Lueur vive des filaments a la mise sous tension

[Chauffeur de cathodes]

Bonsoir,

quelle est la raison de la lueur vive d'environ  une seconde, à la mise en service de certain tubes noval ?

Merci

[francis ibre]

Bonsoir Chauffeur,

ce sont les tubes sortis des usines Philips qui montrent souvent ce phénomène (pas systématique cependant).

Pour des raisons métallurgiques, le ruban de connexion entre filament et broches doit être réalisé dans un alliage particulier ne contenant pas de nickel.
En effet, le nickel migrerait petit à petit dans le tungstène du filament et provoquerait une recristallisation du tungstène : le nickel est gammagène, ce qui signifie qu'il favorise la cristallisation en cristal cubique à face centrée, au lieu du cubique centré habituel pour le tungstène (ainsi que le fer).
Lorsque le métal passe en cristal cubique à faces centrées, sa densité diminue donc le grain grossit !
Et du coup le volume du filament augmente, il s'allonge et dépasse largement de la cathode au point qu'il risque d'entrer en contact avec d'autres connexions...

Comme en prime le tungstène recristallisé est très fragile, la longévité du tube est compromise, il mourra soit par court-circuit interne, soit pas coupure du filament !

Philips a donc mis au point plusieurs alliages permettant de réaliser des rubans de connexions, soudables (par points) au tungstène et aux alliages de cupronickel des broches.
Du point de vue de la résistance électrique, ces alliages ont un coefficient de température relativement faible et négatif, contrairement au tungstène dont le coefficient de température est positif et très élevé.

Au final, lors du démarrage à froid, la résistance du filament de tungstène est très faible (souvent quelques ohms seulement) alors que celle du ruban est du même ordre !
Sauf que la section du ruban est très faible !
Le courant de démarrage peut atteindre facilement plusieurs ampères pendant une fraction de seconde, avant que le filament ne commence à chauffer : le ruban est porté au jaune clair, près de 1500°C...
Très rapidement, sa résistance diminue à moins de 1 ohm, alors que celle du filament monte à une trentaine d'ohms : le courant consommé diminue, la température du ruban chute, il s'éteint, alors que le filament est maintenant porté à 1400-1450°C...

Note bien que si tu éteins le tube et que le laisses refroidir même une heure, au démarrage suivant l'effet de "flash" peut très bien ne pas apparaitre...
Le lendemain, tube parfaitement froid, ça va le refaire !

Francis

[tron_ic]

Bonsoir Francis,

Merci pour cette explication et tout ces détails.

Salutations. Tony

[GG14]

Bonjour Francis

Philips a donc mis au point plusieurs alliages permettant de réaliser des rubans de connexions, soudables (par points) au tungstène et aux alliages de cupronickel des broches.

Merci pour l'explication sur ce point de détail des tubes. Je suis impressionné par cette grand intelligence de conception de la part de nos anciens.
Cà nécessitait une parfaite connaissance en métallurgie.
Ces alliages ont ils été obtenu par tâtonnement ou au contraire par prédiction?

GG

[francis ibre]

Bonjour GG,

l'observation des pannes survenant sur les tubes radio - surtout militaires - dans les années 30-40 a permis de dégager des problématiques récurrentes.
Le grossissement du grain du tungstène est vite apparu comme cause de rupture, on a donc cherché le pourquoi, et on s'est vite orienté vers des éléments qu'on savait gammagène pour l'acier : le nickel entre autre a été très vite soupçonné, puisqu'il entre dans la composition de nombreuses pièces des tubes.

On a conçu des connexions particulières, sans soudure mais serties pour limiter la diffusion du nickel dans le tungstène.
Comme ça ne suffisait pas, on a cherché des alliages aussi ductiles (faciles à mettre en oeuvre par pliage, soudage...) mais non gammagène, et résistants à de hautes températures : le molybdène était le bon candidat, pas trop cher en plus !

Les métaux alphagènes ne sont pas légions : le vanadium, l'aluminium, le titane, le tantale, le silicium, le molybdène, le chrome ou encore le tungstène lui-même...

Si on élimine l'aluminium à cause de sa température de fusion trop basse et des difficultés à le souder, le titane pour la difficulté de mise en oeuvre, le vanadium pour sa rareté, il ne reste pas grand-chose !
Le tantale est plus facilement disponible que le molybdène, il est probable que l'alliage en contienne une certaine proportion...

Hélas je n'ai pas la composition chimique de l'alliage en question.

Francis

[Chauffeur de cathodes]

Bonjour à tous.
Merci Francis.
C'est avec ces articles que l'on voit que le tube n'est que chimie , métallurgie et ingéniosité.
Amicalement

[Ludovic_Alexandre]

Moi j'ai une paire de Siemens ecc82 qui flashent méchamment à l'allumage, c'est assez impressionnant ! Ils viendraient donc de Erleen ?

Merci Francis pour l'explication, très instructive.

Ludovic

[francis ibre]

Ludovic,

il suffit que le filament et/ou ses barres de connexions viennent de Heerlen...

Si le tube entier est Philips, tu le sauras en regardant le code gravé à l'acide en bas du bulbe : delta XXX pour les tubes sortis de Heerlen.

Francis

[Chauffeur de cathodes]

Bonsoir
Francis, pourrais-tu nous en dire plus sur les filaments de chauffage?
Ceux ci semblent être les parents pauvres du tubes .
On se pose beaucoup de questions quand on prend connaissance du cahier des charges de certains tubes militaires.
- Longévité
- Nombre d'allumages
- Surtension
- Altitude ( ???)
-Isolation //cathode
Merci
Amicalement

[Chauffeur de cathodes]

OUPS!
J'ai oublié chocs et vibrations!

[francis ibre]

bonjour Chauffeur,

parent pauvre ??? NON, justement : c'est un des éléments les plus couteux !

Tout d'abord par le matériaux : le tungstène est un métal réfractaire, dont le point de fusion est inatteignable ! (3422°C...)
Sa mise en oeuvre est donc très compliquée : puisqu'on ne peut pas le fondre, on ne peut pas non plus le mouler...
Sa métallurgie est tout à fait spécifique :
- la wolframite FeWO4/MnWO4 est d'abord concassée, pulvérisée, puis réduite en four à hydrogène
- la poudre de tungstène obtenue est frittée (compressée) à haute température vers 1600°C
(il ne faut pas dépasser 1700°C au risque de recristalliser le tungstène qui devient alors très cassant donc impossible à tréfiler !)

- on obtient une "briquette", petit lingot poreux, juste assez ductile pour être laminé à chaud...
- encore faut-il disposer d'outillages très résistant, la dureté du tungstène (même à chaud) étant très supérieure à celles des aciers alliés...
- chez Mullard, les filières de tréfilage étaient en diamant (!)

Le fil obtenu est ensuite plié ou enroulé en hélice pour former le filament, puis revêtu de plusieurs couches d'alumine pour l'isoler électriquement.
C'est donc une des pièces les plus complexes à fabriquer !
A côté de ça, plier une tôle emboutie de nickel pour former la plaque, c'est de la rigolade...

Pour le fabricant de tubes, le filament est un vrai casse-tête : il y a en effet 36 façons d'amener la cathode à la bonne température !
- avec un petit filament porté à haute température
- avec un gros filament porté à basse température
- et avec n'importe quel compromis intermédiaire entre ces deux extrêmes...

En effet, c'est l'énergie rayonnée par le fil qui est transmise à la cathode, la conduction (par contact) ne se fait qu'en quelques points isolés et intervient très très peu.
Un filament de grande surface, chauffé à 1200°C rayonne autant qu'un autre filament plus petit chauffé à 1600°C...

Le prix d'un gros filament est élevé, sa consommation également, mais sa fiabilité est excellente.
Une économie intéressante est réalisée avec un filament très fin, et le tube consommera moins (commercialement intéressant) mais la fiabilité sera mise en jeu...
RCA dans son laboratoire de Harrison a mis au point dans les années 30 des nomographes aidant au choix.
Ces abaques prennent en compte :
- le diamètre du fil
- le courant de chauffage
- la température atteinte
- la résistivité du tungstène à cette température
- on aboutit à la sortie à une longueur de filament adaptée

Bien sûr, si la longueur nécessaire ne peut pas être logée dans la cathode, on recommence avec un fil plus fin... c'est un processus itératif...
La mise au point est fastidieuse, il faut un grand nombre d'essais (tubes prototypes) et bien sûr certaines références de tubes sont mieux conçues que d'autres de ce point de vue.
On ne sera pas étonné de constater par exemple qu'une 5814A est équipée d'un filament consommant 0,175 A, au lieu des 0,150 A pris par une ECC82 grand public...
Ce n'est pas un hasard.

Les tubes pro et militaires sont beaucoup mieux conçus du point de vue des filaments.
En effet, en aéronautique par exemple, il était nécessaire d'économiser l'énergie électrique : on allumait les tubes radio ou radar jute au moment de s'en servir, pas question de les laisser en stand-by !
Il fallait donc un filament capable de supporter ces allumages répétés, et en même temps capable de chauffer très rapidement : un filament travaillant à basse température est requis, avec en contrepartie une consommation supérieure.
Là où un tube grand public a son filament porté à 1600°C, l'équivalent militaire travaille à 1400°C...
Mais comme on consomme pendant des périodes très brèves, c'est mieux comme ça !

Il est évident qu'un filament travaillant à basse température vieillira beaucoup moins vite.
Son isolation en alumine vieillira elle aussi moins vite, et les courants de fuite filament/cathode n'apparaitront jamais.

En cas de surtension, on est tranquille : même avec 7 V au lieu de 6,3 la température du filament n'atteindra pas la recristallisation (au-dessus de 1650°C).
Alors qu'avec un tube courant travaillant déjà à 1600, la moindre surtension amène le filament dans ses limites...

L'altitude intervient par la pression de l'atmosphère : le refroidissement du tube est diminué du fait que la convection à l'extérieur du bulbe n'est plus assez intense !
Les tubes aéro sont donc spécifiés pour 20 000 pieds, ou 40 000... voire 80 000...
Quel rapport avec le filament ?
Et bien il faut comprendre que dans un tube, tous les éléments chauffés échangent de l'énergie, tous rayonnent, dans toutes les directions !
Alors si - faute d'un refroidissement suffisant - la température de la plaque augmente, elle rayonne plus de chaleur...
Vers l'extérieur, certes, mais aussi vers l'intérieur (la plaque a deux faces...) : elle renvoie de l'énergie vers la cathode !
La température de cathode monte aussi...
Donc son émission augmente...
Le débit du tube augmente...
La dissipation plaque augmente... la température de plaque augmente... etc...
Et comme la température de cathode augmente, celle du filament fait de même !

Remarque : plutôt que de réguler la tension de chauffage du filament, il serait plus opportun de réguler sa température, mais pour cela il faudrait capter la longueur d'onde rayonnée et commander la tension afin d'obtenir la température souhaitée... difficile à mettre en place, le capteur devrait être logé dans la cathode...

Pour ce qui est de la cathode justement, son isolation par rapport au filament est problématique : la surface du filament isolé est portée vers 1200°C au moins, parfois jusqu'à 1400°C alors que le nickel fond à 1455°C quand il est pur, et un peu moins (eutectique) lorsqu'il est allié même faiblement...
L'intérieur de la cathode est chemisé avec une couche d'alumine, obtenue par évaporation du revêtement du filament pendant la fabrication du tube : le filament est brièvement porté à très haute température (pas le tps de recristalliser) en montant sa tension à 150-200% du nominal !

Ainsi chemisée la cathode est protégée... sauf si des vibrations intenses viennent produire des frottements aux points de contact filament/cathode : à la longue le revêtement isolant va s'user, un courant de fuite va pouvoir se développer, d'autant plus si la tension électrique entre filament et cathode est élevée : des ions du nickel de la cathode vont percer un canal à travers l'isolant, pour atteindre le filament où ils vont provoquer une recristallisation en cubique faces centrées, c'est le début de la fin...
En polarisant le filament positivement par rapport à la cathode, on empêche cette migration ainsi que les fuites d'électrons vers la cathode : tube absolument silencieux !

Les tubes à très haute fiabilité, comme par exemple les Bendix Red-Bank 6900, avaient leur filament entièrement enfermé dans une chemise en céramique pressée...

Voilà, je pense avoir fait le survol complet de la question.
Tu vois que logiquement c'est là où les températures sont les plus hautes qu'il faut déployer le plus d'intelligence dans la conception des tubes.

Francis

[GuyM82]

Francis, je suis vraiment impressionné par tes connaissances et la clarté de tes explications.
Chapeau bas et merci.

Guy

[marill]

+1.
Je me suis régalé.
De ce que je comprend rien que sur  le filament et si on prend bout à bout les éléments composant un tube cela éclaire en partie sur les difficultés techniques qui ont du être rencontrées/maitrisées. Cela donne aussi en partie des explications vis à vis des dispersions qui subsistent autour des valeurs nominales. Au final, c'est loin d'être anodin un tube...
Merci

[GG14]

+1
Chapeau bas pour ce bel exposé. Cà devait "fumer" dans les bureaux d'étude, quoique 30 ou 40 ans d'expériences malheureuses ou non ont dû bien aider.
Dommage que cette technologie, économie d'énergie oblige, finisse par tomber en désuétude.
Nos jeunes redécouvrent le vynil, alors pourquoi pas les tubes.

GG

[Chauffeur de cathodes]

Waouh! quel article..
Merci Francis.
Voilà un article qui aura sa place dans ton prochain bouquin..
Amicalement.

[Levince]

Bonsoir,

Et encore une fois chapeau bas et merci à Francis pour partager de manière aussi didactique sa connaissance sur la technologie des tubes ! On en redemande ...
A+,
Vincent

[francis ibre]

Bonjour à tous,

je voudrais revenir sur cette remarque de GG :

Dommage que cette technologie, économie d'énergie oblige, finisse par tomber en désuétude.

Quand on s'intéresse au rendement énergétique d'un système, il faut considérer l'ENSEMBLE du système, et améliorer en priorité l'élément qui a le plus faible rendement...

Alors comparons :
- un HP habituel de sensibilité 88 dB/1 W associé à un ampli de 100 W à transistors : rendement global 0,3%... (0,4 % pour le HP, 80% pour l'ampli)

- un HP à pavillon de sensibilité 100 dB/1 W associé à un ampli triode de 10 W : rendement global de 0,6%... (6% pour le HP, 10% pour l'ampli)

Le système HR avec ampli à tube fait deux fois mieux : où est le problème ?
Et en période de chauffage, l'énergie utilisée à l'intérieur n'est absolument pas perdue !

Bon, je vais prendre une douche... Tiens, au fait, l'eau chaude qui part dans le siphon de ma douche, c'est de l'énergie qui part directement à l'égout !!!!
Sauf que j'ai installé un récupérateur de chaleur sur les eaux grises : plus de 60% d'économie sur la consommation du chauffe-eau...

J'espère avoir mis le doigt sur les vrais problèmes énergétique de la maison ;-)

Francis

[GG14]

Bonjour Francis,

Et en période de chauffage, l'énergie utilisée à l'intérieur n'est absolument pas perdue !

Normand, je vais te faire une réponse de normand. Mais là je chipote, limite taquinerie.

Si mon ampli tubes est placé non loin du thermostat d'ambiance, sa chaleur va contribuer à interrompre la chaudière plutôt. Dans le cas contraire, sa chaleur va faire augmenter la température du local, mais ce n'est pas plus mal quand on écoute de la musique.
On joue sur une fraction de degré.

Sauf que j'ai installé un récupérateur de chaleur sur les eaux grises : plus de 60% d'économie sur la consommation du chauffe-eau...

Cà c'est super écolo. Quelle est la technique utilisée?

GG

[francis ibre]

Bonsoir Gérard,

il y a plusieurs types de récupérateur de chaleur sur eaux grises, qu'on peut classer en deux catégories : vertical ou horizontal.

Vertical : l'eau froide circule dans un tube de cuivre enroulé en serpentin autour du tuyau de descente, en cuivre lui aussi afin que l'échange de chaleur soit optimal.

Horizontal : cette fois le serpentin est enroulé à l'intérieur du tuyau PVC qui forme siphon afin que l'eau chaude reste en contact plus longtemps avec le serpentin.

Dans les deux cas, ces échangeurs sont à flux inverses afin que l'eau réchauffée atteigne presque la température de l'eau chaude sortante, environ 30-35°C selon comment tu règles ta douche.
L'eau réchauffée alimente à la fois le mitigeur (forcément thermostatique) et le chauffe-eau, qui reçoit donc de l'eau à 30°C au lieu de 12...

L'économie réalisée est... énorme !

Mais on est carrément hors sujet, là !
Alors revenons au tube et au chauffage du filament : comment vérifier la température de chauffage ?

Sûrement pas avec un thermomètre à infrarouge, pour deux raisons :
1 - la plupart de ces thermomètres ont une étendue de mesure qui plafonne vers 600 °C... seuls quelques rares modèles dépassent les 1000°C comme celui-ci :
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

A 525 € le jouet quand même... et malgré cela il fait une erreur !

2 - le verre du tube n'est pas parfaitement transparent, en particulier aux infrarouges, et c'est justement dans cette plage de radiations que fonctionnent les thermomètres infrarouges ! (Lapalisse n'aurait pas dit mieux...). La mesure dans l'infrarouge impose une correction tenant compte de l'émissivité du corps observé et de la transparence des écrans interposés... pas simple...

Il faut donc trouver un autre moyen de mesure...
Et je n'en connais qu'un seul : le pyromètre optique.
C'est ce qu'on utilise en sidérurgie et travail des métaux pour contrôler la température des barres laminées, des lopins de forge, etc...

Cet appareil fonctionne par comparaison d'intensité : on vise dans la lunette l'élément à mesurer, et on fait varier le courant passant dans un filament devant le viseur.
Quand le filament "disparait" c'est qu'il a exactement la même couleur, donc la même température que le corps observé.
Au-dessus de 700°C, les longueurs d'onde émises sortent de l'infrarouge pour entrer dans le domaine visible (rouge sombre) et à partir de là la couleur rayonnée dépend très peu de l'émissivité du corps (c'est très différent pour l'infrarouge...) la mesure est donc précise sans nécessiter de correction, à condition que le verre du tube soit bien transparent pour cette couleur !

Photo ci-dessous. J'essayerai de faire une photo dans le viseur...

Francis

Fichiers joints

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