Amplificateurs à tubes
L'étage de puissance
PL504

Le tube PL504 est le plus connu de la série des tubes de déflection ligne. IL a été utilisé dans pratiquement tous les téléviseurs des années 1960 - 1970 et même plus tard.
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Le type EL300 est une version avec soquet octal du EL500, le prédécesseur du EL504/PL504). Les caractéristiques de ce tube sont identiques. Ce tube était surtout utilisé aux Etats Unis sous la référence 6FN5 et 35FN5 (version tension de chauffage de 6.3V et courant de chauffage de 300mA).

Le tube PL504 (et les tubes qui ont suivi: PL509 et PL519 utilisés dans les téléviseurs couleurs) ont une construction et des caractéristiques qui les placent à coté des pentodes plus courantes, genre EL34. Ces tubes ne sont d'ailleurs pas de vraies pentodes, mais des tétrodes à faisceaux dirigés.

Le PL504 est un tube pratiquement indestructible. Si une télévision à lampes tombait en panne, c'était très rarement le tube de déflection ligne qui était en cause. Puis sont venues les télévisions à transistors, et qu'est ce qui tombait alors en panne? Le transistor de l'étage de déflection ligne (BU108, BU208,...)

C'est un tube que j'aime bien, il a un rendement élevé (vous allez vour pourquoi plus loin), il peut être utilisé single ended (pour une puissance de 5W), push pull série (puissance de 7.5W) et push pull parallèle (puissance de 10W et plus). Il permet une puissance plus élevée que les tubes EL84 tout en ayant une réserve de puissance importante et un facteur d'amortissement élevé.

C'est en push pull parallèle que le tube excelle, car il peut fonctionner avec un courant de repos très faible, de l'ordre de 5mA, le rendement est donc très bon et on obtient facilement des puissances élevées sans dépasser de trop la dissipation maximale du tube.

La grille-écran (la seconde grille) se trouve dans le prolongement de la grille de controle. Cela a plusieurs effets:

  • Le courant de grille-écran est plus faible, car la grille-écran se trouve dans l'ombre de la grille de controle. L'effet est d'autant plus prononcé que la tension sur la grille de controle est négative. On arrive à obtenir des courant de g2 d'environ 1mA. Comme le courant de grille-écran est perdu, ces tubes ont un meilleur rendement que les pentodes classiques qui ont un courant g2 10 à 20&tiles; plus élevé.

  • L'effet de la grille écran est très prononcé, c'est une seconde grille de controle. Une variation de la tension de la grille écran de 50V correspond environ à une variation de la grille de controle de 10V. Si on veut éviter d'avoir à travailler avec des tension de g1 très négatives, on peut utiliser une tension de g2 de l'ordre de 50V, ce qui permet des tensions de g1 de -7.5V, comparable à celles des pentodes EL84.

  • L'effet de l'anode est assez limité, encore moins qu'avec une pentode classique. Pour pouvoir résister à une tension très élevée, l'anode est placée à plus grande distance des autres électrodes, ce qui réduit son influence. Le pas de la grille écran est aussi serré que celui de la grille de controle et forme un meilleur écran électrostatique. Le passage de la tension d'anode de 40 à 60V fait augmenter le courant de 43 à 46mA. Entre 100 et 220V le courant anodique passe de 50 à 60mA. Le tube a donc une caractéristique pentode plus prononcée que celle d'une vraie pentode. Le coude est limité dans les basses tensions: la déviation peut donc utiliser cette partie de la caractéristique.
Ces tubes sont conçus pour fournir un courant important avec une tension anodique assez basse. Un PL504 peut fournir un courant de 50mA avec une tension de g2 et anodique de 50V. D'un autre coté le tube résiste bien aux fortes tensions issues de la déflection horizontale (pendant le retour de ligne la tension anodique monte à plus de 6kV). Mais s'il résiste à une telle tension élevée, ce n'est pas le point de fonctionnement optimal du tube.

Il s'agit d'un tube à faisceaux dirigés dont la charge d'espace remplace la grille suppresseuse (qui sert à refouler les électrons issus de l'émission secondaire). Cette charge d'espace n'apparait qu'avec un courant anodique suffisant.

C'est un tube qu'il ne faut pas utiliser comme une pentode classique avec une tension de g2 élevée. Les PL509 et PL519 ont besoin de résistances d'arrêt à la grille-écran pour éviter les oscillations haute fréquence (Barkhauzen).

Je vois passer beaucoup de schémas où le concepteur utilise une tension g2 beaucoup trop élevée. En contrepartie, il faut alors utiliser une tension de grille de controle très négative et l'amplification (pente S exprimée en mA/V) s'en ressent. La pente est alors inférieure à 10mA/V. Le tube fonctionne dans la partie la plus courbée des caractéristiques. De plus, la tension g2 plus positive réduit (un peu) le rendement du tube, puisqu'il y a un courant plus important qui circule dans g2. Ce courant est perdu, car il ne va pas à l'anode.

La tension anodique ne devrait pas être supérieure à 250V. On peut ainsi faire travailler le tube au mieux de ses caractéristiques sans dépasser la dissipation maximale. Avec 200V (et une tension de g2 de 50V) on obtient une pente S = 12mA/V.

La dissipation nominale du tube est de 16W, mais elle peut être portée à 23W et même plus si la tension d'alimentation reste dans les limites.

Le courant anodique au repos peut être aussi faible que 5mA si les tubes ont des caractéristiques identiques. La mesure s'effectue via une résistance de cathode de 1Ω.

A gauche une représentation très schématique du courant d'électrons dans le tube. Une caractéristique de ces tubes, c'est que la grille écran est bobinée avec le même pas que la grille de controle et est placée dans son ombre. Le tube a ainsi un fonctionnement plus cohérent en ce qui concerne l'interaction entre les deux grilles. La zone blanche ne contient pas d'électrons. Pour rappel, le tétrodes à faisceau dirigé n'ont pas de grille suppresseuse.
Voici une des phases du mode de fonctionnement normal du tube de déflection, avec une grille de controle fortement négative (-50V) qui limite le flux d'électrons et une grille écran positive (environ 250V). Il y a pratiquement pas d'électrons absorbés par la grille écran qui se trouve à l'ombre, malgré son potentiel très positif. C'est le retour rapide du spot sur l'écran de télévision.
Ici le tube est en fonctionnement maximal (grille de controle à 0V), les électrons peuvent passer librement. La grille écran capte assez bien d'électrons (plus de 10% dans certaines configurations). Le courant anodique est limité par l'inductance dans le circuit d'anode et cette situation ne peut pas continuer en permanence car les paramètres de fonctionnement du tube sont rapidement dépassés.
Un point de fonctionnement quand on utilise le tube dans un ampli audio, avec g1 à -27V et g2 à environ +105V. Le tube fonctionne ici dans sa partie la plus linéaire de sa courbe. Le courant de grille écran est très faible, mais la tension de cette grille peut fortement influencer le passage des électrons en accélérant ceux ci quand ils ont passé la grille de controle.
Un exemple de commande par la grille écran, qui est parfois utilisé dans des amplis qui utilisent des tubes de déflection. En réduisant encore un peu la tension de la grille écran (minimum de 50V) on peut bien controler le flux d'électrons par cette grille. La tension de grille de controle est fixée à -5V environ. La commande par grille écran est expliquée plus en détail ici.

Quelle tension sur g2 (grille écran)?

Si on utilise une tension de g2 de 250V, on doit utiliser une tension de g1 très négative pour obtenir un courant anodique de 100mA (pour éviter de dépasser la dissipation du tube), c'est la courbe rouge.

Si on utilise une tension de grille écran de 80V on peut utiliser une tension de g1 moins négative, ce qui déplace le point de fonctionnement du tube dans sa partie plus linéaire (toujours pour avoir un courant anodique de 100mA), c'est la courbe verte.

La tension de g2 réduite par rapport à la haute tension ne peut pas être produite par une résistance de chute. Le courant de la grille écran dépend fortement de la modulation. Quand un signal d'amplitude élevée doit être amplifié, le courant peut augmenter d'un facteur 1:10. La chute de tension aux bornes de la résistance de fuite augmente et le tube ne reçoit plus la tension voulue sur la grille écran. Le tube est étranglé lors des passages à fort volume, et ce n'est absolument pas ce que nous voulons. Une diviseur de tension est une meilleure option, mais avec un courant d'au moins 25mA dans le pont, cela fait une perte importante.

Pour la tension de g2, il est plus interessant d'utiliser la tension de chauffage (27V) doublée, redressée et filtrée: cela nous donne environ 70 à 80V.

La sensibilité du tube est la plus élevée avec une tension de g2 de 70 à 80V: on peut commander les tubes de puissance comme une paire de EL84. Le tube fonctionne dans sa partie la plus linéaire. La puissance maximale continue est de 10W RMS avec un taux de distortion maximal de 0.1%. Plus on augmente la tension sur g2, plus il faut une amplitude du signal de commande élevée (montage Williamson pour une tension de 155V), mais la puissance qu'on peut obtenir devient également plus élevée, 35W pour une application hifi, plus de 50W pour une application public address.

On choisira donc le point de fonctionnement le plus optimal en adaptant la tension de g2.

L'impédance de sortie des tubes dépend du courant de repos: il est de 8kΩ pour un courant de repos de 9mA, il est de 5kΩ pour un courant de repos de 20mA. N'augmentez jamais le courant de repos à plus de 50mA pour une tension anodique de 250V: la dissipation maximale risque d'être dépassée en cas de modulation.

Le fonctionnement en classe AB2 (avec la grille de controle qui devient momentanément positive) n'est pas recommandée. L'impédance d'entrée devient très basse, ce qui produit des distorsions qu'une contre réaction ne peut pratiquement pas éliminer.


Vg2VaVg1 @ 10mAΔVg1 -->50mA

20100-5.0+5.0 (S = 8mA/V)
150-5.5+5.2 (S = 7.7mA/V)
200-6.1+5.5 (S = 5.2mA/V)
250-6.6+5.9 (S = 6.8mA/V)

5050-17.4+10.7 (S = 2.3mA/V)
100-18.5+10.8 (S = 3.7mA/V)
150-19.5+11.0 (S = 3.6mA/V)
200-19.9+11.2 (S = 3.5mA/V)
250-20.6+11.4 (S = 3.5mA/V)

8080-32.6+15.0 (S = 2.7mA/V)
120-33.5+15.2 (S = 2.6mA/V)
160-34.1+15.4 (S = 2.6mA/V)
200-34.7+15.6 (S = 2.5mA/V)
250-35.4+15.7 (S =2.5mA/V)

120120-53.9+19.3 (S = 2.1mA/V)
160-55.8+19.4 (S = 2.1mA/V)
200-55.7+19.5 (S = 2.0mA/V)
250-56.3+19.6 (S = 2.0mA/V)

150150-71.2+22.5 (S = 1.8mA/V)
200-72.2+23.0 (S = 1.7mA/V)
250-72.6+23.0 (S = 1.7mA/V)


Le tube PL504 peut avoir tendance à osciller spontanément. Si vous utilisez un bon transfo push pull, cela n'arrivera pas et les mesures indiquées ne sont pas nécessaires. L'oscillation parasite si elle est présente peut être éliminée par la résistance de 15k et le condensateur de 1.5nF; ici chaque électronicien aura sa formule propre. Ainsi muselé, le tube lui-même produit un signal très propre, c'est quand on enclenche la contre réaction que le système peut devenir instable. Il y a ici deux effets qui jouent:
  • Quand il y a surcharge (clipping) il y a des oscillations haute fréquence qui apparaissent après le clipping, mais avant que l'ampli ne se stabilise à nouveau.
  • Aux amplitudes élevées, la grille peut devenir positive: un courant circule via la grille et dérègle la polarisation (charge du condensateur de couplage).
L'amplificateur peut être utilisé avec une polarisation par résistance cathodique, cela ne permet qu'un fonctionnement en classe A avec déplacement vers la classe AB quand le signal est fort. L'amplificateur peut alors fournir une puissance maximale de 15 à 20W. C'est le circuit le plus simple qui ne nécessite pas de réglage. On utilisera une résistance cathodique de 200Ω (tension de 10V), découplée par un électrochimique de 1000µF. La tension de g2 est de 90V et la tension anodique de 250V. Chque tube a sa résistance de polarisation et condensateur propre pour réduire les différences entre les tubes qui ne sont pas pairés.

En mode de fonctionnement avec polarisation négative, on obtient facilement une puissance de 50W (puissance musicale). La puissance est limitée par la dissipation maximale des tubes, pas par le courant anodique maximal, qui est 5× plus élevé (on dispose ainsi d'une bonne réserve de puissance). Il faut prévoir un réglage indépendant de la tension de polarisation de tous les tubes de puissance.

Un montage d'un amplificateur hybride complet avec BF422 et PL504 est décrit ici.

Le tableau à droite est très interessant: il indique la tension de polarisation de g1 pour avoir un courant anodique de 10mA (c'est le courant de repos dans le tube) ainsi que l'augmentation de tension qui est nécessaire pour faire passer le courant anodique à 50mA. L'indication est pour différentes tensions de g2 (de 20 à 150V) et d'anode (de 50 à 250V)

L'augmentation du courant de 10 à 50mA correspond environ à une puissance de 2W pour une tension anodique de 50V, de 4W pour 100V,... et de 10W pour 250V (ampli push pull).

On remarque tout de suite que la tétrode est plus sensible (pente plus élevée) aux faibles tensions de g2. C'est assez normal, quand la tension de g2 est moins élevée, on peut utiliser une polarisation de la grille de commande moins négative. Cette polarisation moins négative permet à la grille de controler plus aisément les électrons (ils sont moins repoussés, et donc plus proche de la grille, qui a donc une influence plus grande). Encore une raison pour utiliser la tension de polarisation la plus basse compatible avec la puissance voulue.

Ce tableau montre également l'influence très grande de la grille écran (par rapport à une pentode classique). Cette influence est également très linéaire, ce qui a inspiré des constructeurs à construire une commande par la grille écran très efficace.

Une modification de la tension de grille écran de 70V (de 50 à 120V) fait augmenter le courant anodique de 1.5 à 80mA, donc une pente g2 de 0.9mA/V (la pente g1 est environ de 2mA/V à 10mA jusqu'à 10mA/V à 100mA). La pente de g1 est variable (mais elle est relativement stable selon le courant anodique, pour 50mA elle est pratiquement toujours de 4.5mA/V). La pente de g2 est beaucoup plus constante, ce qui explique le fonctionnement linéaire en commande par g2.

A droite le schéma d'utilisation normal du PL504.

Le tube reçoit sur sa grille de commande un signal de 55V qui permet de passer de la conduction maximale (tension de grille de 0V à une coupure totale (tension de -55V).

La polarisation de la grillee est automatique, avec un courant de grille qui apparait pendant les impulsions positives et qui charge le condensateur de couplace C679.

La tension de g2 est interrompue (le tube est mis hors fonction) quand le connecteur des bobines de déflection est débranché (pontage H5-H6).

L'amplitude horizontale est réglée par R977 et stabilisée par un VDR.

Quand il n'y a pas d'oscillations (tube précédent défectueux), il ne se forme pas de tension négative et le tube est constamment en fonctionnement avec un courant très élevé. Au bout de quelques minutes, la résistance de protection R981 saute, mais entretemps l'anode aura déjà atteint une teinte rouge cerise.

Dans un ampli hifi, on ne va évidemment pas utiliser de tels paramètres!

Je ne vais pas décrire le fonctionnement complet de cet étage de déflection, mais sachez qu'il produit en plus une tension de 980V via la diode booster PY88 (utilisé pour la déflection verticale, pour avoir une image dont la hauteur est stabilisée par rapport à la largeur de l'image) et une très haute tension pour le tube image via DY802.

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