Polarisation par résistance cathodique
Polarisation par tension négative
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Les classes de fonctionnement des transistors sont montrées ici. C'est moins interessant, mais je me dois de vous le signaler pour être complet. Les petits graphiques sont sur cette page uniquement.
Il existe trois grandes classes de fonctionnement des tubes utilisés en amplificateur: A, B et C. La classe de fonctionnement est déterminée par la polarisation des tubes.
Classe A
C'est la classe la plus utilisée. Le tube est polarisé de telle manière qu'il travaille au milieu de sa courbe. Le tube est toujours en conduction, et quand le signal est trop fort, il y a des déformations aussi bien dans les parties positives que négatives.
Cette classe de fonctionnement est utilisée dans les étages préamplificateurs et dans l'étage de puissance single ended (un seul tube de puissance). Certains amplificateurs push pull sont également polarisés de telle manière qu'ils travaillent en classe A: cela réduit les distorsions et permet souvent un circuit de commande plus simple.
La polarisation est généralement obtenue par une résistance cathodique de faible valeur, pour qu'il y ait une chute de tension juste suffisante pour faire fonctionner le tube au milieu de ses caractéristiques (c'est également valable pour les tubes de puissance). La résistance est normalement découplée par un condensateur électrochimique pour que la résistance ne réduise pas l'amplification de l'étage, voir schéma 1 à droite.
La polarisation par résistance cathodique est automatique et ne nécessite pas de réglages.
Les étages préamplificateurs (signal microphonique) ont généralement une polarisation automatique par résistance de fuite de valeur élevée (voir polarisation des tubes, lien plus haut).
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Classe B
Avec cette classe de fonctionnement, le tube n'est en conduction que pendant l'alternace positive du signal à l'entrée. Cette classe de fonctionnement n'est utilisée que dans les étages de puissance push pull où un tube de puissance amplifie quand l'autre est coupé. La polarisation de la grille est si négative que le tube n'est en conduction que pendant 50% du temps. En l'absence de signal, les deux tubes sont à la limite de la conduction.
Cette classe de fonctionnement permet un rendement plus élevé (maximum théorique de 78%) que la classe A (rendement théorique maximum de 50%). La consommation est nettement plus faible quand la puissance demandée est nulle ou faible.
Elle est donc utilisée pour les amplificateurs de sonorisation qui doivent fournir une puissance élevée et où la qualité sonore n'est pas très importante (diffusion de la parole dans les grands espaces et rassemblements).
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Classe AB
La classe B produit des distorsions notables quand un tube passe en conduction et l'autre s'arrête de fonctionner. Il y a un "trou" où les deux tubes conduisent trop peu. Un étage fonctionnant en classe AB a ses deux tubes push pull qui conduisent un peu en l'absence de signal. Le rendement est un peu moins bon que la classe B.
C'est la classe de fonctionnement la plus utilisée dans les amplificateurs push pull car elle permet une puissance plus élevée avec des tubes d'une dissipation maximale donnée.
La polarisation de la classe AB, B et C est toujours obtenue par une tension négative réglable.
Cela complique le schéma de l'ampli (alimentation supplémentaire) et nécessite un réglage à refaire à chaque remplacement des tubes de puissance. La résistance de 1Ω permet de mesurer le courant cathodique.
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Classe C
La classe C est uniquement utilisée pour les amplificateurs des émetteurs de radio. Les tubes de puissance ne sont en conduction que moins de la moitié de la période. Les tubes de puissance doivent nécessairement être suivis par un ou plusieurs circuits accordés pour transformer les impulsions en signal sinusoidal qui peut être envoyé à l'antenne.
Cette classe de fonctionnement procure un très haut rendement qui est bien nécessaire dans les émetteurs qui ont une puissance de plusieurs kW ou plus.
Ce mode de fonctionnement n'est pas utilisé dans les amplificateurs audio et n'est donc pas décrit plus en détail ici.
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Auto bias
Au repos et à faible puissance l'amplificateur travaille en classe A, avec les deux tubes en conduction. Plus la puissance augmente, et plus le point de fonctionnement se déplace automatiquement vers la classe AB.
Il ne s'agit pas vraiment d'une classe de fonctionnement, mais du résultat d'un montage. Voici les éléments qui favorisent l'auto bias:
- La polarisation par résistance cathodique a le plus grand effet, l'augmentation du courant dans le tube provoque automatiquement une augmentation de la chute de tension sur la résistance cathodique.
- Le condensateur de couplage du tube de puissance se charge plus fort quand le signal envoyé aux tubes de puissance est élevé, l'effet 1 et 2 sont additionnés.
- Dans certains amplificateurs la tension sur la grille écran est obtenue par une résistance. Quand le tube travaille à puissance plus élevée, le courant de grille écran augmente également, réduisant la tension sur la grille écran et réduisant donc l'amplification du tube.
L'auto bias peut être vu comme un avantage ou un inconvénient:
- Avantages
L'amplificateur travaille en classe A aux faibles puissances, là où les distorsions de croisement (crossover) s'entendent le plus. En classe A il n'y a pas de distorsion de croisement.
L'amplificateur passe automatiquement en classe AB à forte puissance, ce qui limite la dissipation dans les tubes de puissance.
Le système est auto-stabilisant et évite la destruction des tubes de puissance par un courant trop important.
- Inconvénients
Dans certains amplificateurs la puissance maximale est déterminée par la dissipation au repos. A pleine puissance l'amplificateur dissipe nettement moins et la puissance disponible est également moindre. Le courant de repos est de par exemple 45mA au repos (dissipation par tube de 16W), pour passer à 38mA à pleine puissance
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Classe x1
Un truc que les amplificateurs à transistors n'ont pas!
On parle généralement de classe AB1 ou AB2, plus rarement de A1 ou A2.
La classe "1", c'est quand la polarisation de la grille est toujours plus négative que la cathode, même quand le signal de commande est le plus positif. Il n'y a donc jamais un courant qui circule dans la grille de commande (maximum quelques microampères).
C'est la classe de fonctionnement la plus utilisée, et quand elle n'est pas précisée, l'appareil travaille en classe "1". Quand on dit qu'un étage travaille en classe A ou AB, c'est donc en classe A1 ou AB1.
Elle ne nécessite pas de montage particulier, mais il est important que la tension de la grille de controle ne devienne jamais positive. A ce moment le condensateur C se charge plus (à cause du courant de grille) et le tube de puissance passe en fonctionnement en classe C avec une forte distorsion de croisement. Cette condition peut apparaitre quand une puissance très forte est demandée.
Quand la puissance diminue, le tube revient à sa polarisation normale, le condensateur se déchargeant via la résistance de fuite. Cela prend d'autant plus de temps que la valeur du condensateur de couplage est élevée (encore une bonne raison pour ne pas choisir de condensateurs de couplage de valeur trop élevée).
L'effet se remarque sur la dernière image d'oscilloscope sur la page consacrée aux conséquences de la contre réaction
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Classe x2
La classe "2", c'est quand la grille de commande devient parfois positive (uniquement dans les pics de signal de commande positifs). Cela permet d'avoir une puissance plus élevée du tube de puissance.
Une classe de fonctionnement AB2 ou A2 nécessite un circuit de commande spécifique qui peut fournir le courant nécessaire. Utiliser une configuration AB1 et augmenter le sweep pour passer en AB2 donne de très mauvais résultats.
La triode supplémentaire permet de fournir le courant nécessaire pour faire travailler le tube de puissance en classe AB2. La polarisation du tube de puissance est maintenant assurée par la polarisation du tube de commande (toujours une polarisation négative par rapport à la cathode du tube de puissance). Le tube de commande doit être alimenté sur sa grille de controle par une tension négative.
Le condensateur de couplage qui se retrouve maintenant avant le tube de commande ne cause pas de déplacement du point de fonctionnement, car la grille de controle du tube de commande reste toujours négative par rapport à la cathode. Si ce ne serait plus le cas, c'est que le tube est défectueux et ne peut plus fournir le courant nécessaire.
Certains tubes ne sont pas conçus pour travailler en classe AB2. Quand la grille est positive, le nuage d'électrons qui se forme normalement autour de la cathode disparait. Cette charge d'espace limite le bombardement de la cathode par les ions, toujours présents dans le tube en fonctionnement (avec à la clef une destruction plus ou moins rapide de la cathode).
Ce sont les tubes avec une large cathode (tubes de déflection ligne et trame) qui résistent le mieux à un fonctionnement en classe AB2.
Notez que les tubes avec commande via la grille écran travaillent toujours en classe AB2. On devrait même dire AB3, car il y a toujours un courant qui circule dans la grille écran. Le montage qui est utilisé est comparable au montage montré ici, mais il est parfois nécessaire d'utiliser des tubes de commande de puissance plus élevée: il faut par exemple mettre les deux triodes d'un ECC82 en parallèle.
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Et pour terminer un graphique avec quelques classes de fonctionnement.
La classe AB1 est uniquement utilisée pour les étages symmétriques avec deux tubes où un tube travaille quand l'autre est bloqué. Il faut un signal de commande plus fort qu'avec les autres classes de fonctionnement car la pente est plus faible (mA/V). Il faut par exemple une tension de 25V effectifs pour avoir un signal suffisant en sortie. La "courbe" est également plus prononcée ici.
La classe A1 est la plus utilisée: tous les étages single ended l'utilisent (préampli et étage de puissance à un tube). Le point de fonctionnement est choisi à la partie la plus droite de la courbe. Un signal assez faible suffit à commander le tube de puissance, par exemple 10V effectifs. Si on augmente l'amplitude du signal, on se retrouve dans la partie non linéaire du tube.
Avec une classe de fonctionnement A2 la tension sur la grille de controle peut devenir légèrement positive lors des tops positifs. A ce moment la grille entre en conduction comme une diode et le tube de commande doit pouvoir fournir suffisamment de courant. Le tube de puissance fournit un courant anodique très important. En général on ne choisira pas un point de fonctionnement avec une tension de grille de 0V, mais une tension légèrement négative. Certains tubes ont une courbe Ug1/Ia qui redevient courbe avec des tensions de grille positives.
La classe AB2 (non représentée) utilise un point de fonctionnement similaire à la classe AB1, mais l'amplitude du signal est si importante que la grille devient momentanément positive par rapport à la cathode. Il faut un signal d'amplitude très élevée (ordre de grandeur: 45V effectifs) et une commande en courant.
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