doit être régulier (environ 0,5 à 1 mm entre chaque tour).
• La grille ne doit pas toucher ni la cathode ni l’anode.
• Souder ou fixer les extrémités de la grille à une tige de support qui sortira de l’ampoule.
• La grille doit être centrée entre la cathode et l’anode.

4. Fabriquer l’anode (plaque)

L’anode est une plaque métallique qui entoure la cathode et la grille.

• Découper une plaque de nickel, de fer ou de tôle mince en forme de cylindre ou de rectangle incurvé.
• La plaque doit faire environ 1 à 2 centimètres de large et entourer la grille de tous les côtés sans la toucher.
• Fixer la plaque à une tige de support.

5. Assembler les électrodes

L’assemblage est l’étape la plus délicate.

• Fixer les tiges de support (cathode, grille, anode) dans une embase en verre ou en céramique. Chaque tige doit être isolée des autres.
• L’embase a des trous pour chaque tige. Les tiges passent à travers le verre de l’ampoule.
• S’assurer que la cathode, la grille et l’anode sont alignées et ne se touchent pas.
• Les espaces sont de l’ordre de 1 à 2 millimètres entre chaque élément.

6. Souffler le verre autour des tiges

• Chauffer l’extrémité ouverte de l’ampoule avec les électrodes en place.
• Pincer et souffler le verre pour sceller les tiges dans le verre. C’est l’opération la plus difficile : le verre doit fondre autour des tiges sans les déformer et sans créer de fuites.
• Laisser un petit tube (le tuyau de pompage) qui permettra d’aspirer l’air.

7. Créer le vide

• Connecter le tuyau de pompage à une pompe à vide. La meilleure pompe artisanale est une pompe à palettes tournée par un moulin à eau ou à la main.
• Ou utiliser la méthode du getter : chauffer le tube tout en pompant. Les électrodes chauffées libèrent les gaz absorbés, que la pompe évacue.
• Le niveau de vide nécessaire est d’environ 0,001 à 0,0001 fois la pression atmosphérique (entre 1 et 0,1 pascal).
• Pour mesurer approximativement le vide : si le filament brille d’une lueur bleutée, il reste trop de gaz. Si la lueur disparaît, le vide est suffisant.
• Quand le vide est atteint, sceller le tuyau de pompage en le chauffant et l’écrasant avec une pince.

8. Le getter

Pour absorber les dernières traces de gaz :

• Placer une petite pastille de baryum, de magnésium ou de phosphore rouge à l’intérieur du tube avant de le sceller. -Après avoir scellé le tube, chauffer la pastille avec une bobine à induction ou un chalumeau depuis l’extérieur. La pastille se vaporise et se dépose sur la paroi du verre en une couche métallique brillante. Cette couche absorbe les gaz résiduels et maintient le vide.

9. Tester le tube

• Brancher le filament sur une source de courant basse tension (1,5 à 6 volts). Le filament doit rougir mais pas fondre.
• Appliquer une tension positive (50 à 200 volts) sur l’anode.
• Un courant doit passer entre la cathode et l’anode.
• Pour une triode : appliquer une tension de quelques volts sur la grille. Une tension négative sur la grille doit couper le courant anodique. Une tension positive doit l’augmenter.

Variations par climat

• En climat froid : le verre est fragile aux chocs thermiques. Laisser les tubes chauffer progressivement avant de les utiliser. Le vide se maintient mieux à froid.
• En climat chaud : les tubes chauffent naturellement. Ne pas les enfermer dans un boîtier fermé sans ventilation. Les tubes durent moins longtemps à haute température ambiante.

Pièges et erreurs courantes

• Fuites dans le verre : la moindre fissure ou la moindre imperfection dans le scellement détruit le vide. Souffler le verre est un art qui demande de la pratique.
• Court-circuit entre les électrodes : la grille ne doit toucher ni la cathode ni l’anode. Si les électrodes sont trop proches, elles se touchent en chauffant (dilatation thermique).
• Vide insuffisant : si l’air reste dans le tube, les électrons collisionnent avec les molécules de gaz au lieu d’aller droit vers l’anode. Le tube ne fonctionne pas ou mal.
• Filament trop chaud : le tungstène fond vers 3400 degrés. Si le courant est trop fort, le filament fond et le tube est détruit.
• Pas de getter : sans getter, le vide se dégrade progressivement car les électrodes libèrent des gaz en chauffant. Le getter absorbe ces gaz et prolonge la vie du tube.

Une fois que vous savez faire ça, vous pouvez débloquer

• Construire un transistor (alternative au tube à vide)
• Construire une radio (amplification des signaux)
• Créer un réseau informatique (composant de base des premiers ordinateurs)

Notes

• Les tubes à vide ont été inventés au début du 20ème siècle. La diode par Fleming en 1904, la triode par De Forest en 1906.
• Les premiers ordinateurs utilisaient des milliers de tubes à vide. L’ordinateur ENIAC (1945) en contenait 17 468.
• Les tubes à vide consomment beaucoup d’énergie et produisent beaucoup de chaleur. Un tube typique consomme 2 à 10 watts pour le filament seul.
• Ils ont été remplacés par les transistors à partir des années 1950, mais restent utilisés dans certains amplificateurs audio haut de gamme et en émission radio de forte puissance.
• Si la fabrication artisanale complète est extrêmement difficile, la récupération de tubes existants (dans du vieux matériel) est une alternative beaucoup plus pratique.
• Les tubes à vide sont robustes face aux impulsions électromagnétiques (contrairement aux semi-conducteurs), ce qui les rend utiles en situation de catastrophe.

Ressources externes

• KiCad : https://www.kicad.org/ — Conception open source de circuits à tubes à vide (schémas et PCB).
• GQRX SDR : https://gqrx.dk/ — Réception radio logicielle pour tester les tubes à vide dans un récepteur.
• The Engineering Toolbox : https://www.engineeringtoolbox.com/ — Tables de propriétés des matériaux (tungstène, verre, cuivre).
• Elmer FEM : https://www.elmerfem.org/ — Simulation thermique pour la conception du four de scellement des tubes.
• Voir aussi : Ressources et Outils — Section Électronique