Amplificateurs à tubes
Polarisation de la grille de commande
Polarisation

La grille de commande (g1) doit avoir une tension négative par rapport à la cathode pour pouvoir commander correctement le courant circulant dans le tube.
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La polarisation des tubes preéamplificateurs est expliquée ici. Deux systèmes sont utilisés: une résistance de grille de valeur très élevée ou une résistance cathodique.


Polarisation de la grille via une résistance de cathode avec découplage par condensateur
(étages de commande et de puissance single ended)


Le condensateur bleu peut être éliminé en cas de fonctionnement en classe A sans auto-bias

La grille de commande doit avoir une tension légèrement négative par rapport à la cathode pour pouvoir commander le flux d'électrons. Plus la grille est négative, et plus elle repousse les électrons, qui ne peuvent alors pas aller à l'anode. Dans les tubes préamplificateurs, on utilise soit une résistance de grille de valeur élevé, soit une résistance de cathode.

Pour les tubes de puissance on utilise soit une résistance de cathode, soit une polarisation fixe négative appliquée à la grille de commande.

1 Résistance cathodique

La résistance cathodique est le système le plus simple pour obtenir la polarisation de la grille. La chute de tension à travers la résistance produit la polarisation correcte. Si le courant augmente, la polarisation négative augmente également, rendant le système assez stable.

1.0 Etage single ended

Pour les amplificateurs single ended qui doivent fonctionner en classe A, on utilise cette méthode. La puissance relativement faible d'un tel amplificateur fait qu'il n'est pas très utile d'utiliser un système plus complexe, l'ampli complet ne nécessitant qu'une dixaine de composants au total.

La résistance est cours-circuitée par un condensateur qui laisse passer les fréquences audio. Sans ce condensateur, le tube n'amplifierait pas beaucoup et son impédance interne serait très élevée. Un condensateur de 50 à 100µF suffit pour un petit amplificateur single ended.

Bien que l'effet du condensateur de découplage soit important, cela ne sert à rien de choisir une valeur trop élevée, le tube amplifie alors des fréquences très basses que le transformateur de sortie n'est pas en mesure de transmettre au secondaire. Les transformateurs single ended ne sont généralement pas en mesure de transmettre une fréquence plus basse que 50Hz (à cause de l'entrefer nécessaire pour éliminer les risques de saturation). On augmente alors surtout la distortion d'intermodulation. Une valeur trop élevée peut également produire un effet de motorboating (le bruit d'un moteur tournant au ralenti).

C'est une erreur que beaucoup d'apprentis font: ils utilisent le condensateur de la valeur la plus élevée qu'ils ont, permettant à l'étage de puissance d'amplifier des signaux de 0.2Hz... Que ni le transfo ni le haut parleur ne peuvent reproduire.

Ce que les néophytes font également, c'est d'ajouter en parallèle un condensateur non-polarisé de 0.22µF, cela se fait sur les schémas dans les magazines spécialisés qui font dans les cables oxygen free et les filtres de secteur à 1995.75€, mais l'effet est négligeable à condition d'utiliser des condensateurs électrolytiques d'une bonne marque. Il vaut mieux régler correctement les différents étages, l'effet sera plus notable qu'un petit condensateur en plus.


Mais comment connecter la résistance de polarisation dans le cas d'un amplificateur push pull?

1.1 Une résistance de polarisation par tube + condensateur électrolytique

C'est la solution la plus simple et qui est souvent également la meilleure. La résistance est découplée par un condensateur électrolytique qui forme un cours-circuit pour les fréquences audibles. L'avantage de ce système est qu'on peut utiliser des tubes qui ne sont pas parfaitement pairés car les résistances égalisent les courants.

Le déplacement du point de fonctionnement qui apparait en cas de forte charge n'est pas nécesairement le même pour les deux tubes, ce qui fait que ce système produit des distortions un peu plus importantes à forte puissance.

1.2 Une résistance de polarisation pour les deux tubes + un seul condensateur électrolytique

C'est un système qui est souvent utilisé, mais nécessite pour fonctionner correctement des tubes qui sont pairés. Ici aussi il y a un auto bias qui se produit, mais qui ne cause pas une augmentation de la distortion. Il n'est pas nécessaire d'acheter des tubes pairés pour les basses puissances, pour autant que les tubes ne fonctionnent pas trop près de leurs limites.

1.3 Une résistance de polarisation pour les deux tubes sans condensateur

Mais on peut éliminer le condensateur électrolytique. Cela se fait dans de nombreux montages préamplificateurs (montage Williamson) et permet de réduire l'asymmétrie et donc de fortement réduire les distortions.

Pourquoi peut-on éliminer le condensateur? Dans un ampli push pull quand le courant augmente dans un tube, il se réduit dans l'autre tube. Le courant moyen dans la résistance est donc constant, quel que soit le signal appliqué au tube.

Ce montage ne peut être utilisé qu'avec les amplificateurs qui travaillent en classe A. Il nécessite également des tubes pairés. L'impédance des tubes augmente, ce qui réduit la puissance disponible.

Pratiquement, il y a peu de différences entre les trois systèmes à l'écoute.

Autobias

Quand le tube amplifie du signal alternatif, il se produit un déplacement du point de fonctionnement (auto bias). En moyenne, le courant dans le tube augmente un peu, ce qui fait se déplacer le point de fonctionnement qui se dirige de la classe A vers la classe AB. C'est généralement une bonne chose, car cela permet de produire une puissance un peu plus élevée. A basse puissance les tubes fonctionnent en classe A, qui produit moins de distortions. Plus la puissance augmente et plus le point de fonctionnement se déplace vers la classe AB.

L'autobias apparait avec tout les montages qui ont une résistance de polarisation cathodique. L'effet est plus ou moins présent, il est très apparent avec les tubes PCL805 qui peuvent fournir un courant important.

Les systèmes avec résistance de polarisation cathodique et condensateur électrolytique ne peuvent pas être mesurés correctement avec un signal sinusoïdal (par exemple pour mesurer la puissance et la distortion). Quand on mesure les caractéristiques de l'amplificateur à forte puissance, les tubes fonctionnent en classe AB, mais en pratique l'amplificateur est utilisé pour amplifier de la parole ou de la musique. L'amplificateur ne travaille que très peu en classe AB. C'est ici qu'est apparu le terme de "puissance musicale" pour définir la puissance instantanée de l'amplificateur. Un ampli peut ainsi avoir une puissance musicale de 100W, mais une puissance continue de 30W.


Polarisation par tension négative C - et D -


Montage cross coupled

A droite le signal d'un oscilloscope: en cyan le signal à l'entrée et en orange le signal à la sortie avec une amplitude de 4Vpp (puissance de 250mW pour un ampli qui peut fournir 50W). Le polarisation négative de la grille est trop importante.

Lors du passage d'une amplitude positive à une amplitude négative (et inversément) il y a une distortion de raccordement (crossover). Il y a un court moment où les deux tubes ne sont pas ou trop peu en conduction. Cela peut se produire avec des amplis à lampes où on recherche la puissance maximale (amplificateurs de sonorisation). La distortion de raccordement est plus manifeste dans les passages à bas volume, mais l'effet est beaucoup plus progressif qu'avec des transistors. L'effet avec des tubes ne s'entend pas tellement, nos oreilles y sont moins sensibles, pour autant que la courbe n'est pas hachée.

Dans un amplificateur à lampes, il peut arriver que le transfo de sortie oscille à haute fréquence (oscillations amorties ou "ringing") lors du passage d'un tube à l'autre. Un filtre de boucherot (10kΩ - 10nF) branché en parallèle sur le primaire peut éviter ces oscillations..

La distortion de raccordement avec un amplificateur à transistors.

Les transistors commutent brusquement et produisent un effet qui est très audible.

2 Polarisation par tension négative

Les tubes de puissance ont besoin d'une polarisation de g1 de plus de 10 volts. Il se produit ainsi une perte de rendement dans la résistance cathodique. La tension d'alimentation est également réduite par la chute de tension. Pour les amplificateurs de puissance plus élevée, on donne la préférence à une polarisation négative. Cette polarisation est produite par un bobinage supplémentaire du transfo d'alimentation.

Ce montage n'est pas auto-correcteur: une augmentation du courant dans le tube ne produit pas une augmentation de la polarisation. Les amplificateurs doivent ainsi avoir un réglage de la polarisation (et de préférence un réglage par tube). Ce réglage doit être fait précisément pour produire un courant de valeur déterminée: si le courant est trop faible, le push pull travaille trop en classe AB (distortion plus élevée à bas volume), si le courant est trop fort, on risque de dépasser les caractéristiques des tubes. Le réglage doit être refait au bout de 10h de fonctionnement du tube, et puis toutes les 100 heures.

Il y a généralement une résistance cathodique de très faible valeur (1Ω): elle sert à mesurer le courant dans le tube et ne joue aucun rôle en ce qui concerne la polarisation.

La polarisation négative permet de régler précisément le point de fonctionnement des tubes et on peut ainsi modifier la classe de fonctionnement. Une classe AB suffit pour un amplificateur de public address.

Il est recommandé de prévoir des mesures de sécurité si la tension négative n'est pas présente, par exemple un relais qui est activé par la tension négative et enclenche la haute tension. Un autre système est de prévoir des fusibles correctement calibrés.

Les amplificateurs à polarisation négative fournissent généralement une puissance plus élevée qu'un même circuit où on utilise la polarisation par résistance de cathode. L'utilisation de tubes pairés est recommandée.

La polarisation par une tension négative n'est pas si unique: dans les tout premiers postes de radio, on utilisait une batterie pour fournir la polarisation correcte des triodes (on ne connaissait rien d'autre à l'époque). La batterie était composée de plusieurs éléments de 1.5V et on pouvait prélever la tension de polarisation correcte pour chaque lampe (par pas de 1.5V). La consommation étant nulle, la batterie tenait le coup de longues années. Il s'agit de la batterie "C" (la batterie A fournit la tension de chauffage et la batterie B la haute tension).

Cross coupled

Le terme "cross coupled" est normalement utilisé pour désigner le déphaseur cross coupled, mais ce terme peut également être utilisé pour signaler qu'un étage symmétrique est branché de telle manière que le courant dans un tube controle le courant dand l'autre tube pour assurer une meilleure symmétrie statique.

Un tel montage n'est plus tellement utilisé en pratique (perte de tension dans les résistances de polarisation).

Quel système choisir?

La polarisation par résistance cathodique est plus simple et donne de très bons résultats quand le signal audio est à basse amplitude car l'ampli travaille en classe A. Quand l'ampli reçoit un signal plus puissant, il passe à une classe AB. Contrairement à un ampli classique, le courant anodique diminue aux forts volumes et cela limite la puissance que l'ampli peut fournir (-25%). Ce n'est vraiment pas le but recherché. Quand on règle l'ampli à puissance maximale pour avoir la distortion la plus faible possible, la dissipation est souvent trop élevée à faible volume.

Les déformations qui apparaissent alors sont très caractéristiques: quand l'ampli travaille à puissance élevée, les petites nuances disparaissent, le son devient "rugeux". Un son similaire apparait quand l'ampli n'a pas encore chauffé suffisamment.

La polarisation par tension négative est un peu plus complèxe à mettre en œuvre et nécessite un réglage du courant de repos, car le montage n'est pas auto-stabilisant. Il faut un réglage manuel de la polarisation.

Il est possible de faire un asservissement avec un ampli opérationnel avec une constance de temps très élevée pour stabiliser automatiquement le courant. Cela semble un système tout simple, mais cela n'est pas le cas: il faut une stabilisation lente (1 minute) en fonctionnement normal et une régulation rapide si le courant dépasse la limite de la dissipation autorisée.

Le courant augmente avec l'intensité du signal (30% ou plus). Un fonctionnement avec un courant de repos très faible n'est pas idéal, car le tube a alors un taux d'amplification très faible (fonctionnement près du coude des caractéristiques Ug/Ia)

Explications concernant les graphiques

Les graphiques ci-dessous semblent montrer qu'il y a de grandes différences entre les différentes possibilités de montage. En pratique il n'en est rien (surtout pour les puissances plus basses). Des tests comparatifs avec des pentodes PCL86 et PCL805 ont démontré que le type de polarisation n'a que peu d'influence. La différence entre un taux de distortion de 1% ou 2% ou une puissance de 14 ou 15W ne s'entend pas en pratique.

Mesure des distortions, mesurée sur un ampli complet avec tubes de puissance EL84 en montage pentode, transfo toroide adapté, contre-réaction débranchée, préampli en montage williamson capable d'alimenter des tubes qui nécessitent une tension de commande trois fois plus importante, résistance ohmique comme charge, tension d'alimentation de 280V, courant anodique de 40mA, signal de test de 400Hz injecté sur la résistance de contre-réaction. A chaque test on ne modifie que le montage de la polarisation des tubes.
  • 1 une résistance et condensateur par tube
    Ce montage fonctionne très bien aux basses puissances. L'augmentation de la distortion peut être causé par un passage en classe AB qui est différent pour les deux tubes. Ce type de montage est standard pour les basses puissances (jusqu'aux tubes EL84).

  • 2 résistance et condensateurs communs
    Un résultat moyen qui dépend de la qualité des tubes (pairage).

  • 3 résistance commune sans condensateur
    Grâce à la contre-réaction intégrée, ce schema produit une distortion très faible aux basses et moyennes puissances, sauf quand le montage passe en classe AB et que la contre-réaction interne n'a plus aucun effet.

  • 4 polarisation négative fixe (30mA, augmentant à 40mA en charge)
    La polarisation négative fixe a été réglée pour un courant de 30mA au repos, ce qui correspond à un courant de 40mA à charge maximale (le courant augmente à partir d'une puissance moyenne et il ne faut pas surcharger les tubes). Le montage fonctionne toujours en classe AB, ce qui explique la remontée de la distortion aux basses puissances.
Les courbes se ressemblent très fort et la distortion devrait encore diminuer avec la contre-ré&action enclenchée, jusqu'à une puissance de 15W environ. A partir de cette puissance, les tubes commencent à limiter, et la contre-réaction ne peut pas contenir ce phénomène.

Low loading

Dans certains montages on utilise les tubes en "low loading" (charge réduite). On réduit le courant de plaque de 25% environ en comparison de la courbe normale et on permet au courant d'augmenter pendant les pics d'amplitude. Il se produit automatiquement un déplacement du point de fonctionnement à haut volume (vers le courant nominal): à puissance maximale les tubes sont alors parfaitement polarisés. La charge réduite est obtenue en augmentant la valeur de la résistance de cathode (et en augmentant si nécessaire la tension d'alimentation: on peut remplacer le tube redresseur par un redresseur au silicium).

Le graphique à gauche est réalisé avec une paire de tubes EL84, une résistance et condensateur par tube, tension nominale de 320V, courbe pour un amplificateur Mullard et transformateur d'époque. La puissance indiquée est une puissance musicale, mesurée avec une impulsion à 400Hz de 100ms par seconde, ici aussi avec contre-réaction débranchée.

La mesure RMS (puissance continue) est indiquée en tirets, cette puissance ne peut pas être maintenue (dépassement de la dissipation anodique).

La courbe ne peut pas être comparée avec la courbe précédente, qui a été établie avec une mesure de puissance différente.

  • En fonctionnement normal (courbe bleue) chaque résistance cathodique a une valeur de 270Ω, la puissance dissipée dans le tube est d'environ 11W, très proche de la valeur limite du tube. C'est le système le plus souvent utilisé qui produit en fait le taux de distortion le plus élevé. Avec un courant de plaque plus élevé, les tubes fonctionnent plus près de la classe A avec un taux de distortion plus bas aux faibles puissances.

  • Le fonctionnement à polarisation négative fixe sur la grille (courbe rouge) est recommandé quand il faut une puissance relativement constante. Il s'agit de sonorisation de locaux avec circuit compresseur qui réduit la dynamique. L'amplificateur travaille constamment dans la zone la plus optimale (puissance de 10 à 16W). La polarisation négative fixe de la grille empèche le déplacement du point de fonctionnement.

  • Le fonctionnement en low loading (courbe verte) est adapté à une utilisation domestique normale. Le circuit profite au mieux de l'auto-bias, mais cette construction n'est pas adaptée à un fonctionnement constant à puissance élevée: le point de fonctionnement se déplace vers une région où les distortions sont plus importantes. Résistance de cathode de 430Ω courant de 24mA, la puissance dissipée dans le tube est ramenée à 7.5W.
Les fabricants d'amplificateurs à tubes modernes préfèrent utiliser une polarisation négative fixe sur la grille, qui permet des mesures RMS plus vantageuses.

Certains tubes comme les EL34 qui sont alimentés avec une HT plus haute que la norme travaillent en fait en low loading. La puissance disponible est ainsi plus élevée.

Le low loading n'est pas comparable a un fonctionnement en classe AB: le low loading est défini comme un fonctionnement avec une résistance cathodique de valeur plus élevée.

Le low loading est parfois utilisé spécifiquement dans l'étage préamplificateur d'un ampli single ended pour introduire des distortions (harmoniques paires) qui vont réduire les distortions de l'étage de puissance single ended. Tout cela est expliqué un peu plus en détail sur cette page: triodes, pentodes, harmoniques paires et impaires

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