| Les amplificateurs RF linéaires sont placés en sortie d'un émetteur-récepteur classique d'une puissance d'environ 10W. Ils augmentent la puissance d'émission jusqu'à plus de 100W. Beaucoup de ces amplificateurs utilisaient des tubes PL519 (ou équivalents) car ils résistent à une surtention et peuvent travailler momentanément en delà de leur limites, avec une dissipation anodique de plus de 100W. |
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Pour augmenter la puissance d'émission d'un émetteur-récepteur on peut placer un amplificateur radio fréquences linéaire en sortie (booster ou ampli linéaire). L'amplificateur est automatiquement enclenché en émission et mis à l'arrêt en réception (à ce moment il envoie simplement le signal d'antenne vers le récepteur via un double relais).
Pendant de longues années, on a utilisé des tubes de déflection ligne (sweep tube en anglais) dans ces appareils, même après l'apparition des transistors. Dans les années 1980, on pouvait encore trouver de nombreux amplificateurs RF avec des tubes PL519. Ces tubes étaient bon marché et plus fiables que les transistors de l'époque. On appelle ces appareils des amplificateurs linéaires, car ils fonctionnent un peu comme un amplificateur audio: ils augmentent la puissance de façon linéaire. Tandis que la plupart des amplificateurs audio sont en configuration symmétrique (push pull), on utilise ici une configuration single ended et on utilise le filtre accordé en sortie pour rectifier la forme d'onde (et surtout éliminer les harmoniques!).
Alimentation haute tensionL'anode du tube est connectée à la haute tension via une self haute fréquence. La haute tension est obtenue à partir d'un transfo d'isolation 220/220V suivi d'un tripleur ou quadrupleur de tension, nous fournissant environ 900 ou 1200V.Il faut des condensateurs de filtrage de valeur élevée pour éviter que l'ondulation résiduelle ne se retrouve dans le signal d'émission. Comme on travaille en AM et BLU cette ondulation se retrouve sur le signal audio à la réception. Un tripleur de tension nécessite au moins 6 condensateurs de 470µF/350V (ou plus). Et contrairement aux amplificateurs audio, le montage push pull ne permet pas de réduire le ronflement (il y a un montage push pull en bas de page). Les condensateurs de plus de 350V sont difficiles à trouver: on peut remplacer un condensateur de 470µF/700V par deux de 1000µF en série avec une résistance bleeder de 100kΩ en parallèle sur chaque électrochimique pour égaliser la tension.
RefroidissementLes tubes travaillent bien en delà de leurs caractéristiques et un refroidissement énergique est nécessaire. Il faut placer les tubes à distance les uns des autres (5cm est un minimum) et ne pas utiliser de surfaces métalliques blanches à l'intérieur. L'aluminium ou les tôles claires réfléchissent le rayonnement infra-rouge vers les tubes et c'est absolument à éviter. Les tubes peuvent dissiper jusqu'à 50% de leur puissance par rayonnement infra rouge!Si nécessaire peignez les surfaces blanches à proximité des tubes en noir, elles vont ainsi absorber le rayonnement au lieu de le renvoyer vers les tubes. Il faut prévoir un refroidissement forcé (ventilateurs d'ordinateur). Le bas de l'appareil doit être perforé pour pouvoir aspirer de l'air frais et les ventilateurs doivent extraire l'air (prévoir un ventilateur par PL519). Le mieux c'est d'utiliser une minuterie qui laisse tourner les ventilateurs pendant encore 30 secondes après l'émission, pour ensuite passer à une vitesse plus faible (relais commutateur 12/5V). Le travail en AM est très stressant pour les tubes, car ils doivent fournir la puissance nominale pendant toute la phase d'émission. En BLU la puissance d'émission dépend de la modulation (environ 10% pendant les silences). En AM, on recommande de n'émettre que 5 secondes toutes les 12 secondes.
EquivalencesDans les années 1970 - 1980 on a fabriqué beaucoup de boosters équipés de PL504 car il y avait plus de téléviseurs monochromes que couleur sur le marché. Un PL504 a une dissipation moindre (16W au lieu de 35W) et la puissance à l'antenne est donc plus faible, mais à cette époque, une puissance de 50W sur l'antenne était beaucoup!Les tubes PL519 qui sont de moins en moins disponibles peuvent être remplacés par des EL509 (originaux, c.à.d. avec contact anodique sur le haut) avec tension de chauffage de 6.3V. Les tubes EL509 à soquet octal ne peuvent pas être utilisés, ils ne résistent pas à la haute tension. L'équivalent américain est 6KG6 (6.3V tension de chauffage) ou 40KG6A (le "A" indique une qualité supérieure). Le tube russe (qui est encore fabriqué) est le 6P45S (6.3V). La qualité de ces tubes (même neufs) peut être très variable!
Commande sur g1Il existe deux classes d'appareils: la première où on envoie le signal sur la grille de commande. C'est le système le plus simple à première vue, puisque les tubes sont conçus pour être commandés via g1.La résistance ohmique de la grille étant pratiquement infinie, il faut dissiper la puissance de l'émetteur dans une résistance de 50Ω. C'est une perte, mis cela permet de faire travailler l'émetteur aux meilleur de ses possibilités. Par contre la capacité des tubes commence à jouer aux fréquences les plus élevées (27MHz) et il faut prévoir un circuit accordé pour augmenter l'impédance du circuit d'entrée à ces fréquences (si on utilise plusieurs tubes en parallèle). Nous avons tout d'abord un circuit avec 4 PL504, ce type de circuit va revenir plusieurs fois. Les circuits présentés ici sont pratiquement des circuits standardisés. Le signal arrive sur la grille de commande qui a une polarisation négative réglable. En réception la grille est maintenue très négative et les tubes ne sont pas en conduction. La grille écran est maintenue à une tension très positive pour avoir une amplification élevée. Nous avons 4 petits filtres sur l'anode composés d'une résistance de 100Ω sur laquelle on bobine quelques fils de cuivre: c'est suffisant pour éliminer toutes les oscillations parasites. Le courant anodique total en émission (mais sans modulation) doit être réglé à 100mA (total). Ce qui est important, c'est le filtre de sortie, qui a plusieurs fonctions: il doit adapter l'impédance des PL504 à celle de l'antenne et former un circuit accordé oscillant pour réduire les distorsions. A une puissance de 50W, les tubes ne travaillent absolument pas dans leur partie linéaire, et c'est uniquement le circuit oscillant qui permet de rectifier la forme de l'onde (et donc réduire les harmoniques). On utilise au minimum un circuit en π avec un commutateur de bande (bande des 10, 15, 20, 40, 80 mètres) et deux condensateurs d'accord. Si le circuit n'est pas accordé correctement, l'amplificateur va produire des harmoniques qui s'entendent comme des chuintements ou des craquements sur toutes les fréquences harmoniques ("birdies"). Il n'en faut pas plus pour perdre sa license de radio-amateur! Le filtre de sortie a un réglage pour avoir la forme d'onde la plus correcte possible (accord sur la fréquence d'émission pour réduire les harmoniques) et un réglage pour faire l'accord avec l'antenne pour avoir la puissance d'émission la plus élevée. L'amplificateur étant asymmétrique, il produit principalement des harmoniques paires (bien qu'en écoute pratique il n'y ait pas de différence entre les harmoniques paires et impaires). L'image d'oscilloscope montre un signal 3.8MHz modulé à 90% en AM avec un signal de 1kHz en cyan et le signal détecté par un second circuit accordé sur 7.6MHz placé à coté de l'antenne (l'amplitude des deux signaux n'est pas à la même échelle). En pratique on ne va pas avoir une telle forme de signal, l'émission se faisant en BLU (bande latérale unique) SSB (single side band) où l'amplitude le la porteuse sur 3.8MHz peut varier énormément (l'émetteur transmet une puissance de moins de 10% quand il n'y a pas de modulation). Les harmoniques sont beaucoup plus variables et provoquent des crachotements aux fréquences harmoniques.
Le circuit suivant utilise un PL519, mais est pratiquement identique. Il y a d'abord le relais à 3 contacts, commandé par le bouton d'émission de l'émetteur-récepteur. Il connecte l'entrée à la sortie (antenne) en cas de réception et enclenche ou non les tubes. Le signal va directement à la grille du PL519 via un petit condensateur de 10nF. La grille est maintenue au potentiel zéro, mais la polarisation correcte du tube est assurée par un nombre de diodes 1N4001 en série pour obtenir un courant de repos de 20 à 25mA (sans modulation). Ce principe de polarisation se retrouve dans bon nombre de schémas utilisant des PL519. La dissipation dans le tube est de 27W, ce qui est près de la dissipation maximale du tube (dissipation anodique maximale de 35W en continu). Nous avons ensuite une partie très interessante, qui va nous fournir la tension de la grille écran. L2 est une sorte d'auto transfo qui va tripler la tension alternative. Cette tension est ensuite doublée, redressée et filtrée par un doubleur de tension. On obtient ainsi une tension de g2 qui est environ proportionelle à la puissance à l'entrée. Cette tension proportionelle ouvre plus ou moins le PL519 et permet de fournir une puissance à l'antenne de 100W (pendant quelques secondes). Il ne faut laisser le tube en fonctionnement que pendant l'émission effective et entre chaque émission, il faut un temps de repos pour permettre au tube de refroidir (il dissipe pratiquement 300W en émission). En réception, une résistance cathodique de 10kΩ limite le courant à une très faible valeur. Le filtre en π est très important, car un PL519 n'est pas linéaire, surtout à la puissance demandée. |
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Le second circuit est également assez connu, il utilise 4 PL519 en parallèle pour encore plus de puissance.
Ici la capacité d'entrée des tubes joue un role et il faut ajouter un circuit accordé. La capacité d'entrée des 4 tubes est prise en compte dans le circuit accordé. La puissance en joue ici est relativement faible à l'entrée et on peut utiliser un condensateur d'accord d'une ancienne radio. Le circuit est identique, mais on remarque la présence de 4 résistances d'égalisation sur les cathodes (elles sont découplées pour limiter les pertes de puissance). Les grilles g2 ont également des résistances qui servent dans les deux cas à limiter les oscillations parasites (résistances d'arrêt). Le chauffage des cathodes est assuré par un branchement série (40V * 4) sur la tension de secteur (le secondaire du transfo d'isolation). Pour limiter le courant, il faut placer un condensateur non polarisé de 6µF/350V en série. Ces condensateurs sont utilisés comme condensateur de démarrage dans les moteurs asynchrones monophasés et sont faciles à trouver. Une solution moins optimale est l'utilisation d'une diode 1N4007 en série.
Commande sur la cathodeLe montage à grille commune (ou à base commune s'il s'agit de transistors) est peu utilisé en général, il se retrouve en partie dans le montage cascode où il permet un gain élevé et une élimination de la capacité de Miller (capacité entre grille et anode).Le montage a une meilleure linéarité et permet une puissance plus élevée (+10% environ) qu'un montage à cathode commune. En effet, dans le circuit précédent la puissance de l'émetteur-récepteur est dissipée en pure perte dans une résistance, ici elle s'ajoute à la haute tension. Pour la composante alternative du signal, l'entrée de l'ampli et le tube de puissance sont en branchés en série et les deux tensions s'ajoutent. Quand la tension à l'entrée est positive, la cathode est polarisée plus positivement (la grille est donc plus négative) et le courant anodique est plus faible. La tension sur l'anode est donc plus positive. Quand la tension à l'entrée est négative, la grille est positive en comparaison et le tube est plus conducteur. Il est même possible que la tension anodique passe sous le 0V car le tube en conduction a une résistance interne assez faible. Généralement toutes les grilles sont mises à la masse (le PL519 a une sortie séparée pour la grille suppresseuse) mais rien ne vous empèche de mettre g2 sur une tension légèrement positive, un redresseur simple alternance alimenté par le signal à l'entrée peut suffire (la consommation sur la grille écran est très faible).
Il nécessite un émetteur pouvant fournir une puissance de 50W environ. La configuration à l'entrée dépend de l'émetteur: la résistance de 100Ω qui dissipe en pure perte peut être éliminé dans certains cas, ainsi que le petit condensateur de 100pF qui sert à compenser l'inductance du cable d'antenne. T1 est un transfo réducteur 4:1 qui adapte l'impédance, le rapport peut être diminué à un facteur 2:1 si on retire la résistance d'entrée (il faut faire des tests et mesurer le THD (total harmonic distorsion). Dans certains cas une self-induction suffit (rapport 1:1). Le transistor est un moyen simple de régler le courant des tubes (20mA par tube au repos). Une fois que la tension aux bornes du transistors est déterminée, on peut le remplacer par une grosse résistance si on veut récupérer le transistor. La mise à la masse doit être effectuée correctement avec des gros fils. Mieux vaut mettre 10 fils isolés qu'un gros fil pour éviter l'effet de peau.
Montage push pullOn pourrait croire qu'on n'a fabriqué que des montages single ended, et pourtant ce n'est pas le cas. L'inconvénient d'un push pull, c'est qu'il nécessite deux transformateurs, dont la bande passante est limitée (ces amplis ne peuvent normalement fonctionner que dans une bande).Voici la liste des composants:
Pour la tension de la grille écran, on utilise le principe du doubleur de tension à l'entrée (cette partie n'est pas reprise sur le schéma). C'est cette configuration qui donne le taux de distorsion le plus faible. A la puissance d'émission maximale la tension sur g2 peut monter à 200V. La cathode est polarisée par une série de diodes 1N4001 pour obtenir un courant anodique au repos de 30mA. En jouant avec la polarisation de la grille de commande, on peut tenter de réduire au maximum les distorsions et donc les harmoniques. Le transfo de sortie pose un plus grand problème: il faut trouver un tore qui puisse travailler à des fréquences et des puissances élevées. C'est pour cette raison que l'ampli a été conçu pour une seule bande de fréquences. Il faut un tore suffisamment grand pour qu'il ne surchauffe pas pendant la modulation. L'avantage d'un tore de ferrite plus gros, c'est qu'on peut prévoir une prise médiane, ce qui permet d'éviter la self de filtrage double (T2) bobinée en bifilaire. La tension d'alimentation est de 630V (230V doublé, redressé et filtré). La puissance disponible en AM est de plus de 300W et même plus de 400W en BLU. On se rend bien compte ici qu'on peut obtenir une puissance beaucoup plus élevée car les tubes peuvent fonctionner en classe B. Cet ampli RF linéaire push pull est décrit plus en détails sur cette page (avec des photos). |
Le circuit à droite permet une puissance de 500W (réduite à 350W à 27MHz).
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