Amplificateurs à tubes
Etage de puissance triode, pentode ou UL
Puissance

Les triodes ont souvent des meilleures caractéristiques que les pentodes quand on le emploie en montage push pull, mais la puissance est moindre. Pourtant il est presque possible d'obtenir le meilleur des deux mondes.
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Pentodes classiques - Tétrodes à flux dirigé
Puissance

Plusieurs schémas permettent de faire travailler les tubes de puissance en mode triode, pentode ou ultralinéaire. Un exemple est le schéma utilisant des pentodes EL34. Pour pouvoir bénéficier du mode UL, il faut disposer d'un transfo avec deux prises supplémentaires.

Le schéma générique à droite permet de passer du mode pentode (A) au mode triode (B) ou ultra-linéaire (C).

Ultra linéaire ou charge répartie?

Le mode ultra linéaire (UL) est également appellé distributed loading (ou charge répartie) car la grille écran fournit également une partie de la puissance. Le terme "ultra linéaire" est en théorie réservé aux montages où la distortion est moindre que le montage pentode et triode. On a utilisé le terme triode-pentode, mais il ne recouvre pas exactement l'effet. Le terme triode-pentode est utilisé pour les tubes qui contiennent à la fois une triode et une pentode.

Les triodes ont généralement de meilleures caractéristiques quand on les emploie en montage push pull. Les triodes produisent plus d'harmoniques paires, mais celles-ci sont éliminée par le montage push pull symmétrique. Les pentodes produisent plus d'harmoniques impaires, qui ne peuvent pas être éliminées. Mais on ne trouve plus beaucoup de triodes de puissance. Par contre, une pentode devient une triode si on branche la grille écran à l'anode.

En moyenne la puissance disponible est réduite au quart quand on passe d'un mode pentode au mode triode, c'est une raison pour laquelle on trouve très peu de triodes de puissance.

Si on utilise un branchement entre les deux, on obtient un montage à charge répartie. Ce mode de fonctionnement n'est pas seulement la moyenne de la pentode et de la triode, il y a une chimie bien particulière qui se produit. En fait, on injecte de la contre-réaction sur la grille écran. Or la grille écran produit une déformation du signal inverse à la déformation sur la grille de commande (c'est la raison de la commande sur la grille écran).

En branchement pentode, on a une puissance élevée (24W) mais également un taux de distortion élevé de 10%. En branchement triode, on a une puissance de 7W avec un taux de distortion de 3%. Je suppose que si on aurait fait travailler le montage pentode à basse puissance (7W) on aurait également eu une faible distortion de 3% (une bonne raison pour éliminer le montage triode une fois pour toutes!)

Mais ce qui est bizarre, c'est que la distortion est moindre en montage ultra-linéaire: si la puissance est moyenne, la distortion est elle bien moindre à une valeur spécifique de prise médiane. Cette valeur dépend du tube utilisé, elle est de 43% pour un tube EL84 ou EL34 (pentodes classiques), où on obtient une puissance de 11W. On utilise souvent la valeur de 20% pour avoir un bon compromis (puissance un peu plus élevée de 15W et distortion encore très faible). Les courbes ont été tirées avec une paire de EL34 sous 300V (de là la puissance relativement faible) et une impédance primaire (transformateur) de 6kΩ.

Cette courbe est applicable pour les vraies pentodes. Les tétrodes à flux dirigé ont leur "sweet spot" vers 15% (6V6, KT66, PL500,...), là où leur puissance est également un peu plus élevée. Si on utilise de tels tubes, il faut utiliser un transfo à prises à 20% (à défaut de 15%) pour profiter au maximum de l'effet ultra linéaire. Les tubes de déflection ligne ne sont que rarement utilisés en montage UL car la tension de grille écran doit être plus basse que la tension d'anode.

Attention: le graphique est tiré pour un certain signal à l'entrée et une tension d'alimentation déterminée. Si on augmente le signal, on augmente également la distortion, si on augmente la tension d'alimentation, on peut obtenir une puissance plus élevée. La courbe dépend également de la classe de fonctionnement (A ou AB). Il n'y a donc pas une courbe standardisée.

Mode ultra linéaire avec un transfo de sortie normal?

Il n'est pas courant de remplacer la prise médiane d'un transfo par deux résistances. Le courant dans la grille écran est relativement important, ce qui nécessite des résistances de valeur pas trop élevée (1 à 4kΩ), or ces résistances absorbent une puissance audio importante.

L'amplification (gain en tension entre le signal sur la grille grille et sur l'anode) est réduite quand on travaille en mode triode: il faut une tension de commande 3 à 4× plus élevée pour obtenir une puissance donnée. Mais comme la limite de puissance est atteinte plus rapidement en mode triode, il faut une tension alternative identique sur la grille de commande, quel que soit le mode de fonctionnement, triode, pentode ou UL. C'est pour cela que la commutation entre les différents modes de fonctionnement peut se limiter à un interrupteur double.

Ampli single ended et ultra-lineair

A gauche le schéma d'un amplificateur qui utilise un transfo destiné à un amplificateur push pull pour obtenir un fonctionnement en charge répartie. La prise à 50% correspond assez bien au niveau de distortion minimum d'une pentode de type EL84 (fonctionnement ultra-linéaire). La puissance disponible est de 4W avec un taux de distortion très bas, qui est encore réduit avec la contre-réaction. On utilise ici une penthode EF86 comme étage préamplificateur, ce qui donne un gain général plus élevé et permet une contre-réaction plus énergique.

Transformateurs push pull et single ended

Les transformateurs utilisés dans les amplificateurs de type push pull ont des tôles empilées au format EI. Les tôles sont empilées tête-bêche pour réduire au maximum l'entrefer et avoir un circuit magnétique fermé. C'est ainsi que le transfert de puissance est le meilleur. Les transformateurs d'alimentation ont également un tel empilement.

Les transformateurs utilisés dans les amplis single ended (ainsi que les selfs de filtrage) ont des tôles empilées avec la forme E d'un côté et la forme I de l'autre pour obtenir un leger entrefer pour éviter que la tôle n'entre en saturation.

Dans le cas présent, il faudra utiliser un transformateur destiné à un ampli de 10 à 20W pour obtenir une puissance de 4W. Le transfo est alors conçu pour une puissance plus élevée et il n'y a pas de risque qu'il entre en saturation malgré le courant continu permanent. Utiliser le tube à la tension la plus élevée possible (300V pour un EL84) avec un courant de plaque plus faible pour limiter la dissipation (30mA).

A droite le a puissance fournie par un ampli push pull équipé de tubes EL84 dépend du mode de fonctionnement. Nous nous limitons aux puissances avec une tension de 300V.

Les premières valeurs concernent un mode de fonctionnement en pentode classique. On obtient une puissance de 17W avec un taux de distortion de 4% (le rapport puissance et distortion est expliqué plus en détail ici). La dissipation à l'anode est de 10.8W par tube, elle est de 13.8W à puissance maximale. La dissipation autorisée est de 12W, c'est pour cela qu'on parle de puissance "musicale", ce n'est pas une puissance qui peut être fournie en continu.

Le tableau nous apprend également qu'il faut un signal sur la grille de 2 × 10V effectifs pour obtenir le puissance maximale.

Nous avons ensuite le fonctionnement à charge répartie avec la grille écran à 20%. Nous traitons la première colonne de chiffres. La puissance disponible est un peu plus faible (14.4W), mais la distortion n'est plus que de 0.85%. La puissance dissipée au repos dans le tube est de 8.4W pour atteindre 16.5W à puissance maximale. Le fonctionnement est ici nettement en classe AB. La seconde colonne n'est pas applicable: la dissipation maximale du tube est déjà atteinte au repos.

Il faut ici un signal sur la grille de commande de 2 × 9.2V pour obtenir la puissance maximale.

Le fonctionnement en charge répartie à 43% est le mode ultra linéaire où la distorsion est la plus faible. Nous avons une puissance de 10.1W avec un signal de commande de 2 × 8V.

Et finalement nous avons un montage triode, avec g2 connecté à l'anode. La puissance disponible est de 5.2W pour un taux de distortion de 2.5%. Ici aussi il faut un signal à l'e"ntrée de 2 × 10V effectifs pour atteindre la puissance maximale.

Je ne comprend pas les raisons qui poussent les gens à utiliser le montage triode, alors qu'il ne permet qu'une faible puissance (trois fois plus faible qu'un montage pentode). Si on utilise un montage pentode classique on obtient un taux de distortion plus faible quand l'ampli produit 5.2W. Et en plus on a l'avantage de la réserve de puissance.

Ce qu'on remarque aussi, ce que quel que soit le montage utilisé, il faut pratiquement la même amplitude sur la grille de commande pour obtenir la puissance maximale.

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