| 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. Nous décrivons ici un des systèmes pour arriver à cette polarisation: l'utilisation d'une résistance de cathode. |
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Polarisation par résistance cathodiqueLa 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 endedPour 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 polarisation par résistance cathodique est la meilleure méthode (elle permet de stabiliser le courant dans le tube), les autres méthodes ne permettent pas un meilleur rendement. 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 électrolytiqueC'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. Ce système est le plus recommandé si vous voulez un ampli avec polarisation par résistances cathodiques.
1.2 Une résistance de polarisation pour les deux tubes + un seul condensateur électrolytiqueC'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.Quand un des deux tubes est défectueux, tout le courant doit être fourni par l'autre tube, qui va aussi tomber en panne.
1.3 Une résistance de polarisation pour les deux tubes sans condensateurMais 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. Cette configuration n'est que rarement utilisée en pratique.
1.4 CompromisUne possibilité pour avor à la fois une polarisation avec une seule résistance cathodique et avoir la possibilité de compenser les petites différences dans les deux tubes, c'est d'utiliser le dernier schéma montré à droite, avec une légère tension positive sur la grille de commande (réglable vers l'un ou l'autre tube). Quand on veut utiliser une polarisation par résistances cathodiques, la résistance commune est la meilleure solution (symmétrie maximale).Pour régler la balance statique entre les deux tubes il faut mesurer le courant cathodique avec une résistance de 1Ω à chaque cathode (voir points rouges), la mesure se fait aux bornes de chaque résistance. Pratiquement, il y a peu de différences entre les systèmes à l'écoute.
AutobiasQuand 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.
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..
Les transistors commutent brusquement et produisent un effet qui est très audible.
A cette époque la plupart des amplificateurs avaient une polarisation par résistance cathodique, plus simple à mettre en œuvre et l'indication "fixed bias" veut en fait dire que la puissance est mesurée avec une polarisation fixe, mais que l'ampli est utilisé en pratique avec une polarisation par résistance cathodique. Le condensateur de 50µF est suffisant pour maintenir la tension constante pendant les pics musicaux.
Amplificateurs modernesQuand on réalise un amplificateur moderne, on tente de tirer le maximum des tubes utilisés. La polarisation par résistance cathodique n'est alors plus une solution valable car l'ampli doit travailler en classe A et dissipe beaucoup d'énergie en pure perte. Les tubes sont utilisés près de leurs limutes.Il vaut mieux faire travailler l'ampli en classe AB avec un courant de repos limité (la plupart des tubes peuvent fonctionner avec un courant de repos de moins de 10mA (dissipation anodique au repos de 3W)). Le courant passe à 150mA à puissance maximale (dissipation en pointe dans les tubes de 45W).
Low loadingLe low loading est décrit ici. |
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.
La distortion de raccordement avec un amplificateur à transistors.
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