Amplificateurs à tubes
L'étage de puissance
Single Ended

Les montages de puissance single ended (SE) utilisent un seul tube de puissance au lieu de deux tubes comme dans la plupart des montages (montages push pull).
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Le montage single ended permet au mieux une puissance de 50% de la dissipation dans le tube de puissance. Le tube doit nécessairement fonctionner en classe A qui est moins efficace, mais ce montage ne nécessite pas d'étage déphaseur.

A cause du mauvais rendement de ce type de montage, les lettres SE (Single Ended) peuvent tout aussi bien indiquer Small Efficiency, Super Expensive et Stupid Engineering. On vous a prévenu!

Les montages proposés par certaines firmes sont super chers car il faut utiliser un transformateur de puissance spécial. Il y a toujours un courant qui circule dans le transformateur, ce qui produit un champ permanent. Pour éviter la saturation magnétique du transfo, il faut prévoir un entrefer, ce qui réduit un peu le transfert de puissance. En plus du mode de fonctionnement (qui ne permet pas un rendement élevé), le transfo ne permet pas de transmettre toute la puissance au haut parleur. On pourrait donc également parler de conception stupide.

Pour vendre leur matériels, on trouve des textes du genre:

"Il faut de l'énergie pour inverster le champ magnétique d'un transfo, ce sont les pertes par hystérésis. L'énergie nécessaire pour changer la polarité du champ magnétique provient du signal. les signaux de très faible amplitude ne sont donc pas bien reproduits car l'énergie est utilisée à inverser le champ magnétique. Les amplificateurs single ended n'ont pas ce problème et sont en mesure de reproduire les plus menus détails sonores."

Ils n'ont pas tout à fait tord, mais c'était il y a 70 ans, quand on utilisait des tôles de qualité inférieure pour construire les transfos d'amplificateurs (c'était la guerre). Le problème était amplifié dans les amplificateurs travaillant en classe AB qui ont peu de puissance aux très bas volumes (courant de repos faible). Mais ce n'est plus le cas actuellement et les transformateurs ne méritent plus cette mauvaise réputation.

Dans la plupart des radios et téléviseurs on utilisait un amplificateur single ended, parfois en montage SRPP et la puissance sonore était amplement suffisante.

Mais voyons comment les ingénieurs ont résolu le problème du transfo à entrefer...

Voici le schéma de la partie audio d'une radio des années 1950. A cette époque, pas de fioritures, le circuit le plus simple possible. Pas de transfo d'entrée, la radio est connectée directement au secteur (ce qui permet une alimentation en continu et éventuellement une alimentation sous 110/130V). Les tubes sont de type "Uxxx" qui indique un courant de chauffe de 100mA. On perd 10W en puissance de chauffage dans la résistance de 950Ω, mais cela permet au fabricant d'économiser le transfo d'alimentation.

Le redressement est monophasé et il y a un ronflement assez important. Mais les ingénieurs ont trouvé le truc qui va à la fois réduire les ronflements à 50Hz et le courant permanent dans le transfo.

Le tube de puissance est un UL84, un tube adapté à une tension plus basse (ce n'est sûrement pas l'équivalent du EL84!). Le courant est le plus élevé possible (69mA), ce qui produit une dissipation de 0.9W sur la grille écran et de 11.1W sur l'anode. Le tube est utilisé très près de ses limites, comme pratiquement tous les tubes dans les montages SE. Ce courant qui est relativement important nécessiterait un gros transformateur avec un entrefer important dans un appareil normal.

Mais le transfo est assez spécial: la haute tension arrive par le milieu du bobinage primaire. Là, le courant se divide en deux, une partie est le courant anodique, l'autre partie est le courant qui va aux autres parties de la radio (et fournit également la tension pour g2). Le courant anodique est ainsi compensé en partie par le courant "radio", ce qui permet de réduire la taille du transfo.

Ce montage a naturellement aussi des inconvénients, il y a une perte de puissance audio, mais cela n'était pas très important à l'époque: certaines radios avaient un tube de puissance qui ne pouvait fournir qu'un watt et demi avec 10% de distortion.

A droite le schéma d'un amplificateur stéréo single ended avec deux EL34 dans l'étage de puissance. Made in China et vendu par Alibaba, bien sûr, ils ont trouvé le filon, ces types. Ces tubes sont conçus pour une dissipation anodique de 25W et peuvent en théorie fournir jusqu'à 10W de puissance aux haut parleurs. En pratique la puissance disponible est limitée à 5W si on veut limiter la distortion. Cette puissance est suffisante pour une écoute à la maison.

L'étage de puissance est à charge répartie, qui produit une contre-réaction via la grille écran. Il n'y a pas de contre réaction globale.

Ce qu'on remarque tout de suite sur la photo, ce sont les grands transformateurs de sortie, qui sont nécessaires avec un tel ampli. La double triode préamplificatrice est utilisée en parallèle, ce qui n'est pas nécessaire, le tube de puissance qui travaille au milieu de sa courbe n'a pas besoin d'une puissance élevée.

L'ampli travaille avec une haute tension de 300V et la résistance de cathode de 500Ω indique que l'ampli ne sera pas chargé trop fort. Comme avec tous les amplificateurs single ended, on note la présence d'harmoniques paires. On peut modifier l'effet en utilisant d'autres résistances cathodiques, un courant plus élevé donnant un son plus "chaud" (avec plus d'harmoniques paires) tandis qu'un courant plus faible donne un son moins ample.

Options pour le transformateur

Les transformateurs single ended sont devenus très rares. Les vrais amplificateurs single ended sont très chers, c'est pratiquement une voie sans issue. Les transformateurs single ended sont plus lourds que les transformateurs normaux à puissance égale pour éviter la saturation du fer par le courant permanent. Un transformateur pour ampli single ended a un entrefer important (page consacrée aux transformateurs d'alimentations à commutation)..

Utiliser un autre transfo peut être possible (par exemple un transfo de ligne de distribution à 100V) mais il faudra limiter le courant au repos et éventuellement augmenter la tension d'alimentation, mais cela produit un mauvais transfert de puissance: l'impédance du transfo est généralement de 1kΩ, tandis que celle d'un tube travaillant avec un faible courant de plaque est d'environ 5kΩ. Il ne faut en tout cas pas espérer de puissance élevée, 1 ou 2W pour un transfo de 10W.

Les transfos d'alimentation (ainsi que les transfos pour ligne de sonorisation) sont constitués de tôles en forme de E et de I montées tête-bèche pour réduire au maximum l'entrefer et augmenter le rendement du transfo. Tout comme les transformateurs pour ligne de distribution, les transfos d'alimentation peuvent être utilisés pour adapter l'impédance dans un montage srpp (mais avec des réserves).

Certains transfos d'alimentation peuvent en effet être utilisés comme transfo audio, cela dépend de la qualité du bobinage, mais jamais avec un courant permanent important. Utilisés dans un montage single ended à un tube de puissance, il faut réduire le courant au maximum, ce qui a comme résultat une augmentation de l'impédance du tube. Il faut donc un rapport de transformation élevé pour charger correctement le tube, un transfo 220V / 6V est approprié.

Vous disposez d'un transfo symmétrique en provenance d'un ampli push pull? Construisez un montage push pull, ce type de transfo est fait pour cela. Utilisés en mode asymmetrique, ces transfos fournissent une puissance encore moindre qu'un transfo de ligne de 100V.

Vous avez récupéré un transfo d'une vielle radio (ou télé à lampes)? Attention, c'est peut être le transfo de trame, il ne vous servira à rien. Les anciennes radios à lampes avaient un bon son "chaud et rond comme une lampe", mais c'est un leurre conçu par les ingénieurs. (voir article de Menno van der Veen "Que peut-on apprendre des anciennes radios à lampes"). Conclusion: la puissance est limitée et la distortion élevée.

Ampli single ended avec PL504

Après bien des hésitations, je me suis décidé à fabriquer un ampli single ended avec PL504 pour me rendre compte de la qualité d'un tel amplificateur. L'amplificateur typique d'une ancienne radio à lampe, c'est vraiment de l'histoire ancienne, je voulais me rendre compte si un tel ampli pourrait répondre aux demandes actuelles.

Pourquoi une telle complication???
Pourquoi utiliser un montage SE peu performant???

Les puristes ésotériques ne jurent que par les triodes 300B (spécialement pour vous, il y a deux circuits que vous pouvez utiliser). Avez-vous déjà regardé le prix d'une telle triode?

C'est un tube conçu par Western Electric, repris par les allemands avant la seconde guerre mondiale et actuellement fabriqué en masse en Chine. Le tube est utilisé très près de ses caractéristiques limites et généralement il faut remplacer les triodes au bout de 1000 heures de fonctionnement.

De plus, c'est une triode à chauffage direct (à cette époque la seule manière d'avoir une puissance suffisante). Mais le chauffage direct van vous compliquer la vie...

Les vrais tubes de déflection PL504, PL509 et PL519 sont pratiquement indestructibles, ils sont conçus pour fonctionner en permanence pendant 3 ans! Dans les télés couleurs, il n'était pas rare que l'anode devenait rouge foncé à cause de la dissipation. C'est dire que la qualité de ces tubes était excellente.

Il était donc tout naturel de tenter d'utiliser ces tubes dans un montage hifi. PL504 ca va très bien en pentode single ended (voir mon schéma). PL509/PL519 ca va en montage push pull, mais pas en single ended. En montage SE triode classique la puissance d'un PL509 est trop basse. Il ne reste plus que le montage enhanced triode si on veut utiliser un PL509 en single ended. C'est donc en éliminant tout les circuits boiteux qu'on est arrivé au montage enhanced triode!

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