Comment les lampes au néon ont aidé l'électronique aérospatiale autonome

À l'époque où John Kennedy était président des États-Unis, je travaillais comme technicien en électronique et je concevais des dispositifs de détection de l'accélération et de l'altitude pour les applications aérospatiales. Ces dispositifs étaient uniques, au sens où ils étaient autonomes, grâce à une batterie nucléaire. Cette batterie fonctionnait en capturant des particules bêta (électrons) émises par le krypton 85 (Kr85), l'isotope radioactif du krypton. Comme vous pouvez l'imaginer, la puissance disponible était de l'ordre de fractions de milliwatt. En fait, ces batteries généraient un courant constant d'environ 600 picoampères (pA). Le composant actif utilisé dans ces dispositifs était la lampe au néon plutôt courante, comme la vénérable lampe NE2 actuellement disponible chez Interlight, la WX-EGA2-0 (Figure 1).

Figure 1 : L'incarnation actuelle de la vénérable lampe au néon NE-2 est le modèle WX-EGA2-0 d'Interlight, qui est similaire aux lampes au néon utilisées en tant que commutateurs actifs sensibles à la tension dans les dispositifs de sécurité autonomes du secteur aérospatial. (Source de l'image : Interlight)

Les modèles GT-NE4H1125T ou GT-NG6H1825T de Lumex Optical Components Inc. sont des dispositifs plus modernes.

Les lampes au néon sont des dispositifs sensibles à la tension. En appliquant de faibles tensions, elles sont essentiellement désactivées, avec très peu de courant qui les traverse. Dans ce mode, ces lampes sont quelque peu sensibles à la lumière et à l'électricité statique, et sont donc protégées par un blindage métallique. Lorsque la tension appliquée augmente, le gaz contenu à l'intérieur de la lampe s'ionise, le courant qui traverse la lampe augmente rapidement et la lampe commence à briller. À ce stade, une tension quasi-constante est maintenue dans la lampe. Si le courant n'est pas limité, la lampe forme un arc entre ses électrodes, le courant augmente rapidement et le dispositif est alors dans un état passant. En raison de ces caractéristiques, la lampe au néon peut être utilisée comme commutateur ou comme régulateur de tension.

Pour en illustrer le fonctionnement, prenons l'exemple d'un actionneur sensible à l'altitude (Figure 2).

Figure 2 : Un actionneur autonome (à batterie nucléaire) sensible à l'altitude peut utiliser des lampes au néon comme dispositifs actifs. (Source de l'image : Art Pini)

La batterie nucléaire est composée d'une ampoule en verre remplie de Kr85. Le tube de remplissage en cuivre constitue l'anode de la batterie. Deux gaines en cuivre hémisphériques sont électrogalvanisées sur l'extérieur de l'ampoule. Elles forment un élément à deux cathodes. Lorsque de l'air à basse altitude comble l'espace entre les cathodes, le rayonnement du Kr85 ionise l'air et relie efficacement les deux hémisphères. Les condensateurs C1 et C2 sont chargés par la batterie nucléaire.

La lampe au néon, autrefois appelée diode à gaz à cathode froide, avait plusieurs fonctions. D3, avec sa résistance série R2, forme un régulateur de tension qui maintient une tension constante sur C1 et C2. Lorsque l'altitude augmente, la pression de l'air dans l'espace entre les cathodes diminue, jusqu'à ce que cet espace devienne non conducteur. À ce stade, le régulateur de tension est déconnecté de C1. Avec le régulateur de tension déconnecté du circuit, le courant constant produit par la batterie augmente la tension qui va de C1 vers l'inductance L1. L'impulsion qui en résulte est appliquée au blindage de la diode D2, ce qui la rend conductrice. La charge stockée dans C2 se décharge ainsi dans les bornes de sortie. La sortie peut alimenter un relais ou déclencher une amorce explosive, selon les besoins. Les lampes au néon agissent donc comme régulateurs de tension et comme commutateurs actifs.

La conception et les tests de ces dispositifs ultrabasse consommation sont assez délicats. Les salles d'assemblage et de test doivent être propres et sèches. Toutes les surfaces doivent être nettoyées à l'alcool. Une empreinte digitale constitue un court-circuit. De mon temps, les condensateurs étaient fabriqués de manière artisanale avec un diélectrique en verre ou en téflon avec une résistance d'isolement minimale de 10¹⁵ ohms (Ω). Les instruments de mesure clés étaient des électromètres et des voltmètres électrostatiques.

Est-ce que je vous ai dit que la plupart des tests réalisés avant le scellement des unités se faisaient sous des lampes rouges dans des chambres noires ?

Conclusion

Comme nous l'avons vu, les modestes lampes au néon utilisées dans les multiprises sont capables de faire bien plus de choses qu'il n'y paraît. Elles peuvent servir de régulateurs de tension ou de commutateurs de claquage, particulièrement utiles dans les applications qui utilisent une puissance extrêmement basse.