Amplificateurs à tubes
Remplacement d'un montage williamson par des transistors
Petits détails

Nous voulon remplacer un montage Williamson par un montage transistorisé. Voici quelques point à noter.
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Choix des transistors

L'emploi de transistors haute tension est nécessaire. Ne pas utiliser de transistors destinés à la commutation (alimentations secteur), ces transistors ont un gain très faible quand le courant est bas.

Un type qui a un gain acceptable est le BF422 (hfe = 70, tension maximale = 250V). La dissipation maximale est de 500mW, donc un courant par transistor de 3mA au maximum. Vous êtes safe si la résistance de collecteur fait 56k ou plus (tension d'alimentation de 250V). Ce transistor peut être utilisé comme transistor "haut" dans tous les montages si les limites ne sont pas dépassées. Dans les montages que j'ai réalisé, j'ai obtenu un gain hfe de 130.

Un transistor qui peut être utilisé comme transistor "bas" c'est le BC546 (a, B ou C). Ce transistor accepte une tension de collecteur maximale de 60V. Dans les montages cascode, la tension de collecteur ne dépasse pas les 30V. C'est un transistor linéaire, adapté pour les applications audio. Le gain en courant de ce transistor va de 215 (courant de 0.75mA à 470 (courant de 1.2mA) et dépend fortement des versions. Dans un montage cascode, le gain en courant très élevé permet une amplification en tension d'un facteur 620.

J'ai utilisé des BSS38 pour la partie basse; ces transistors résistent à une tension de 100V, mais le gain en courant est plus faible. Le courant de base est alors plus élevé, ce qui provoque uen chute de tension sur la résistance de base et un fonctionnement un peu asymmétrique si les deux résistances vers la masse n'ont pas la même valeur. J'ai construit mes montages principalement avec ce transistor, car j'en avais assez en stock. Je pouvais ainsi fabriquer 4 circuits avec les mêmes transistors mais un schéma différent. Le gain en courant est de 42 (mesuré) et cette faible amplification fait que le même montage qui donnait un gain en tension de 620× ne donne plus qu'un gain de 250× dans le même montage cascode.

Un transistor qui peut à la fois fournir un courant important et qui peut travailler sur une haute tension est le BUX87. Son gain le plus élevé est avec un courant de 10mA (120×), le gain à 1mA est de 80×.

Cette chute du gain en courant est caractéristique d'un transistor conçu pour la commutation, mais ce transistor peut malgré tout être utilisé ici.

Ce transistor peut travailler avec une haute tension de 450V: il ne faut donc pas prévoir de mesures particulières pour réduire la haute tension. On peut réduire la résistance de collecteur à 22k et un petit refroidisseur suffit.

Certains montages utilisent également des tubes (doubles triodes). Ici le choix est limité: on utilisera de préférence un ECC81 qui a une amplification élevée (µ = 60) et qui peut fournir 1.5mA sans distortions.


Alimentation à lampes pour tester un préampli à transistors


Forme du signal en sortie du circuit
f = 10kHz, input = 100mV, output 78V (gain = 780×)
Montage double cascode à 4 transistors BC546B et BF422


Prototype qui remplace une double triode


Des dixaines de combinaisons et schémas ont été testés

Les circuits qui sont montrés sont totalement symmétriques du début à la fin, c'est nécessaire pour linéariser le fonctionnement des transistors. Chaque circuit commence avec un montage long tail (aussi appellé déphaseur de Schmitt). Des essais avec d'autres types de circuits n'ont pas donné de bons résultats. Un avantage supplémentaire, c'est que ce circuit symmétrique réduit l'influence du ronflement du secteur. Ce ronflement étant présent sur les deux phases, il est automatiquement éliminé.

Image à droite:
Comme c'est ironique: l'alimentation utilisée pour tester mes amplificateurs à transistors est une alimentation à lampes, une alimentation Philips PE1530.
Les lampes qui fournissent le courant sont deux EL34 en parallèle. L'appareil fournit une tension jusque 330V (maximum 150mA) ainsi qu'une tension de polarisation négative jusqu'à -85V. Il y a deux sorties isolées 6.3V alternatif.

Calcul du gain nécessaire

Notre but est de commander une paire de EL84 (tension alternative nécessaire de 2 × 10V effectifs) jusqu'à une paire de EL509 (40V effectifs). Le signal à l'entrée est de 500mV effectifs. Cela nécessite donc une amplification de 20× pour commander une paire de EL84 et 80× pour une paire de EL509 (26 et 38dB). Nous voulons une contre réaction de 15dB (atténuation de 5.6×). Le gain total nécessaire est de 46dB (EL84), soit 200× ou 53dB (EL509) soit 450×.

Le gain le plus faible de 46dB peut être atteint avec tous les montages, même ceux qui utilisent des transistors à gain en courant plus faible. Pour obtenir l'amplification la plus élevée, il faut utiliser des transistors à gain en courant élevé autrement la sensibilité désirée ne sera pas atteinte quand on connecte la contre réaction. C'est principalement le transistor "du bas" qui détermine l'amplification en tension du montage.

Dans certains cas, le gain est tellement élevé que le montage devient instable dès qu'on enclenche la contre-réaction. Il est judicieux de choisir un montage avec un gain juste suffisant pour pouvoir se contenter d'une contre réaction modérée. Le montage cascode est le montage le plus stable.

En plus du gain, il faut que le montage produise un signal d'amplitude suffisante sans distortion. Un push pull avec EL84 a besoin de deux fois 10V (28.2V p-p) tandis qu'un ampli avec EL509 nécessite jusqu'à 40V effectifs (112V p-p). Dans ce dernier cas il faut une tension d'alimentation de 250V ou plus et une tension de collecteur à 150V environ.

Bande passante

Je ne suis absolument pas fan des théories de Williamson (l'amplificateur de Williamson est décrit ici), qui dit que l'amplificateur doit avoir la bande passante la plus étendue possible. La stabilité du montage doit alors être assurée par des composants triés sur le volet un un transformateur pratiquement parfait.

Comme de plus la contre réaction est prélevée au secondaire du transfo, les caractéristiques du haut parleur peuvent influencer le déphasage. Un ampli qui était parfaitement stable sur charge fictive peut se mettre à hurler si on branche un haut parleur. C'est pour compenser ce déphasage que les amplificateurs à transistors, qui ont toujours un gain "open loop" très élevé, ont en sortie un filtre RC sensé compenser le déphasage du haut parleur (R = 10Ω C = 0.47µF).

Je préfère limiter d'office la bande passante à 30kHz (de toute façon ce sont des fréquences que vous ne pouvez pas entendre), ce qui élimine les dépassements sur signal carré (overshoot et ringing). Les déphasages qui peuvent se produire se retrouvent ainsi hors de la bande passante de l'ampli et ne produisent pas d'accrochage. Aucun risque de voir ses tweeters partir en fumée parce que l'amplificateur émet sur la fréquence de BBC World Service en grandes ondes.

Cette manière de faire permet d'utiliser des composants de fonds de tiroir, dont les caractéristiques sont bonnes, mais qui ne correspondent pas parfaitement aux spécifications. Cela ne veut évidemment pas dire qu'on peut utiliser des composants fatigués, des résistances carbone 20% et des condensateurs goudronnés Ero en provenance de la radio trouvée dans le grenier.

Le petit circuit à droite est un prototype qui remplace une double triode. Le schéma ne correspond pas vraiment à ce qui a été réalisé après, le troisième transistor servait de source de courant, mais ce n'était pas la bonne solution: le circuit correct à utiliser ce sont deux résistance individuelles pour l'émetteur et un couplage par condensateur électrolytique.

Le test de chaque configuration a été réalisé avec plusieurs types de transistors (pour les tubes, il n'y a pas tellement de choix: c'est un ECC81).

  • La meilleure combinaison est celle avec un transistor dans la partie inférieure et une triode dans la partie supérieure: elle produit le gain le plus élevé, peu de distortions et un clipping soft (limitation douce au lieu d'un crash contre un mur en béton). La triode augmente par contre l'impédance de sortie, surtout dans un montage cascode.
  • Le montage cascode a l'avantage de forcer le transistor du bas à travailler avec un courant plus important ce qui le pousse vers une zone de fonctionnement plus interessante.

Quel montage choisir?

Les différents montages ont été testés avec un ampli avec deux EL509. Ils permettent tous de commander des tubes de puissance avec une réserve de puissance si la HT fait 250V. Le gain total (amplification de tension) est déterminé en grande partie par le gain des transistors du bas (hfe).
  1. Le circuit avec deux montages de schmitt (long tail) utilise le moins de composants. Il a un gain très élevé et produit un signal linéaire de grande amplitude, mais le clipping, quand il se produit est "hard". Ce circuit à l'impédance de sortie la plus basse. De tous les circuits testés, c'est ce circuit qui a le plus tendance à osciller (montage isolé sans étage de puissance), surtout avec des transistors préampli à gain élevé.

  2. La double cascode à transistors est plus complexe mais produit un signal pratiquement parfait. Le gain est moyen mais suffisant (il dépend presque exclusivement du gain en courant des transistors inférieurs). Les montages cascodes se sont avérés les plus stables.

  3. L'ampli double schmitt avec transistor et triode combine les avantages des deux circuits avec un gain élevé et un soft clipping.

  4. La double cascode transistors et triodes produit un signal très linéaire (le meilleur des 4), un gain élevé, un soft clipping mais l'impédance de sortie est la plus élevée.

Note importante - protection des transistors

Tous les montages à transistors peuvent griller si la tension négative n'est pas présente (le transistor n'est pas mis en conduction et la tension au collecteur peut devenir trop élevée). Comme cette tension négative sert généralement aussi à fournir la polarisation des tubes de puissance, il faut ajouter une protection qui n'enclenche la haute tension que si la tension négative est présente et dans les normes.

Un système plus simple c'est de protéger les transistors par des diodes zeners. Le bruit de la diode zener n'est pas présent, parce que la diode n'est normalement pas en conduction. De plus, c'est à cet endroit qu'il faut placer les petits condensateurs qui vont limiter la bande passante. Un exemple se trouve sur la page du montage long tail et cascode transistors et triodes (c'est le dernier montage).

Et c'est devenu quoi?

C'est finalement devenu un montage long tail double, avec transistors et triodes à cause du gain élevé (qui permet une contre réaction importante) et qui a une symmétrie élevée sur les deux sorties (grâce au double long tail). C'est également le montage qui nécessite le moins de composants, ce qui est important s'il faut tout caser sur une petite plaquette.

Il y a une seconde plaquette qui reprend toute la partie contre-réaction. J'ai choisi spécialement une seconde plaquette pour pouvoir adapter la contre réaction au transfo de sortie utilisé. Le préamplificateur est stable tel qu'il est et ne doit plus être modifié (les condensateurs de 470pF pour limiter la bande passante ont été ajoutés, ils ne sont pas encore repris sur le schéma).

Le signal du préampli est envoyé au tubes de puissance, les grilles de commande recoivent une polarisation négative indépendante par tube.

Ce montage est utilisé pour un ampli avec des tubes EL509. Pour un amplificateur plus petit fournissant une puissance de 10W par canal, j'ai opté pour un montage hybride cathodyne.

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