Tests avec transformateurs d'alimentation au lieu de transformateurs single ended adaptés (avec entrefer)

Dans un amplificateur, le transformateur de sortie sert uniquement à adapter l'impédance entre l'étage de puissance (tétrode ou pentode) et le haut-parleur. La plupart des étages de sortie ont une impédance de 4kΩ et le haut-parleur de 8Ω. Le rapport de transformation doit donc être de 22,5×. Avec un transformateur d'alimentation 230V, la tension secondaire doit être de 10V (9V conviennent également). Un transformateur avec secondaire de 9V correspond au rapport de transformation de la plupart des transformateurs audio pour étages de sortie single ended. Pour un étage de sortie de faible puissance, la tension peut être légèrement inférieure, par exemple 6V (rapport d etransformation plus élevé).

Les tests effectués ici visent à vérifier si un transformateur d'alimentation standard peut également être utilisé dans un petit amplificateur audio à tubes : le transformateur single ended normalement utilisé est remplacé mais le circuit reste inchangé (si nécessaire, seule l'impédance est ajustée).

Un transformateur audio adapté aux applications single possède un entrefer pour éviter la saturation du fer. Cependant, à de si faibles niveaux de puissance et de courant, je souhaite vérifier si un petit transformateur d'alimentation standard peut également convenir.

A droite, un premier transformateur à tester avec un amplificateur de faible puissance (moins de 1W). Ce transformateur est conçu pour une puissance de 1,2VA. Son rapport de transformation est de 38,3×, un haut-parleur de 8Ω présente alors une impédance primaire de 12kΩ (que la pentode perçoit comme une impédance de sortie). Cette valeur convient à une petite pentode, qui est par conséquent soumise à une charge plus faible et peut être utilisée sous une tension plus élevée (et un courant plus faible afin de ne pas dépasser la dissipation maximale). Grâce à ce courant plus faible, le risque de saturation du noyau de fer est de toute façon réduit.

L'inconvénient d'un petit transformateur réside dans la résistance ohmique élevée de ses enroulements : 3,43kΩ au primaire et 6,5Ω au secondaire. De ce fait, 50% de la puissance est déjà perdue par effet Joule. Les tests ont montré que ce transformateur est inadapté, il présente trop d'oscillations parasites. Avec un transformateur SE spécifique, les enroulements sont agencés de manière à minimiser les capacités parasites, évitant ainsi les oscillations incontrôlées (effet de résonance). Ces oscillations sont gênantes et impossibles à éliminer, surtout quand on utilise un tube de sortie de puissance limitée.

La première image de l'oscilloscope montre un balayage (sweep) de 20Hz à 20kHz. Le test est effectué avec la contre-réaction activée, ce qui, en théorie, devrait réduire la distorsion. On observe une courbe asymétrique (le signal positif n'est pas égal au signal négatif). Un tel amplificateur produira de nombreuses harmoniques paires. On observe une courbe similaire dans un étage de sortie push pull où un tube de sortie est défectueux. Dans le cas présent, la distorsion est due au fait que le transformateur a tendance à osciller et que la pentode ne peut pas amortir les oscillations.

Une seconde image de l'oscilloscope montre l'affichage d'un signal carré. Ici aussi, on constate que les amplitudes positives diffèrent des amplitudes négatives. Un effet de résonance est présent lors du balayage positif: c'est alors que la pentode est moins en conduction et ne peut pas amortir les oscillations. On observe le même phénomène dans le signal du sweep lorsque la fréquence du générateur correspond à la fréquence d'oscillation propre du transformateur.

La partie horizontale n'est pas parfaitement horizontale, ce qui indique une atténuation des basses fréquences. Le calcul de la bande passante à l'aide d'ondes carrées est montré ici. En conclusion, ce transformateur est inutilisable (mais son rapport de transformation convient à un petit amplificateur).

Le second transformateur d'alimentation fournit une tension de sortie de 12V, soit un rapport de transformation de 19,2×. En connectant un haut-parleur de 16Ω au secondaire, on obtient une impédance de 5,9kΩ, adaptée à la plupart des pentodes audio comme l'ECL86, conçue pour les petits amplificateurs des postes de radio et des téléviseurs.

Cependant, un ECL83 (petite lampe de sortie audio) délivre sa puissance maximale à une impédance primaire de 8,75kΩ. Avec ce rapport de transformation et ce tube de sortie, l'impédance optimale du haut-parleur est de 27Ω. Dans cette configuration idéale, on atteint une puissance de 950 mW.

Les résistances ohmiques sont de 500Ω au primaire et de 2Ω au secondaire, ce qui réduit les pertes par effet Joule. Il s'agit d'un transformateur de 8,5VA. En théorie, il peut donc être utilisé avec la plupart des étages de sortie single ended,... s'il convient dans ces applications.

Le sweep est nettement amélioré avec ce transformateur. Lors de l'affichage d'un signal carré, on observe des oscillations, également visibles sur le sweep. Les parties horizontales sont plus horizontales; les basses seront mieux présentes.

Avec ce transformateur, la reproduction des signaux sinusoïdaux et triangulaires est également meilleure; on atteint un taux de distorsion inférieur à 1% avec un signal sinusoïdal de 400Hz et une puissance de 800mW.

Dernière image d'oscilloscope: affichage d'un signal carré de 400Hz avec un vrai transformateur pour ampli single ended. Aucune oscillation parasite n'est présente (elle peut facilement être supprimée par un filtre simple dans l'ampli) et les alternances positive et négative du signal sont égales.

L'amplitude du signal diffère en raison du rapport de transformation : le signal a été mesuré côté secondaire avec la charge appropriée : 27Ω pour le transformateur d'alimentation de 8,5VA et 10Ω pour le transformateur single ended.

Avec le transformateur d'alimentation, l'amplificateur peut délivrer une puissance supérieure à celle délivrée par le transformateur single ended (la différence est d'environ 10%, soit moins de 100mW). Ceci est probablement dû à la taille plus importante du transformateur SE (qui contient plus de fer). La magnétisation du fer nécessite de l'énergie, et cette énergie ne peut pas être utilisée par le haut-parleur.

Une autre page présente les images d'oscilloscope d'un amplificateur avec transformateur d'alimentation. Ici, des étages de sortie plus puissants sont utilisés avec un courant anodique plus élevé et l'effet de la saturation du fer est plus visible (la distorsion augmente en effet avec le courant anodique). Sur ces images d'oscilloscope, la contre-réaction est également désactivée afin de mieux mettre en évidence la distorsion.

Conclusion