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Nouvelles métamorphoses de la lampe de T.S.F.

P. Hémardinquer, La Nature n° 2977 — 15 mai 1936

Mis en ligne par Lauryn le samedi 3 août 2019

 Les lampes métalliques, les lampes métal-verre et les nouvelles lampes en verre

La lampe de T.S.F., depuis sa création par de Forest en 1906, a fait d’extraordinaires progrès. On sait les multiples applications auxquelles elle se prête : détection, génération d’oscillations électriques à haute fréquence, amplification. Ses organes internes ont été rapidement perfectionnés ; on a vu apparaître successivement les cathodes à revêtement d’oxyde, à chauffage indirect, les électrodes multiples de contrôle ; la technique du vide a été poussée à un haut degré de perfection, le montage interne des électrodes a été également très perfectionné.

Cependant, la lampe merveilleuse n’est pas encore arrivée au dernier stade de son évolution ; dans ces derniers mois, la construction métallique a fait son apparition et apporte à la construction des lampes de nouveaux changements révolutionnaires.

 L’emploi du verre dans les lampes de T.S.F.

Jusqu’à ces derniers temps, les ampoules des lampes de T.S.F. étaient toujours en verre. Elles sont scellées sur le pied en verre, lui-même scellé au culot isolant auquel sont adaptés les broches ou les ergots de connexion. La surface extérieure du verre est recouverte d’un enduit métallique dans les modèles récents, et la surface intérieure est, elle aussi, recouverte soit d’un enduit métallique, absorbant, ou bien d’une couche de graphite destinée à éviter autant que possible les émissions secondaires.

Pourquoi a-t-on eu recours au verre ? Il était assez utile dans les premiers modèles de lampes à filaments de tungstène de se rendre compte du fonctionnement et du chauffage du filament, en observant l’éclat de sa lumière, mais cet avantage n’était pas essentiel. On a surtout employé le verre parce qu’on a tout naturellement appliqué à la construction des premières lampes de T.S.F. les procédés utilisés pour la fabrication des lampes d’éclairage électrique.

Le verre est, d’ailleurs, une matière facile à travailler, qui tient parfaitement le vide et que l’on sait faire traverser par des conducteurs électriques. Mais il a des inconvénients : les parois minces en verre sont très fragiles ; les parois épaisses supportent mal les différences de température déterminées par les opérations de pompage et de formation de la couche d’oxyde sur la cathode.
Lorsqu’il a fallu réaliser des supports pour les multiples électrodes de la lampe, on s’est heurté à de difficiles problèmes. Le pied doit, en effet, supporter l’ensemble des éléments, tout en maintenant rigoureusement entre eux un écartement déterminé, condition nécessaire pour obtenir avec précision les caractéristiques radio-électriques voulues.

Cette masse de verre doit ainsi être percée de nombreux trous pour le passage des conducteurs, tout en demeurant parfaitement étanche ; il faut aussi éviter les pertes électriques pour les courants haute fréquence.

Les nécessités du travail du verre exigent pour le pied une forme aplatie ; les connexions des électrodes doivent y être disposées en lignes à moins de 2 mm les unes des autres. Il faut ensuite donner aux supports de ces électrodes une forme plus ou moins compliquée.

Pour augmenter la solidité des supports, éviter tous déplacements relatifs des électrodes, on a donc été obligé, dans le cas des lampes à électrodes multiples, de recourir à des rondelles d’écartement et à des ponts en mica.

Au cours de la fabrication, il faut généralement procéder à plusieurs recuissons du verre pour faire disparaître les tensions internes, sources de fêlures ultérieures ; néanmoins on ne peut éviter un fort déchet de fabrication dû aux fêlures, aux soudures imparfaites et autres défauts des ampoules en verre.

Pendant qu’on fait le vide, il faut, d’ailleurs, porter l’ampoule à une température élevée, pour en éliminer les gaz occlus qui, sans cette opération, se dégageraient au cours de l’existence de la lampe. Mais il faut bien régler ce chauffage pour éviter toute détérioration du verre.

Ainsi que nous l’avons montré, dans un article de la revue de septembre 1935, ces particularités de la construction en verre ne permettent pas une fabrication entièrement automatique. L’intervention de spécialistes pour le montage des électrodes à l’intérieur de l’ampoule et pour le vide reste nécessaire.

Les inconvénients du verre s’aggravent pour les lampes puissantes et de grandes dimensions : le passage des conducteurs à travers le verre, le maintien d’une température constante et uniforme dans l’ampoule, malgré l’énergie mise en jeu sur ses électrodes, créent alors les plus graves difficultés. Aussi, pour ces lampes puissantes, la substitution du métal au verre a-t-elle été envisagée depuis longtemps. C’est ainsi que dans les lampes d’émission à grande puissance, on a remplacé en partie l’ampoule en verre par un tube de cuivre formant anode, ce qui a permis de la refroidir aisément par l’extérieur au moyen d’une circulation d’eau ou d’huile.

La difficulté, dans cette disposition, résidait dans la jonction étanche du verre et du métal. La découverte d’alliages de fer et nickel ou de fer, nickel et cobalt, ayant le même coefficient de dilatation que le verre, et adhérant parfaitement à celui-ci, a permis de résoudre simplement le problème. Un anneau de cet alliage est brasé à l’extrémité du tube de cuivre et une lame très mince de cuivre est appliquée entre le verre et le métal ; on obtient ainsi un joint parfaitement étanche.

Pour les lampes de réception, le problème du passage des connexions à travers le verre était généralement assez simple, à cause de l’échauffement relativement réduit, mais il n’en est pas de même pour les lampes à grande puissance. Dans celles-ci, la connexion est munie, à la traversée du verre, d’une sorte de bouclier fait d’un disque à bords minces ; ces bords restent libres de se dilater à l’intérieur d’une douille de soudure du verre, qui vient s’appliquer sur les faces supérieures et inférieures du disque.

 Les premières lampes métalliques de réception

L’emploi du métal pour les ampoules à grande puissance ayant été mis au point, il était naturel de songer à l’étendre aux lampes de réception. Aussi vit-on surgir, il y a trois ans à peine, la lampe anglaise Catkin, encore utilisée aujourd’hui, et sur laquelle nous avons attiré en son temps l’attention de nos lecteurs ; cette lampe, comme les lampes d’émission, possède une anode en forme d’enceinte, dans laquelle le vide est réalisé. Les autres électrodes sont maintenues à l’intérieur par des entretoises robustes (fig. 1).

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Le verre n’est plus employé que sous la forme d’un culot qui scelle la base de la lampe et assure le passage des fils d’arrivée du courant sur sa périphérie à une grande distance les uns des autres, en évitant les effets de capacité et les pertes à haute fréquence.

Le pied en verre de la lampe servant de support aux électrodes est supprimé ; il est remplacé par une bride serrée formée par des plaquettes de mica ou des supports d’acier.

Le tube est monté dans un culot métallique, dont il peut être isolé par une ceinture anti-microphonique en caoutchouc. L’anode métallique recouverte d’un enduit isolant est visible directement, ou elle est entourée d’un tube métallique percé d’ouvertures en losanges destinées à jouer un rôle protecteur et mécanique et à augmenter le refroidissement par circulation d’air.

Ce système mixte présentait ainsi, semble-t-il, des avantages sur la lampe en verre. Néanmoins, sa construction était délicate, et son emploi paraît être demeuré assez restreint.

 Les nouvelles lampes métalliques américaines

Les nouvelles lampes métalliques dont nous avons déjà sommairement signalé l’apparition, sont entièrement métalliques, à la différence des lampes Catkin. Le pied en verre est supprimé.

Leurs dimensions sont beaucoup plus réduites que celles des lampes ordinaires. Elles mesurent en moyenne, 7,6 cm de hauteur et 2,5 cm de diamètre. Une double triode destinée à la détection n’a même que 2,5 cm de hauteur ! Une dizaine de types de ces lampes ont déjà été réalisés, la plupart de leurs caractéristiques correspondent à celles des types récents de lampes en verre, mais certains modèles présentent des perfectionnements radio-électriques spéciaux, dûs justement à leurs particularités mécaniques : faible capacité, rapprochement des électrodes, etc. (fig. 2 et 3).

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Le passage des conducteurs à travers l’enveloppe s’effectue de la façon suivante : les fils de connexion sont enfilés dans des perles de verre disposées elles-mêmes dans un œillet fait d’un alliage auquel on a donné le nom de fernico, parce qu’il contient du fer, du nickel et du cobalt (fer : 58 %, nickel : 28 %, cobalt : 18 %). Cet alliage a une courbe de dilatation presque identique à celle du verre normal. L’œillet en fernico est soudé dans la plaquette métallique du tube. Pendant la soudure, le verre fond et tend à centrer le fil de connexion par suite du phénomène de la tension superficielle. Les ouvertures de l’enceinte métallique sont, de cette manière, fermées d’une manière absolument hermétique.

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Ces gouttes de verre constituent donc les seules pièces de verre employées pour la construction de la lampe. Les électrodes sont maintenues à l’écartement convenable au moyen de ponts.

Au moment de la fabrication, un courant de 2 000 ampères agit pendant un vingtième à un centième de seconde dans le fil conducteur. Ce temps est contrôlé avec précision par un thyratron ; on peut ainsi fondre le verre sans volatiliser le cuivre.

L’emploi du métal permet une fabrication entièrement mécanique, et les chaînes de fabrication ressemblent à celles d’une usine de petite mécanique.

Grâce à la suppression du pied en verre, toutes les parties de la lampe sont assemblées sur une plaque métallique ; l’armature extérieure est posée sur ces parties métalliques et soudée sur la plaque autour de sa circonférence, ce qui permet d’obtenir des connexions très courtes et très directes, et par suite, de réduire les capacités internes.

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Le culot à broches ou à ergots des lampes ordinaires a donc disparu. La base de la lampe porte des tiges de contact d’un diamètre identique égal à 2,32 mm, au nombre de 5, 6 ou 8 au maximum et réparties à égale distance les unes des autres, sur une circonférence de 17,44 mm de diamètre.

Pour éviter toute erreur de connexion, la plaquette formant culot comporte en son centre un téton en bakélite, plus long de quelques millimètres que les broches, et pourvu d’un ergot. Le support de la lampe sur le poste porte au centre une ouverture identique au profil du téton et, par conséquent, aucune erreur de branchement n’est possible ; on enfonce immédiatement la lampe sur son support, comme une clé dans une serrure (fig. 6).

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L’ensemble est robuste et solide, la suppression du pied a permis de surbaisser les électrodes et, par suite, de diminuer la hauteur totale. Deux pièces de centrage en mica sont disposées à la partie inférieure et à la partie supérieure et serties dans des cercles métalliques solidaires du socle. La plaque est, d’autre part, soutenue en trois points différents par des bandes de mica rivées sur un support circulaire.

Les deux opérations les plus délicates de la fabrication des tubes métalliques sont certainement les opérations de soudure et celles de pompage ; les autres phases de la construction et de la mise en place des électrodes sont au contraire, facilitées par la suppression du verre.

Dans le pompage des lampes en verre, qui dure environ 6 mn, le filament chauffant de la lampe est chauffé avec un courant d’une tension supérieure à la tension normale ; les plaques, les grilles et les écrans sont portés à des températures voisines de 10 000 centigrades par passage de courants induits par un courant haute fréquence de l’ordre de 400 kilocycles [1] ; l’opération s’effectue sans difficultés, et on la contrôle aisément. De même, la mise en action du getter, c’est-à-dire de la pastille (en alliage de magnésium-baryum) qui doit déposer sur la paroi interne du tube la couche absorbante est assurée aussi au moyen d’un chauffage par induction. À travers l’ampoule de verre on aperçoit, d’ailleurs aisément, la position de ce getter.

Avec une lampe métallique, ces opérations sont beaucoup plus difficiles. Le blindage métallique ne permet plus le chauffage par induction ; il faut donc porter directement l’enveloppe à une température suffisante pour dégager les gaz occlus, et pour chauffer par rayonnement les électrodes elles-mêmes. On fait exploser le getter en chauffant avec une flamme le point de la paroi où il est placé.

On a, en outre, été obligé de prévoir l’introduction d’un enduit de céramique sur la plaquette et sur l’enveloppe intérieure des tubes, de manière à éviter l’action destructive des dépôts.

La soudure est elle-même une opération très délicate. Au moment où le métal devient plastique, il faut un système de forgeage terminant rapidement la soudure, de manière à limiter la chaleur à la surface de contact. La fabrication de la lampe tout métal exige donc des installations d’une précision absolue ; les résultats obtenus paraissent cependant déjà satisfaisants.

Avantages et inconvénients des lampes métalliques

Voici les avantages mis par leurs constructeurs à l’actif des lampes métalliques : leur fonctionnement est extrêmement silencieux ; la construction mécanique antimicrophonique, le blindage parfait, l’absence d’émissions secondaires évitent le sifflement et le « souffle » ; on n’a plus à craindre, d’autre part, la charge électrique accumulée sur le verre de l’ampoule.

Les connexions internes plus courtes, la réduction de la capacité entre éléments assurent un rendement plus satisfaisant pour la réception des ondes courtes.

Une plus grande précision dans la disposition des éléments internes par rapport au blindage rend les caractéristiques électriques plus uniformes et permet une interchangeabilité absolue.

Elles sont robustes, insensibles aux chocs.

Elles sont plus faciles à mettre en place sans erreur possible et sans crainte de contact avec les pièces sous tension ; leur culot est assemblé mécaniquement et non collé ; il ne peut prendre de jeu. Enfin, leurs faibles dimensions permettent de réduire l’encombrement des postes.

Toutefois, la lampe en verre peut encore présenter de bons arguments pour sa défense.

La résistance mécanique de l’enveloppe d’une lampe n’est pas ce qui importe le plus ; ce qui est essentiel c’est la solidité des électrodes elles-mêmes, et de leur montage, ainsi que le maintien du vide. Actuellement, il faut convenir qu’aucun matériau n’est supérieur au verre pour le maintien du vide ; du reste, les tubes métalliques ont dû être laqués extérieurement pour supprimer les fuites éventuelles, et aussi pour constituer une protection contre la rouille.

On peut augmenter la rigidité du montage des électrodes dans les tubes en verre également ; tandis que le dépôt d’une couche de carbone sur la paroi interne permet de supprimer les effets d’émissions secondaires ; le centrage au moyen de ponts métalliques risque, d’autre part, d’engendrer des effets microphoniques.

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Les capacité internes des tubes en verre les plus récents sont, d’autre part, égales, ou même inférieures à celles des tubes métalliques, de sorte que la réception des émissions sur ondes courtes est tout aussi facile ; la capacité entre les connexions des tubes métalliques est du même ordre que celle des tubes en verre les plus récents.

On peut également améliorer la régularité des caractéristiques des tubes à enveloppe de verre, et les déformations des supports des électrodes ne sont plus guère à craindre grâce à l’emploi des ponts en mica.

Le culot des lampes métalliques est certainement très pratique, mais il peut être également adapté sur des lampes à enveloppe de verre, comme nous le verrons plus loin.

Les lampes métalliques sont de petites dimensions, mais elles prennent au bout de peu de temps de fonctionnement une température très élevée ; on ne peut donc, pour cette raison, les employer dans des récepteurs très ramassés dans lesquels l’aération ne serait pas suffisante.

Que conclure ? La lampe métallique, d’une fabrication entièrement mécanique, constitue sans doute le modèle de l’avenir. La fabrication est-elle dès à présent entièrement au point ? Il n’est pas encore permis de l’affirmer. En attendant, l’emploi des modèles de transition : lampes métal-verre ou lampes en verre modifiées que nous allons décrire, demeure la solution la plus sûre et la plus rationnelle pour tous les usagers de la radio-technique.

 Les lampes métal verre

Les lampes mixtes, à enveloppe de verre, ont été conçues pour allier aux qualités de la lampe en verre certains avantages essentiels des tubes métalliques.

Ainsi est née, aux États-Unis, une lampe qui présente à peu près la même forme que la lampe en verre ordinaire mais comporte un blindage démontable et le même culot que la lampe métallique.

La lampe M. G. (métal-glass) a une forme cylindrique comme la lampe métallique ; elle comporte une ampoule en verre recouverte d’un blindage serti sur le culot ; ce culot est analogue à celui de la lampe métallique.

Des lampes de ce type sont désormais construites en série en France, par exemple dans les nouveaux ateliers Visseaux à Lyon. On voit, sur la figure 7, le détail de la construction de cette lampe ; le verre est encore utilisé pour constituer l’ampoule, mais les traitements qu’il subit ont été mécanisés, de manière à réduire les risques de construction et à faciliter le montage.

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Les ampoules provenant de verreries spécialisées subissent à leur arrivée à l’usine un contrôle et un calibrage de hauteur, de diamètre et d’épaisseur, puis un lavage au jet de vapeur et un séchage.

Le tubulage consiste dans l’adjonction d’une ébauche de corne pour les ampoules destinées aux lampes ayant une sortie de grille supérieure ; le graphitage est un badigeonnage au graphite colloïdal de l’intérieur des ampoules.

Les trois dernières opérations sont effectuées sur des machines circulaires ; l’ampoule tourne sur elle-même et avance progressivement à la périphérie de la machine. À chaque position d’arrêt, des chalumeaux à gaz échauffent le verre au degré voulu pendant que les dispositifs mécaniques effectuent l’opération désirée.

Pour la fabrication des pieds, on part, comme matière première, de cannes de verre qui sont des tubes de 15 à 20 mm de diamètre et de 1 m de longueur.

L’évaseuse-écarteuse produit 1 000 évasements à l’heure, les cannes disposées verticalement dont tronçonnées à chaud à l’état de verre pâteux ; les tubes sont progressivement évasés (arrondis inférieurs) puis écartés (ovalisation sur une machine couplée).

La machine à pieds fabrique 200 pieds à l’ heure ; elle pose dans l’évasement les entrées de courant (nickel, alliage spécial traversant le verre, cuivre à l’extérieur) et le support de montage en nickel. Ces fils logés dans l’ovalisation de l’évasement à leur place rigoureuse sont noyés dans le verre rendu pâteux par des chalumeaux à gaz, puis ils sont pincés par deux marteaux. La machine est à douze têtes qui avancent progressivement sur une couronne circulaire devant les positions successives de chargement-chauffage-pinçage-déchargement.

Sur la même machine, le queusot, petit tube de verre par lequel on fera le vide ultérieurement, vient aussi se souder vers la pinçure du pied. De grandes étuves circulaires sont adjointes aux machines à pied, elles assurent le refroidissement de ces pieds suivant une courbe de température bien étudiée pour éviter toute trempe du verre, de manière à éliminer les risques de fêlures.

Les entrées de courant sont effectuées par des machines très spéciales à trois bobines de fil de nickel, d’alliage spécial et de cuivre, qui opèrent des coupes et des brasures au chalumeau, automatiquement.

Des machines à cambrer, enfin, assurent, par des coupes automatiques et des pliages calibrés sur les supports de nickel du pied, un montage ultérieur précis.

 Progrès des lampes en verre

La plupart des fabricants européens de lampes demeurent fidèles aux lampes à ampoule de verre.

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Les cathodes sont désormais établies avec des fils de chauffage bifilaires et à double spirale, pour éliminer tous les bruits parasites ; le tube isolant est supprimé et la durée de mise en marche est très réduite ; le centrage automatique est effectué au moyen d’une aiguille.

Les ponts en mica employés pour augmenter la rigidité des électrodes ont une surface réduite, le trajet des lignes de fuite éventuelle est augmenté, la fluorescence des ampoules est supprimée au moyen d’un enduit intérieur au graphite.

Les grilles ont une section elliptique, qui permet une meilleure répartition du champ électrique et une rigidité plus grande. La capacité interne est réduite, fait particulièrement essentiel pour la réception des émissions sur ondes très courtes. Les tiges de fixation sont plus courtes et plus grosses ; les plaques sont pleines et plus rigides.

Le nouveau culot standardisé comporte, non plus des broches, mais des ergots disposés sur la périphérie et venant s’emboîter dans les douilles du châssis.

Le nombre dos ergots est de 8, quel que soit le modèle de lampes.

Les nouvelles séries de 1936 sont remarquables par leur consommation réduite. Les anciennes lampes de 1933-1934 exigeaient une puissance de chauffage de 4,4 W (4 V X 1,1 A) ; les lampes de même type, en 1935, ne consomment déjà plus que 2,6 W. Les nouvelles lampes, alimentées sous une tension de 6,3 V, ne consomment plus que 1,2 W (6,3 V X 0,2 A) soit un bénéfice de plus de moitié en deux ans.

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Ces lampes sont remarquables aussi par leur faible encombrement. Le volume d’une octode de la série 1935 était de 123 cm3 culot compris, celui de l’octode 1936 n’est que de 43 cm3, soit trois fois moins (fig. 11 et 12).

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Le dégagement de chaleur est plus faible, la température extérieure étant de 50° maximum, de sorte qu’on peut sans inconvénient réduire les dimensions des postes.

La réduction plus poussée encore des ponts en mica a supprimé les effets microphoniques ; les points de contact entre les électrodes et le mica sont peu nombreux.

Les anodes pleines sont de surface réduite et recouvertes d’une couche de carbone très fine destinée à éviter les émissions secondaires.

Ajoutons qu’un grand effort a été fait pour normaliser les types de lampes mis sur le marché, les rendre interchangeables et réduire le nombre des modèles.

P. Hémardinquer


[1correspond au kilohertz actuel