Amplificateurs à tubes
Commande des tubes push pull
Etage déphaseur

L'étage déphaseur permet de commander l'étage de puissance avec un signal double: un signal normal et un signal déphasé de 180°
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Montage concertina ou cathodyne


Montage "long tail"
avec en bleu un ajout possible


Montage "Mullard"


Pour commander un amplificateur en classe AB2
il faut autre chose qu'un cathodyne

Nous avons déja parlé de l'étage d'entrée qui amplifie le signal jusqu'à une amplitude d'environ 10V pour commander l'étage de puissance.

Le but de l'étage déphaseur est de fournir deux signaux de phase inverse pour commander l'étage de puissance symmétrique: un signal "pousse" tandis que l'autre "tire, de là le nom "push pull". Un étage déphaseur n'est nécessaire qu'avec un étage de puissance push pull.

Pour que les déformations du signal s'annulent, il faut que les deux signaux aient une amplitude identique. Il y a ici deux constructions qui sont couramment utilisées.

Etage déphaseur à triode unique

Cet étage est appellé "Concertina" dans la littérature d'époque, mais on retrouve également le nom de cathodyne. Sur le schéma, j'ai ajouté le premier étage. R14 et R18 sont les résistances de polarisation de la grille. Ce circuit "amplifie" le signal environ 0.9× à 0.95× (une faible réduction de l'amplitude du signal). Avec le premier étage, nous avons une amplification de 15× (pour être précis, de deux fois 15).

Ce circuit est tout simple et donne de bons résultats, mais il y a quelque chose qui ne se remarque pas à l'image, c'est l'impédance différente du circuit de cathode et d'anode. Cela peut poser problème si l'étage final est à basse impédance.

Nous envoyons un signal alternatif sur la grille de la seconde triode ECC83. Sur la cathode nous avons un signal en phase et sur l'anode en phase inverse. mais si la résistance de charge est relativement faible (située après le condensateur C19 et C20) elle peut influencer le signal. L'impédance dynamique de la cathode d'une lampe ECC83 est d'environ 700Ω, tandis que celle de l'anode est 100× plus élevée. L'amplitude du signal sera plus élevée sur la cathode que sur l'anode.

On peut réduire ce problème en prélevant non plus la tension sur la cathode, mais sur le point commun des résistances R18/R19. Si l'impédance de charge est de 1MΩ il n'y a aucun problème. Une mesure avec un multimètre précis doit déterminer l'amplitude du signal sur les deux branches: signal à l'entrée de 100mV 400Hz effectif, le signal sur les deux sorties doit être de 1.5V effectif.

Cet étage déphaseur permet de commander une paire de EL84, mais n'est pas en mesure de commander une paire de PL504 ou PL519 qui nécessitent un signal de commande à basse impédance. Ces tubes doivent être commandés avec un fort signal et avec la grille qui peut devenir légèrement positive. Dans ce cas, l'étage déphaseur doit être suivi d'un étage de commande pour chaque tube de puissance (un schéma est donné plus loin).

Il n'est pas possible d'utiliser une triode qui permet un courant plus important (et qui a alors une résistance interne plus faible), car le fonctionnement correct du tube est basé sur un gain important de la triode (µ ≥ 100).

L'étage déphaseur a une impédance d'entrée très élevée et peut être commandée par toutes les sources possibles, et en particulier par une penthode ou une cascode.

Etage déphaseur à double triode

Ce circuit est parfois appellé "long tail" à cause de la résistance commune pour les cathodes. Comme la cathode du tube se trouve à un potentiel moyen, il est possible d'éliminer le condensateur de couplage. Cela est possible également avec le premier circuit: il faut adapter la résistance de la cathode du premier tube pour avoir une tension de sortie d'environ 100V, donc 1/3 de la tension d'alimentation.

La première triode reçoit le signal sur la grille et amplifie normalement le signal. Comme nous avons une résistance de cathode d'une valeur relativement élevée, le gain de l'étage est limité (ordre de grandeur: 1.5×). mais la tension à la cathode varie avec la tension sur la grille, ce qui fait que le second tube est en fait branché en grille commune pour les signaux alternatifs. La grille du second tub est en effet mise à la masse pour les signaux alternatifs.

L'impédance des deux sorties est pratiquement identique, mais les deux amplitudes ne sont pas identiques. La seconde sortie (à droite) a une amplitude du signal qui est de quelques pourcents inférieure à celle de la première sortie (5 à 8%).

On peut éliminer la différence en amplitude en plaçant un trimmer sur l'anode de la première triode, mais c'est plus pratique de placer le trimmer sur la résistance de grille du tube suivant (on ne règle pas à un endroit où il y a une tension élevée). L'exemple est donné sur le schéma suivant.

Sur certains circuits on ajoute une petite partie du signal alternatif de l'anode du premier tube à la grille du second tube. Il faut pour cela réaliser un diviseur de tension (ce sont les composants en bleu). Résistance sépérieure: 3.3MΩ, résistance inférieure: 100kΩ, condensateur 10nF. La valeur des résistances dépend du tube utilisé et de son point de fonctionnement.

La liste des composants pour l'étage à droite sont les suivants, pour un courant dans le premier tube de 1mA et de deux fois 2.5mA dans le tube déphaseur:

cathode premier étage680Ω
anode premier étage220kΩ
grille premier étage et étage déphaseur1MΩ
cathode étage déphaseur22kΩ
anodes déphaseur47kΩ
résistance de grille des étages de puissance470kΩ
trimmer1MΩ +100kΩ fixe
tous les C0.22µF

Ce type de circuit était utilisé dans de nombreux amplificateurs "Mullard", qui était la filiale anglaise de Philips. Elle proposait des amplificateurs "clef sur porte" mais également des amplificateurs en kit.

Il existe encore un troisième circuit nommé paraphase où on utilise une seule triode pour fournir le signal de phase inverse, tandis que le signal en phase est prélevé avant le déphaseur. Ce circuit n'est plus tellement utilisé, il s'agit simplement d'une triode acec un gain de -1×. On voit un exemple sur la page des étages de puissance.

Amplificateur hifi ou guitare?

Il faut savoir que dans certains magazines, les schémas fournis sont destinés aux amplificateurs de guitare, avec d'autres réglages. La différence n'est pas toujours claire quand on lit le magazine. Les amplificateurs de guitare doivent donner un son particulier, tandis que les amplificateur hifi doivent donner un son le plus neutre possible.

Le son d'un amplificateur est principalement déterminé par l'étage de puissance, et certains schémas ne sont vraiment pas destinés à une amplification de haute fidélité. Mais le tube déphaseur peut également avoir une influence.

Prenons un exemple, une triode simple ECC83 en montage cathodyne qui doit commander deux tubes de forte puissance (tétrodesà flux dirigé). Ces lampes doivent recevoir un signal de forte amplitude, avec la grille qui peut devenir momentanément positive (classe de fonctionnement AB2).

Nous montrons le signal sur les deux grilles de commande des tubes de puissance. La première courbe est le signal sur l'anode ("anode output"), la seconde courbe est le signal de la cathode ("cathode output").

Le signal de la cathode est peu déformé, et c'est normal car la cathode a une impédance faible et peut commander le tube de puissance, même quand la grille devient légèrement positive.

Pour l'anode par contre, il y a un problème:

  • Quand la tension de l'anode augmente, la tension de sur la grille du tube de puissance est limitée et ne peut pas devenir positive. La sortie sur l'anode est à haute impédance et ne peut pratiquement pas fournir de courant (quand la grille de commande devient positive, il y a un faible courant de grille qui apparait). Cette déformation typique est à la base du son typique des amplificateurs de guitare.

  • Quand la tension de l'anode diminue, nous avons un pic négatif, causé par la cathode du tube déphaseur et la grille du tube de puissance. La tension de grille devient positive et un leéger courant de grille circule (la grille se comporte comme une diode en conduction, voir schema). C'est alors comme si l'étage déphaseur était découplé quand la tension sur la cathode devient maximalement positive. Cela produit une augmentation de l'amplification de l'étage cathodyne, avec le pic qu'on voit sur l'image d'oscilloscope.
Le pic négatif très visible n'a en fait que peu d'influence sur le son obtenu. En effet, avec une tension de grille de -60V le tube de puissance correspondant est pratiquement hors conduction (alors que l'autre tube est en conduction maximale).

C'est la raison pour laquelle un circuit déphaseur de type concertina/cathodyne n'est pas recommandé pour commander des tubes de forte puissance (amplificateurs hifi). Pour un amplificateur de guitare, on choisira justement un tel type de montage!

Circuit à double déphaseur: montage Williamson


Montage Williamson
On peut réduire la valeur de certains composants
Cx: 22nF — C19, C20: 47nF — C21, C22: 100nF
R17, R19: 33kΩ — R22, R23: 33kΩ
Nous avons gardé le meilleur pour la fin, avec un déphaseur concertina suivi d'un étage amplificateur double. Mais il ne s'agit pas d'un simple amplificateur double, mais d'un amplificateur à cathode commune, ce qui le transforme en amplificateur différentiel.

L'amplificateur différentiel est en fait un étage "driver" (étage de commande) des tubes de puissance: son impédance doit être basse pour bien commander les tubes de sortie. Et c'est ici que réapparait le tube ECC82, qui a un gain en tension assez faible, mais une résistance interne assez faible.

Avec cette résistance commune, le second étage ressemble à un déphaseur long tail, sauf qu'il est alimenté par les deux branches. Ce circuit a les avantages des deux systèmes, mais pas les inconvénients:

  • La différence d'impédance entre l'anode et la cathode du tube déphaseur ne joue pas, puisque les tubes suivants sont tous deux à haute impédance. Il s'agit d'une double triode qui ne nécessite pas de courant important.

  • Les deux triodes du second étage fournissent un signal identique, puisqu'elles reçoivent un signal identique (mais déphasé) sur leur grille (ce qui était l'inconvénient du montage long tail).

  • Les deux triodes amplifient le signal de chaque branche comme une triode à cathode découplée.

  • La résistance de cathode commune élimine les distortions, puisque quand le signal sur une branche augmente, il diminue sur l'autre branche. Les asymmétries sont automatiquement éliminées.
Ce montage est repris dans les amplificateurs "Williamson" (c'est la partie la plus caractéristique), mais ce type d'amplificateur utilise pour la première fois une boucle de contre-réaction pour réduire les distortions. Sans une telle boucle, le circuit a déja des caractéristiques supérieures. Techniquement, on ne peut utiliser une contre réaction q'avec un amplificateur qui est déjà très bon, autrement la contre-réaction peut produire toutes sortes d'effets indésirables (oscillations parasites à certaines fréquences, son peu naturel,...). Tout le contraire de ce qu'on recherche avec un amplificateur à lampes!

Seul inconvénient:
un tube en plus

Le seul inconvénient de ce montage, c'est qu'il nécessite une triode supplémentaire. Comme l'étage différentiel amplifie également le signal, on pourrait donc commencer le circuit par l'étage déphaseur (sans premier étage), suivi des deux triodes et puis de l'étage final en push pull, sauf que ce montage plus complexe est destiné aux tubes qui nécessitent une commande plus serrée et une très grande amplitude du signal (tubes PL519 par exemple). Il faut donc commencer le circuit par une première triode amplificatrice. Mais comme on a un gain très élevé, on peut légèrement réduire l'amplification des tubes en réduisant les résistance d'anode: 33kΩ pour l'étage déphaseur et 33kΩ (ou même moins) pour l'étage différentiel. La bande passante sera améliorée et les tubes de puissance seront mieux commandés.

L'amplificateur complet pourrait ainsi se composer des tubes suivants: ECC83 (préamplificateur et déphaseur), ECC82 (amplificateur des deux phases) et deux fois PL519 (tubes de puissance). Un schéma alternatif est décrit sur la page du PL504.

Le circuit utilise des condensateurs de découplage de 220nF. Actellement on préfère réduire la valeur de ces condensateurs pour éliminer les fréquences trop basses qui de toute façon ne peuvent pas être reproduites (22nF pour le premier étage déphaseur, 47nF pour l'étage différentiel et 100nF pour la commande du tube final (résistance de grille de 220kΩ).

Quel circuit utiliser?

  1. L'étage inversteur à triode simple suffit pour commander un petit amplificateur avec des tubes du genre EL84 ou ECL86 (résistance de grille du tube de puissance de 1MΩ).
  2. Pour un étage qui utilise des tubes EL34, on donnera la préférence au second circuit (long tail) avec la possibilité de modifier la résistance de charge pour équilibrer les tensions alternatives.
  3. Le montage Williamson est un montage qui combine la simplicité et les très bonnes performances. Il est utilisé pour commander les tubes de puissance qui nécessitent un swing important (déviation de tension).

Nous continuons la visite du musée avec la page consacrée aux étages de puissance.

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