Amplificateurs à tubes
Commande sur la grille-écran
 

Le tube de puissance peut être commandé sur g2 (grille écran) au lieu de g1 (grille de commande).
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La commande sur g2 (la grille-écran) a été utilisé pour la première fois dans les amplificateurs à courant continu.

Un amplificateur classique reçoit son signal sur la grille g1 et le signal amplifié est prélevé sur l'anode. La tension sur l'anode est environ 100V plus élevée que la tension sur la grille. Chaque étage d'amplification augmente ainsi la tension d'alimentation nécessaire d'environ 100V. En pratique on ne construit pas d'amplificateurs à plus de 3 étages, cela nécessite une tension d'alimentation de 400V. Ces trois étages sont suffisants pour amplifier un signal de 1mV pour commander un relais.

Mais la grille g2 se trouve à un potentiel plus élevé, on peut avoir une tension identique sur g2 et sur l'anode. L'anode d'un étage peut ainsi être branché directement à la grille du tube suivant. Comme une commande sur g2 nécessite un peu de puissance, l'amplification d'un étage est limité à 20×.

En pratique la tension sur g2 est environ 10 à 20% inférieure à la tension sur l'anode, cela permet de réduire le courant de commande nécessaire et donc augmenter l'amplification. Avec un amplificateur à 4 étages, on a les tensions suivantes:

  • premier étage: entrée sur g1, tension sur l'anode de 60V
  • second étage: tension sur g2: 60V, tension sur l'anode: 90V
  • troisième étage: tension sur g2: 90V, tension sur l'anode: 120V
  • quatrième étage: tension sur g2: 120V, tension sur l'anode: 180V.
Une tension d'alimentation de 300V est suffisante pour un amplificateur à 4 étages, alors qu'il faut 400V pour un amplificateur à 3 étages à commande sur g1.

Ce type d'amplificateur était extrèmement difficile à stabiliser. Une légère variation de la tension d'alimentation faussait la mesure. L'amplificateur devait être alimenté en permanence pour éviter la dérive. On est vite passé aux amplificateurs à signal alternatif, où la tension à amplifier est modulée, ce signal alternatif est ensuite amplifié et puis détecté.

La commande sur g2 a définitivement été abandonnée avec l'arrivée de transistors comùplémentaires qui ne nécessitaient pas de condensateurs de couplage. Mais on a gardé à l'esprit qu'une commande sur g2 donnait moins de déformations du signal.

Les pentodes qui sont le mieux adaptées à la commande sur g2 sont celles qui ont un rapport élevé courant anodique/courant g2. Les tubes de déflection ligne des téléviseurs sont de bons candidats. Ces tubes ont une construction particulière, avec les spires de la grille g2 qui se trouvent dans l'ombre des spires g1. Ce ne sont pas de vraies pentodes, mais des tétrodes à flux dirigé.

Il s'agit d'un squelette du montage: la valeur des composants (étage préampli et déphaseur) se trouve sur la page de l'ampli avec EL509. L'alimentation et le circuit de protection y sont également décrits.

Le signal doit avoir un niveau CD (500mV effectif).

Un amplificateur à lampes peut être très simple, et en modifiant quelques composants on peut en modifier le rendu sonore.

Contre-réaction

Le schéma n'a pas de contre-réaction globale, qui n'est pas nécessaire car nous pouvons réduire les déformations à moins de 1%, même sans contre-réaction. L'amplificateur est plus stable.

Comme il n'y a pas de contre-réaction globale, le circuit ne nécessite pas de correction de phase. Deux étages amplificateur de tension sont suffisant (l'étage préamplificateur et l'étage de puissance).

La qualité de l'ensemble est fortement déterminée par le transformateur de sortie, puisqu'il n'y a pas de contre-réaction pour le linéariser. On recommande l'emploi d'un transformateur toroïdal (R = 2.4kΩ, 50W).

L'étage de puissance travaille en classe AB très près du cut-off. Quand un tube est pratiquement bloqué, le courant que le tube fournit est fortement réduit et son impédance augmente brusquement. Des oscillations amorties peuvent ainsi apparaitre. On les élimine par un petit condensateur de 100pF entre l'anode du tube de puissance et la grille g2. La valeur du condensateur doit être déterminée expérimentalement. Il en faut bien sûr 2 par canal.


Fonctionnement de la contre-réaction

La commande par la grille g2 est également utilisée dans les modulateurs pour produire un signal AM. La première grille reçoit le signal haute fréquence (la porteuse), tandis que le signal basse fréquence est appliqué à la grille-écran et modifie l'amplitude de la porteuse.

Commande sur g2
(etage de puissance single ended)

Les tubes de déflection ligne sont donc ainsi parfois utilisés avec commande sur la seconde grille (g2, grille écran) au lieu de la grille de commande g1. C'est principalement le cas quand les tube est utilisé comme amplificateur single ended (pas de push pull).

La déviation du signal qui est nécessaire pour commander totalement le tube de puissance est pratiquement identique à la tension nécessaire sur g1, mais il est nécessaire de fournir de la puissance (comme avec un amplificateur à transistors).

La puissance disponible avec une commande sur g2 est environ 10% moindre qu'avec une commande sur g1. La commande sur g2 peut être comparée à un montage UL (ultralinéaire).

Comme étage de commande on peut utiliser un tube EL84. La pentode est connectée en triode avec anode commune (montage à anode commune ou cathode suiveuse). Il y a un courant maximal de 35mA dans le tube (25mA pour la résistance de cathode et 10mA dans g2). Le tube EL84 a une dissipation d'anode de 5W.

Commande sur g2
(étage de puissance push pull)

Il est possible de construire un amplificateur push pull avec des tubes PL504 et commande sur la grille g2. Grâce au montage push pull on peut utiliser un courant de repos plus bas, et donc également un courant g2 plus bas, ce qui nous permet d'utiliser une triode ECC82 plus commune. La triode est également branchée en cathode suiveuse. Le courant est établi à 10mA (5mA pour la résistance de cathode et 5mA pour g2). La résistance de cathode est de 27kΩ et la tension est de 130V. La dissipation à l'anode est de 1.7W, nous sommes sous la limite de 2.75W (qui est quand même un peu trop optimiste).

JJ Electronic (un fournisseur bien connu de tubes amplificateurs) produit un ECC99 qui a un socquet noval normal bien que la nomenclature ECC99 indique que le socquet aurait du être B7G. La résistance de cathode est de 15kΩ et la dissipation à l'anode est de 2.9W (la dissipation maximale est de 3.5W selon la fiche signalétique).

On utilise donc un ECC82 pour commander une paire de PL504 et un ECC99 pour commander deux PL519.

La tension du tube de commande doit pouvoir être réglée entre 100 et 160V, cette tension détermine également la tension sur g2. Si elle est bien ajustée, le montage permet un taux de distortion inférieur à 1%. Mais il est possible de faire encore mieux.

L'entrée g2 produit une amplification linéaire, c'est justement la raison de commander ke tube sur g2 au lieu de g1. Un signal appliqué sur g1 produit une distortion plus importante, mais on va justement utiliser cet effet à bon escient. On va notament utiliser une contre-réaction locale sur g1.

Un signal appliqué sur g1 produit une distortion plus importante qu'un signal appliqué sur g2. Si on injecte la contre-réaction (un signal antiphase) sur g1, on arrive à un point où la distortion plus importante sur g1 compense exactement la distortion d'un signal appliqué sur g2. C'est évidement un cas limite, mais en pratique on peut obtenir une plus grande réduction de la distortion que ce qui n'est possible avec une contre-réaction locale normale.

Procédure de réglage

On commence les réglages sans la contre-réaction locale (en vert). On règle l'amplificateur pour un courant anodique relativement bas de 30mA pour le PL504 et de 50mA pour le PL519 (haute tension de 300V). Grâce aux caractéristiques interessantes de la commande sur g2, on peut faire fonctionner les tubes plus près de leur cut off (tension g1 plus négative).

On règle g2 pour minimaliser la distortion. La tension exacte dépend du transfo de sortie utilisé et de la tension d'alimentation. Il y a également une interaction entre g1 et g2. Il faut obtenir une distortion minimale aux faibles amplitudes du signal (distortion propre à un fonctionnement en classe AB) et aux fortes amplitudes du signal (début du clipping). Il faut tenter d'obtenir une distortion inférieure à 1% à toutes les puissances.

Si la distortion est plus importante aux faibles niveaux sonores, il faut légèrement augmenter le courant anodique, si les distortions sont plus importantes aux nveaux sonores élevés il faut réduire un peu le courant anodique.

Après cette phase on peut encore réduire les distortions en ajoutant la contre-réaction locale (partie verte). La valeur des résistances doit être déterminée par l'expérimentation, mais une valeur 100× supérieure à la résistance de 1kΩ branchée au condensateur est une bonne valeur pour commencer.

Explication graphique

  • A: les distortions qui apparaissent quand on applique le signal sur g2.
    C'est la distortion que nous avons sans contre-réaction.

  • B: la distortion qui apparait si on applique le signal sur g1.
    Il s'agit d'une distortion virtuelle, puisqu'on n'applique pas de signal sur g1.

  • C: la contre réaction (signal inverse et d'amplitude plus faible) est appliqué sur g1 et produit la distortion inverse de B.
    La distortion est plus faible que B puisque la contre-réaction est plus faible, et inverse, puisqu'il s'agit d'une contre-réaction.

  • D: le résultat: la distortion du signal est compensée par la contre-réaction, qui produit une distortion plus importante, mais inverse.
    La contre-réaction peut donc être beaucoup plus faible, et il y a un point où les deux distortions s'annullent presque.

Il faut bien se rendre compte que la contre-réaction locale est très limitée (3 à 6dB), l'influence sur le son est à peine perceptible. La valeur des résistances doit être déterminée pour avoir la distortion la plus bsse possible (changer les deux résistances à la fois). Au contraire d'une contre-réaction classique, ici les distortions augmentent à nouveau si la contre-réaction est trop forte.

La contre-réaction sur g1 ne peut pas être appliquée à un montage classique (avec commande sur g1) car g1 est déjà utilisé pour le signal. Une contre-réaction ferait chuter l'impédance d'entrée, ce qui rendrait impossible une commande correcte du tube de puissance. Comme on applique ici le signal sur g2, l'impédance de g1 ne joue aucun rôle.

La commande sur g2 et la contre-réaction locale permettent de réduire l'intermodulation à moins de 1%, ce qui était jusqu'à présent difficilement réalisable avec des amplificateurs à lampes.

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