Station d'émission-réception expérimentale           F6CRP   IN96KE        46°11'02" N  - 1°09'57" W


Espérance de vie des tubes à vide


Version 01 - 16/11/2004


Oui mais pourquoi ?

Oui pourquoi les tubes à vide sachant que cette technologie est délaissée par 95% des amateurs ? Tout simplement parce que je me suis intéressé au problème possédant encore et avec bonheur des appareils munis de tubes.
Et puis, cela permet de plonger dans un domaine très intéressant, celui de la prédiction de fiabilité des équipements.



La source d'information

Nos amis les militaires et plus particulièrement, nos amis militaires américains ont manifestement de l'argent et du temps à consacrer à la chose. Ils éditent pour l'industrie un manuel intitulé :

Military Handbook for Reliability Prediction of Electronic Equipment et référencé MIL-HDBK-217 F. Cette publication émane du fameux DOD, Department of Defense et est basé sur les travaux effectués par le Reliability Analysis Center et le Rome Laboratory (Griffiss AFB NY).

Comme il s'agit d'un ouvrage tombé dans le domaine public, on le trouve également sur Internet, moyennant un téléchargement d'une vingtaine de MO.

Ce livre présente les modèles de taux de pannes d'une grande variété de composants utilisés dans les équipements électroniques, cela va de la simple résistance aux tubes de radars embarqués.
 
Si l'aventure vous tente, vous pourrez le télécharger à cette adresse, ADSL fortement recommandé 



Revenons aux tubes :

Le MIL-HDBK-217 F précise pour tous les composants les taux de défaillance par million d'heures de fonctionnement. Pour le cas de tubes, l'équation est la suivante :

(Equation 1)

avec :
 
lp = taux de défaillance  / 106 heures
 
lb = taux de base de défaut par composant
 
pL = facteur d'apprentissage
 
pE = facteur  d'environnement

Bien évidemment cette équation est applicable uniquement aux tubes à vide, et uniquement à eux. Reportez-vous au manuel cité plus haut pour d'autres types de composants. Examinons les termes de cette équation.

  •  lp indique le taux de défauts par million d'heures de fonctionnement. Connaissant ce taux, nous pourrons facilement en déduire le MTBF (Mean Time Between Failures) ou en français , le temps moyen écoulé entre deux pannes et qui vaut l'inverse du taux de défaillance. On suppose ce taux constant.

  • lb est le taux de base de défaillance habituellement exprimé par un modèle reliant l'influence des efforts électriques et de température sur le composant. Pour les tubes de réception, triodes, tétrodes, penthodes, ce coefficient vaut 5. A titre indicatif pour les tubes d'émission pour des puissances < 200 kW et fréquence d'utilisation < 200 MHz, ce coefficient peut aller de 75 à 100.

  • pL est le facteur d'apprentissage. Il s'agit du temps mesuré en années depuis l'introduction du composant. On imagine qu'un composant fabriqué depuis de nombreuses années a vu ses défauts corrigés tandis qu'un composant juste introduit reste à déverminer.

    Durée Facteur
    <10 ans 10
    2 ans 2,3
    >3 ans 1
     

  • pE est le facteur d'environnement car en fonction de l'exploitation du tube, ce dernier va subir des contraintes différentes. Je n'ai pas tout reporté dans le tableau ci-dessous, il y a 14 classes d'environnement définies, juste quelques exemples significatif.

    Environnement Symbole Description
    Sol bénin GB installations fixes, température et humidité contrôlées, accès aisés pour la maintenance, laboratoires, équipements de test, électronique médicale, complexes civil et militaires, silos de missiles.
    Sol fixe GF Installations à environnement modérement contrôlé telles que racks avec ventilation d'air, installations de contrôle aérien et de communication.
    Sol mobile  GM Equipements installé sur des véhicules et transportés manuellement comme les les équipements logistiques de missiles tactiques, les moyens de communication mobiles.
    Naval, protégé NS Inclus les équipements "sur table" sur les batiments de surface et les équipemenst installés dans les sous-marins.
    Aviation, voilures tournantes ARW Equipements installés sur hélicoptères incluant équipements intérieurs et extérieurs tels que désignateurs laser, équipements de communication, système d'armes.

Exemple concret :
Prenons un cas concret, avec des tubes de réception classiques que l'on trouve sur toutes les gammes d'appareils à tubes (Collins, Drake, Heathkit) comme la 6BA6, 12BY7, 6AQ5, 12AU7 etc. Le MIL-HDBK-217 F  nous donne pour chaque paramètre les valeurs suivantes :

 
lb =  5
 
pL =  1
 
pE =  1 (Sol fixe)

En appliquant l'équation 1  et selon la loi exponentielle :

lp = 5 x 1  x 1
lp = 5 défauts par million d'heures de fonctionnement
On peut ainsi déterminer le MTBF qui vaudra  1/5 millions d'heures soit 200 000 heures.  

Dans l'absolu et idéalement, si vous opérez votre station à tubes 5 heures par jour, et 365 jours par an, le temps moyen de bon fonctionnement d'un tube vaudra  200 000 / (5 x 365) = 109 ans. En supposant que vous laissiez sous tension votre station sans jamais l'éteindre, la durée de vie serait estimée à 200000 / (24x365) = 23 ans.

 

Quelles précautions prendre pour augmenter la durée de vie des tubes électroniques ?
 - naturellement, respecter les conditions d'utilisation telles que définies par le constructeur ( U et I), veiller plus particulièrement à la dissipation anodique

 - éviter les chocs et vibrations

 - respecter rigoureusement les tensions de chauffage, sur certains types de filaments, sur-alimenter ce dernier raccourci considérablement la durée de vie

 - ventiler les appareils, si vous vous contentez de la convection, laisser de l'espace autour des appareils, le tout dans une   pièce fraîche.

 - limiter autant que faire se peut les cycles allumage/extinction.



Précautions à prendre concernant les tubes neufs ou longtemps entreposés :

Les tubes à vide ont des fuites, quelques molécules d'air finissent toujours, avec le temps, par s'introduire à l'intérieur de l'enveloppe. Les fabricants luttent naturellement contre ce phénomène en introduisant  des molécules de minéraux susceptibles d'absorber les gaz, les anglo-saxons appellent cela le "getter". Ce processus fonctionne bien dès que le tube est chauffé, à température ambiante, cela n'a pas d'effet. Il est donc vivement recommandé, avant de demander de la puissance à un tube, de le faire chauffer longtemps (24 H) puis d'établir un faible courant anodique, là aussi quelques heures. Cette précaution évitera le big bang conduisant en général à la destruction du tube et des quelques composants annexes dans l'alimentation.

Sachez qu'utiliser le tube hors de ses caractéristiques, en particulier au niveau température, peut conduire à la destruction du getter.
Personnellement, mais ce n'est peut-être pas un conseil à suivre, j'alimente tous mes appareils à tubes à travers un auto transfo variable (Variac) et pour la mise sous tension j'applique une tension de l'ordre de secteur/ 2 soit plus ou moins 120 V. Je fais ensuite monter progressivement U jusqu'à sa valeur nominale.



A ce propos voici un splendide texte de Garey K4OAH, à méditer...

I ran four Drake 4 Series lines for six years in the 60's on autostart RTTY.  The stations ran 24/7, and transmissions (at full power) of 30 minutes or more were not uncommon.
Each transmitter had a small fan mounted on the back of the final cage.  The receivers had no extra cooling, but were NOT mounted under a shelf.  The receivers were crystal controlled and controlled the transmitters. The only  time the transmitters were turned off was for final replacement, which was done when the output power dropped to 100W on 20M. 
Only one failure  occurred during this time.  A single 12BY7 filament opened up. Power was supplied by TVA, at approx 1.5 cents/kwh.  Turn-on surge to cold tube filaments, transformer windings and mechanical power switch contacts are the most common problems when turning equipment on and off.  With the exception of tube filaments, none are easy or inexpensive to repair.  
Transformers are expensive, and back-of-pot switches are nearly impossible to find.  I switch most units with external power switches and internal switches are operated after external power has been removed. That said, I use my station every day, and leave the receiver on all the time.  I turn the transmitter on when I plan to transmit, and then don't turn it off until the end of the day.  When I leave town for a few days, I turn the receivers off.
A lot of my equipment has been modified with thermistor type surge protectors.  I learned this a LONG time ago when my little clock radio from Motorola had a similar device in it called a "Globar" resistor.  That radio came on five days a week for over 25 years, and never had a tube fail!  It wasn't on long, typically less than 10-15 minutes a day.

Just my experience.

73, Garey - K4OAH
Atlanta 

Les limites du MTBF

Avec de telles valeurs, on pourrait penser que tout va bien dans le meilleur des mondes, or le modèle MTBF a  plusieurs défauts qui font penser qu'il est souvent irréaliste.
Dans les chiffres ci-dessus, les experts et les puristes objecteront que le modèle MIL HDBK 217 n'est plus au gout du jour et qu'on lui préfère des modèles comme le HRD5, le CNET93 (cocorico), le RDB, le FMEA/FMCA et tant d'autres. La difficulté pour un amateur est toujours de se procurer les données, le MIL HDBK 217 se trouve partout sur Internet.

D'autre part le cycle de vie d'un tube comme de beaucoup de composants et systèmes suit une courbe connue sous le nom de courbe de Bathtub ou courbe en baignoire en français, courbe que vous pouvez observer ci-contre. On assiste au début de fonctionnement à quelques défauts, puis vient la période la plus longue de fonctionnement normal précédent la période de fin de vie durant laquelle le nombre de défauts croît. A cette lecture d'ailleurs, nous devrions être incités à faire fonctionner intensivement toutes nos nouvelles acquisitions neuves de manière à détecter les défauts prématurés pendant la période de garantie HI!.


En conclusion :

Eh bien les tubes à vide sont robustes et offrent de nombreuses heures de fonctionnement si tant est qu'on les utilise conformément aux spécifications édictées par le constructeur. Un utilisateur soigneux et attentif pourra de plus, par ses connaissances et le soin qu'il apportera à son matériel prolonger la durée de vie de ces composants magiques. 

  

 

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