L'apparition de la distorsion "notch" Montage untra linéaire standard UL avec alimentation séparée des grilles écran Contre réaction via la cathode Etage de puissance unity coupled Transformateur bobiné bifilaire

Quand un a besoin d'un circuit compliqué pour résoudre un problème, c'est que le problème est compliqué. Mais quel est le problème que le montage Unity Coupled tente de résoudre? Pour vous expliquer cela, il faut vraiment faire un détour par pratiquement tous les systèmes qui ont été utilisés.

On est obligé de passer à un montage push pull à partir d'une certaine puissance. Les tubes sont généralement polarisés en classe AB qui permet un rendement plus élevé. Pendant l'amplitude positive, c'est un des tubes qui est en conduction (de A à B) tandis que l'autre tube conduit de C à D. Le courant au repos est très faible ce qui réduit la dissipation et permet de fournir une puissance plus élevée. Avec une puissance envoyée aux haut parleurs de 50W, chaque tube ne dissipe que 10W, ce qui est très positif.

Mais au moment où un tube ne conduit plus, le bobinage correspondant est relié à "rien". A cause des capacités parasites et de la self-induction, le bobinage va se mettre à osciller. Cette forme de distorsion était appellée à l'origine "notch distorsion", maitenant on utilise plutot le terme de "ringing", mais c'est le même phénomène.

Un autre problème c'est l'impédance relativement élevée des pentodes, le bobinage primaire doit normalement avoir une impédance de 4kΩ et le secondaire de 8Ω, ce qui fait un rapport de 500:1. Le rapport de transformation est de 22:1, c.à.d. qu'il faut 22 tours au primaire pour un tour au secondaire. Cela produit une inductance de fuite plus élevée. Le transformateur a un mauvais rendement, mais l'inductance de fuite fait également que les oscillations parasites ne sont pas bien amorties.

Pour réduire les distorsions, on utilise souvent le montage ultra linéaire qui combine les avantages de la triode et de la pentode.

Fonction de transfert

Triode — Pentode — Ultra lineair

La fonction de transfert montre le courant anodique pour une tension anodique donnée. Un tube idéal devrait se comporter comme une résistance ohmique, et donc produire une droite.

Le montage ultra linéaire oblige à avoir une tension de grille écran de même valeur que la tension anodique. La tension anodique est de ce fait limitée à environ 300V, alors que certains tubes peuvent fonctionner avec une tension anodique de 700V pour une puissance de 50W et plus.

La solution est de travailler avec un bobinage séparé pour la grille écran qui permet d'avoir une tension différente pour les deux systèmes d'électrodes. Menno van der Veen explique que la tension de la grille écran est la seule tension qui doit effectivement être stabilisée, et je vais même plus loin dans mon alimentation stabilisée en augmentant la tension de g2 quand la haute tension diminue, ce qui permet de toujours obtenir la puissance nominale.

Pour réduire les distorsions, on utilise une contre réaction. La plupart des amplificateurs ont une contre réaction globale, qui va du secondaire jusqu'à l'entrée. Plusieurs phénomènes font qu'un amplificateur avec contre réaction globale est moins "musical" qu'un amplificateur naturel (lisez pour cela les pages consacrées à la contre réaction).

Une contre réaction locale n'a pas cet inconvénient. Mais comment faire intervenir cette contre réaction locale? Une possibilité est de faire aboutir le signal de contre réaction sur la cathode du tube de puissance. C'est le schéma de principe de la contre réaction via la cathode. La contre réaction réduit le gain de l'étage de puissance et l'étage de commande doit être conçu en conséquence.

Après de nombreux calculs on est arrivé à la conclusion que les distorsions peuvent le mieux être réduites si le bobinage de la cathode correspond à celui de l'anode (de là le nom "Unity Coupled"). Sur le schéma à droite les grilles écran sont reliées à l'anode du tube inverse: nous avons en fait une sorte de réaction positive, mais elle est nécessaire et je vous expliquerai pourquoi plus loin. Le montage a comme avantage que les courants dans le bobinage cathodique correspond au courant dans le bobinage anodique puisque Ic = Ia + Ig2.

Le branchement des grilles écran à l'anode du tube inverse est nécessaire pour avoir une amplification. Je vous l'explique à partir d'un exemple théorique. Quand la tension à l'entrée augmente de 10V, la tension sur la cathode augmente de 10V et celle sur l'anode diminue de 10V (en tout la tension appliquée au tube chute de 20V). En magenta: tension de 10V flanc montant, en cyan tension de 10V flanc descendant. Mais quand la tension cathodique augmente de 10V et que la tension de la grille écran reste constante, l'amplification du tube est très très faible.

Ce qu'il faut, c'est que la tension sur la grille écran reste constante par rapport à la tension sur la cathode. Mais où peut-on trouver une telle tension? Sur l'anode de l'autre pentode!

L'impédance de sortie est maintenant réduite de 4kΩ à 1kΩ, le rapport de transformation est maintenant de 11:1 au lieu de 22:1. Le couplage magnétique est devenu meilleur.

Le transformateur était bobiné en bifilaire pour obtnir un meilleur couplage entre les deux bobinages (cela réduit la distorsion "notch"). Le meilleur couplage permet un amortissement du bobinage qui est "en l'air" (par exemple le bobinage noir) par le bobinage qui a un tube en conduction (le bobinage rouge).

On utilise encore parfois des transformateurs bobinés en bifilaire dans des montages récents, sans que l'amplificateur ne soit nécessairement de type unity coupled. Ici il y a plus d'informations sur les transformateurs audio.

Passons maintenant aux choses pratiques, voici le schéma d'un amplificateur McIntosh MC275.

Le premier étage est un étage préamplificateur normal avec une arrivée de la contre réaction sur la cathode. Le tube 12AX7 correspond au ECC83.

Le troisième étage est également un long tail, mais avec des résistances anodiques identiques. Le 12BH7 n'a pas vraiment d'équivalent européen, c'est un tube qui a une basse impédance de sortie et qui peut fournir un courant un peu plus élevé que le ECC82. C'est un tube qui est souvent utilisé comme driver dans les amplificateurs, mais également dans l'étage de puissance des anciens oscilloscopes (déflection électrostatique verticale).

Ce tube est alimenté à partir de la tension alternative au transfo de puissance, car le sweep doit être très élevé avec les montages unity coupled. C'est une variante au montage bootstrap (avec condensateur électrochimique). Le tube recoit une tension légèrement positive sur sa grille de commande.

Le driver à proprement parler est ici un 12AZ7, un tube qui a des caractéristiques comparable à celles du 12BH7. Le tube est utilisé en cathode suiveuse pour attaquer directement les tubes de puissance. L'avantage du branchement direct c'est que le point de fonctionnement ne se déplace pas et que les tubes de puissance peuvent être commandés en classe AB2 avec un courant de grille de commande pendant les pics positifs. Le tube reçoit son alimentation via un bobinage séparé sur le transformateur de sortie pour que la haute tension varie avec le signal à amplifier (la différence de tension entre anode et cathode reste pratiquement constante).

Les tubes de puissance sont des KT88. Le montage est unity coupled avec un bobinage cathodique, un bobinage anodique + grille écran (on voit que les grilles écran recoivent la tension anodique du tube inverse comme dans tous les montages "UC"). Le transfo a également un bobinage pour fournir la tension anodique des drivers. Ce n'est pas un bobinage "primaire" (qui reçoit le signal alternatif) mais un bobinage "secondaire" (qui fournit un signal).

Les sorties A, B et C sont destinées à des haut parleurs 100 et 70V. L'amplificateur peut fournir une puissance de 75W par canal avec un taux de distorsion inférieur à 0.5% de 20Hz et 20kHz et de 250mA à 75W. Le facteur d'amortissement est >22.

Il a été conçu en 1961 et a été fabriqué pendant 10 ans. Les transistors arrivent et la fabrication est stoppée en 1971. Mais la production a repris en 1993 et l'amplificateur en est maintenant à sa 6e génération (avec des leds dans la base des tubes noval).

Un autre circuit fort similaire (pourquoi changer une formule qui gagne?), mais celui-ci pour une puissance de 30W. Il utilise une paire de 6L6. La seule différence notable réside dans le fait que les triodes de commande sont reliées à la haute tension via le bobinage anodique du transfo (il n'y a donc pas de troisième bobinage), la haute tension étant moins élevée que dans l'amplificateur précédent. Le bobinage cathodique permet ici aussi le branchement de haut parleurs 70 et 100V.

Il y a ici également une triode double en montage à cathode suiveuse pour attaquer directement les tubes de puissance.

Fabriquer un ampli Unity Coupled?

Les transformateurs sont de bien meilleure qualité maintenant et un montage Unity Coupled n'est plus vraiment nécessaire dans un bon amplificateur. Je peux construire un ampli avec un courant de repos de 8mA sans qu'il y ait de distorsion de croisement, et ceci grâce à l'utilisation de bons transformateurs adaptés (et légèrement surdimensionnés). Je peux vous conseiller: ne rognez pas sur la qualité des transformateurs de sortie!

Ce qui est également important de signaler, c'est qu'à cause de la contre réaction locale l'étage de puissance doit être commandé par un signal qui fait la moitié de la tension d'alimentation. Un tel signal ne peut être obtenu qu'avec un bootstrap, ce qui ajoute une petite complication au circuit. J'ai fait des tests avec un amplificateur single ended et quand j'applique une contre réaction locale j'ai plus de distorsions causées par le tube de commande que par le tube de puissance (et le montage n'est même pas unity coupled). La solution était d'utiliser une contre réaction plus classique du secondaire du transfo vers la cathode du tube de commande.