Amplificateurs à tubes
Schémas de Menno van der Veen
Menno van der Veen

Cette page reprend quelques schémas qu'à publié Menno van der Veen, un ingénieur néerlandais qui s'est spécialisé dans la réalisation de transformateurs toroïdes.
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Les transformateurs toroïdes ont des caractéristiques particulières: la résistance interne est moindre (pertes au cuivre), le flux magnétique est mieux concentré (meilleur couplage entre le primaire et le secondaire) et les transformateurs nécessitent moins de fer et de cuivre pour une puissance donnée. Ce sont des caractéristiques interessantes, mais si vous avez un budget serré, économisez sur le transfo d'alimentation. Dans certains de mes circuits, j'utilise un simple transfo d'isolation.

Que peut-on apprendre des anciennes radios à lampes?

Menno van der Veen raconte des choses très interessantes. Les radios à tubes après la seconde guerre mondiale avaient un étage de puissance single ended (SE) et un transfo de sortie minuscule. A cause du courant continu qui circule constamment dans le transfo, les radios n'étaient pas en mesure de reproduire les fréquences les plus basses, et pourtant ces radios avaient une meilleure qualité sonore que les radios à transistors qui sont apparues quelques années plus tard, même quand le signal de la radio à transistors était envoyé au gros haut parleur d'une radio à lampes. C'est à ce momment que tu te rendais compte que ces radios à transistors ne valaient absolument rien.

La relativement bonne qualité sonore des radios à tubes était causée par la distortion. En effet, la distortion. A cause du petit transfo et le circuit SE, ces radios produisaient une forte distortion, principalement des harmoniques paires. A cause de ces harmoniques, le son semble plus agréable, plus musical. L'étage de puissance n'est pas en mesure de reproduire du 20Hz, le transfo ne le permet pas. Mais le circuit produit des harmoniques à 40Hz, 60Hz, 80Hz,... et ces harmoniques s'entendent. Des expériences ont démontré que les auditeurs pouvaient reconstruire la fréquence de base uniquement grâce aux harmoniques (même quand la fréquence de base n'est plus présente).

C'est la raison pour laquelle ces radios produisent un si bon son, et remplacer le transformateur de sortie par un meilleur transformateur ne va pas augmenter la qualité subjective du son. En théorie un transformateur plus cher permet une bande passante plus étendue, mais à l'écoute le son n'est plus aussi bon. Un étage SE avec un EL84 ou UL84 peut produire 4W au maximum. Une grande partie de la puissance est utilisée pour reproduire ces fréquences basses, ce qui fait que l'amplificateur atteint vite ses limites et il se produit des distortions (harmoniques impaires très désagréables). Avec un transfo de "moins bonne" qualité, les fréquences les plus basses ne sont plus transmises, elles sont représentées par les harmoniques paires. Et il faut beaucoup moins de puissance pour reproduire un signal à 40 et 60Hz qu'un signal à 20Hz. C'est aussi la raison pour laquelle j'utilise un simple transfo d'alimentation comme transfo de sortie dans certains de mes circuits.

Les radios à tubes avec leur petit transfo de sortie ont par contre un taux d'intermodulation très élevé. Le signal n'est pas très pur, c'est surtout le cas quand l'amplificateur doit reproduire un signal complexe. Quand l'orchestre joue, il n'est plus possible d'entendre les différents instruments, c'est devenu une bouillie.

... et en pratique

Contrairement aux préceptes énumérés plus haut, Menno van der Veen utilise des condensateurs de couplage et de découplage beaucoup trop grands. Il est vrai que pour avoir un fonctionnement stable quand on emploie une contre-réaction il faut que la phase du signal à la sortie corresponde à celle du signal à l'entrée, autrement le circuit se met à osciller.

La phase change à la frontière de la bande passante, donc aux basses fréquences et aux hautes fréquences. Hors de la bande passante, la phase est également erronée, mais l'amplification est si faible que l'oscillation ne peut pas naitre.

Pour réduire le déphasage il y a deux solutions contraires: soit on choisit le début de la bande passante si bas (par exemple 2Hz), que le transformateur n'est pas en mesure de fairer passer la fréquence. C'est un système qui est utilisé dans les amplificateurs à transistors qui ont parfois une bande passante qui van de 0 à 100kHz. C'est une tactique qui porte ces fruits dans les amplificateurs à transistors, qui ont besoin d'une contre-réaction très élevée. Menno van der Veen utilise cette tactique dans ses amplificateurs à lampes.

La seconde méthode, c'est de réduire l'amplification basse fréquence, ce qui empèche l'apparitionqs d'oscillations parasitaires. L'avantage de cette méthode, c'est que l'amplificateur ne dissipe pas de la puissance en pure perte en tentant de reproduire des fréquences qui seront de toute façon bloquées par le transformateur de sortie. Il est ainsi possible de produire une puissance musicale plus élevée.

Pour la partie supérieure de la bande passante, Menno van der Veen utilise par contre un filtre de 6db/octave (entre l'anode et la grille d'un tube). Ici, il est plus difficile d'avoir une phase relativement constante et on en est réduit à limiter la bande passante, autrement l'amplificateur se met à osciller sur des fréquences ultra-soniques qui grillent les tweeters en quelques secondes.

Le livre de van der Veen ne contient pas tellement de schémas, et à chaque schéma présenté, je remarque des éléments qui auraient pu être améliorés. Il n'y a qu'un seul schéma que je trouve bon, mais le circuit équivalent que j'ai réalisé est bien plus simple.

Contre-réaction

Un amplificateur à lampes classique avec une contre réaction importante, qui nécessite un tube supplémentaire. L'emploi de la contre-réaction necessite des mesures correctives indiquées en rouge. R* et C* servent à limiter la bande passante dans les fréquences élevées. la valeur des composants doit être adaptée au transformateur de sortie utilisé, qui détermine le déphasage. Le déphasage commence à apparaitre à partir de 6kHz. On peut utiliser des valeurs de R = 47kΩ et C = 390pF.

Cette mesure produit une réduction d el'amplification aux fréquences élevée, mais c'est compensé en partie par la contre-réaction qui va linéariser la bande passante. De plus, le transformateur a tendance à laisser passer plus fort les fréquences plus élevée.

Nous avons également C** en parallèle sur la résistance de contre-réaction. Quand on utilise une charge purement ohmique, le condensateur n'est pas nécessaire, mais la plupart des enceintes accoustiques se comportent comme une charge complexe. On recommande une valeur de 220pF pour C**. La détermination d ela valeur se fait avec les hauts parleurs prévus, on envoie un signal de test de 1kHz (flancs carrés) et on sélectionne C** pour avoir des flancs légèrement courbes, sans pics.

Nous avons également C1 (et C4 et C5) dont la valeur détermine le point bas de la bande passante. Avec une valeur de 0.22µF et 100kΩ la bande de puissance commence à 45Hz ce qui est une bonne valeur pour limiter les oscillations parasites à basse fréquence. Cette fréquence correspond également à la fréquence minimale que le transformateur peut transmettre aux hauts parleurs sans perte: il n'y a donc pas d'énergie qui est dissipée en pure perte.

Trois schémas pratiques d'amplificateurs réalisés par Menno van der Veen sont décrits ici.

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