Amplificateurs à tubes
Petit préamplificateur à transistors
Petits détails
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Retournons aux sources de l'électronique, avec un des amplificateurs les plus connus, l'amplificateur de Williamson.
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Dans l'entre deux guerres, un montage standard est établi pour les amplificateurs, c'est le circuit de Cocking. Cet amplificateur est destiné aux salles de cinéma et la qualité dépasse celle des sources sonores (films avec piste sonore optique). Il se compose d'un étage déphaseur de type cathodyne, d'un étage long tail (montage de Schmitt) et de deux triodes de puissance. Les tubes de l'époque, les 300A et 300B de General Electric ont les caractéristiques requises pour avoir un bon ampli. Enfin (c'est pas trop tôt), on délaisse le transformateur déphaseur pour utiliser un déphaseur basé sur des tubes.

Le principe à cette époque est d'avoir une distortion limitée qui augmente graduellement avec la puissance fournie. Un taux de distortion de 5% a puissance maximale était jugée acceptable. Une distortion plus faible n'était pas nécessaire, les sources de l'époque ne permettaient pas la haute fidélité (disques 78 tours, radio AM et films avec piste sonore optique). L'amplificateur de Cocking répond parfaitement à la demande.

Ce n'est qu'après la seconde guerre mondiale qu'on commence à parler de haute fidélité. Williamson se base sur le circuit de Cocking mais ajoute une contre réaction très énergique (20dB au minimum), qu'il doit compenser par un étage supplémentaire, un préamplificateur qui reçoit sur sa grille le signal audio et sur sa cathode une partie du signal en sortie. Pour le reste le circuit n'est pas modifié.

Le but est d'obtenir une distortion inféreure à 0.1%, caractéristique principale de la reproduction en haute fidélité. Le montage Williamson permet d'y arriver, et les critiques sont unanimes: "c'est le meilleur amplificateur que nous avons entendu". Mais le montage a également plusieurs inconvénients:

  • Dès qu'on s'approche de la puissance maximale, la distortion augmente d'un coup et est assez désagréable, mais Williamson préfère une distortion très faible à toutes les puissances d'écoute plutôt qu'une distortion qui croît avec la puissance.

  • Le montage qui utilise une contre réaction globale est assez instable et nécessite l'utilisation de composants de haute qualité, composants qui étaient difficiles à trouver juste après la seconde guerre mondiale. C'est surtout le transformateur de sortie qui est déterminant.

  • Chaque étage est optimalisé pour avoir la distortion la plus faible possible, mais l'ensemble de l'ampli n'est pas aussi bon que ce que les étages individuels permettent. On note une tandance aux oscillations parasites, aussi bien subsoniques que supersoniques.
    • Les oscillations subsoniques semblent être générées par les condensateurs de couplage qui ont une fréquence de coupure identique pour tous les étages, ce qui produit un déphasage du signal pour une certaine fréquence. La contre réaction devient positive et le montage se met à osciller à très basse fréquence.

    • Les oscillations haute fréquence sont produites par le transfo qui produit également un déphasage, transformant la contre réaction en réaction positive à ces fréquences élevées. La correction de ce problème passe par l'installation d'un petit filtre R-C qui va annuler le déphasage pour ces fréquences. Le schéma montre cette adaptation du circuit standard (anode de la première triode).

  • Nous sommes à la fin de la seconde guerre mondiale, et les entreprises ne se sont pas encore reconverties dans la haute fidélité. Il n'y a pas encore de sources haute fidélité et les composants utilisés dans les radios de l'époque ont une tolérance de 20%, ce qui est trop pour les étages symmétriques de l'amplificateur.

S'il n'y a pas encore de fabricants d'amplificateurs haute fidélité à cette époque, il y a par contre tout un marché de pièces électroniques (surplus militaire), souvent de très bonne qualité car devant répondre à des normes très strictes.

Ce qui a lancé l'amplificateur, c'est une combinaison de facteurs et le fait qu'il ait mis le montage dans le domaine public, permettant à tous les amateurs de construire un ampli de bonne qualité. Des magazines spécialisés diffusent largement des schémas et des plans de montage et des entreprises livrent les composants nécessaires.

Dans certains montages, et contrairement aux principes de Williamson, on limite la bande passante de l'ampli aux fréquences élevées pour éviter les oscillations. C'est la méthode la plus simple et elle permet d'éviter d'utiliser un transformateur de sortie très spécifique et fort cher.

Le montage avec des tétrodes à faisceau dirigé monté en triode est remplacé par un montage ultra linéaire qui permet d'obtenir une puissance triple avec les mêmes composants, sans augmenter les distortions. Ce montage nécessite un transformateur adapté.

Mullard lance sa propre version d'un amplificateur haute fidélité (les amplis Mullard 5-10 et Mullard 5-20) qui utilise un montage complètement différent et une contre réaction moins énergique. Mullard est une firme de composants, et la vente de kits est à cette époque un marché très rentable. On se rend alors compte que si l'ampli Williamson est très bon quand tout va bien, il a de nombreux défauts en pratique. On se demande parfois comment des amateurs qui n'avaient qu'une connaissance rudimentaire de l'électronique, des déphasages et de la contre réaction ont pu construire des amplificateurs Williamson atteignant un taux de distortion de 0.1%.

Des amateurs (et plus tard des constructeurs) améliorent pas à pas le montage Williamson. Une étape suivante est de placer un condensateur électrochimique à la cathode des tubes de puissance, ce qui réduit leur impédance de sortie. Lors de la conception du Williamson, il n'y avait pas encore de condensateurs électrochimiques, et la valeur la plus élevée de condensateurs qu'on pouvait trouver était 8µF en condensateur papier. Une valeur tellement faible n'est évidemment pas utilisable. Remarquez que le montage Williamson standard n'utilise pas de condensateurs électrochimiques (et c'est pour cela que certains montages ésothériques récents n'utilisent pas de condensateurs électrochimiques non plus).

Puis on passera de la polarisation par résistance de cathode à une polaristaion par tension négative qui permet un fonctionnement plus stable en classe AB.

Si au début on se contente de réduire le déphasage par une cellule R-C, on passe également à une limitation de la bande passante (une hérésie selon Williamson), ce qui stabilise l'ampli quand il reçoit des signaux en crénaux (les hobbyistes viennent de découvrir les générateurs de signaux et les oscilloscopes). La limitation de la bande passante permet de venir à bout des dépassements (overshoot et ringing). Williamson a toujours voulu éliminer les oscillations parasites par le choix d'un transformateur et de composants de très haute qualité, mais il n'est pas économique de fabriquer de tels amplificateurs pour les masses.

Du montage Williamson, on retiendra surtout la construction typique des étages préamplificateurs et d'attaque des tubes de puissance. C'est toujours le montage de référence. En ce qui concerne les tubes de puissance on est passé à un montage ultra linéaire ou pentode (parfois avec une contre réaction locale) et une polarisation négative fixe.

Après la conception de son amplificateur (ce qu'il considérait comme un hobby), il a délaissé ce créneau au début des années 1950.

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