[Hors sujet] Ampli Hi-Fi à lampes, partie 2 – Analyse fonctionnelle et conception de la partie puissance

A présent que la démarche est posée, il est urgent de ne pas se jeter sur le fer à souder et de faire une longue mais nécessaire étape de conception de notre amplificateur à tubes EL84 unique de sortie (ou plus souvent en anglais : Single Ended – SE) et ECC83/12AX7 en préamplificateur.

Attention : la conception et surtout la réalisation d’un amplificateur à lampe implique la manipulation de tensions électriques mortelles (plusieurs centaines de volts). Vous vous lancer dans ce projet à vos risques et périls.

Source : tous les sites et livres d’électroniques

Ca c’est fait ! Mais bon, j’ai bien survécu moi… On y va ?

Pré-requis et théorie

L’électronique quand on a pas l’habitude, c’est pas simple… et les tubes, c’est pas mieux ! Je ne vais pas faire un cours ici, mais si ce sujet vous intéresse et que vous voulez aller plus loin, voici une partie des ressources que j’ai utilisées et que je recommande :

  • The valve wizard : un site web créer par Merlin Blencowe, un anglais très pédagogue et qui a également écrit des livres sur le sujet. J’ai personnellement les deux livres suivants :
  • Le projet G5 : un site d’amateurs passionné ayant conçu différents amplificateurs (guitare) à lampes et encouragés de nombreuses personnes à les assembler. Site intéressant pour s’inspirer et demander de l’aide théorique et pratique sur le forum.

  • Le livre « Bien entendu, itinéraire d’un audiophile » de Francis Ibre vraiment dédié à la hifi et qui traite toute la chaine de son, depuis le traitement sonique de la pièce d’écoute, jusqu’au filtre d’alimentation des amplificateurs, préamplificateurs et lecteur CD/vinyl en passant par les amplificateurs et les enceintes. Je recommande, mais d’un niveau technique avancé.
  • Le site Heated cathode, complet et très bien fait, qui décrit un projet similaire à celui-ci. A ceci près que
    • une pentode est utilisée en tube en préamplificateur par canal au lieu de la double triode
    • le redressement du courant alternatif en courant continu est assuré par un tube diode au lieu des « simples » diode à semi-conducteurs

  • Last, but not least, la récente chaîne YouTube « Audio et radio à tubes » est très riche en informations théoriques et pratiques servies par le pédagogue Jean-Marc CAVALIER LACHARD. Toutes les vidéos sont intéressantes, mais dans le cadre de ce projet, je vous recommande de commencer avec celles-là :
Assemblage d’un amplificateur similaire à notre projet
Mesures sur cet amplificateur

Ça y est, on est armé pour la suite. On peut attaquer la conception.

Analyse fonctionnelle

Comme nous l’avons décidé, ce projet a pour but d’être simple et une analyse fonctionnelle rapide va nous permettre d’en délimiter les différentes parties :

On distingue trois fonction principales :

  • L’étage d’amplification (ou étage de puissance) qui a pour rôle de piloter les haut-parleurs de l’enceinte à laquelle sera branché notre amplificateur. Deux points d’attention sur cet étage:
    • L’impédance d’un tube étant très élevée (plusieurs dizaines de kilo Ohms, voir plus) par rapport à celle des haut-parleurs (quelques Ohms), l’utilisation d’un transformateur est obligatoire et va conditionner le dimensionnement de l’étage.
    • Un tube de puissance nécessite en général plus d’une dizaine de volts pour être piloté convenablement, ce que les lecteurs CD, les platines vinyles ou encore les smartphones sont incapables de produire. C’est la raison d’être de l’étage de préamplification.
  • L’étage de préamplification qui doit adapter le niveau du signal produit par la source à un niveau compatible avec l’étage d’amplification. Ce signal allant de quelque millivolts pour une platine vinyles à un ou deux volts pour un lecteur CD moderne. À la louche, et en considérant qu’il faut 10V d’amplitude pour piloter le tube de puissance, on peut estimer que le facteur d’amplification que l’étage de préamplification va devoir produire varie de 10 dans le cas d’un lecteur CD et son 1V de niveau de sortie, à 1 000 dans le cas d’une platine vinyles atteignant péniblement les 10mV. Soit une plage de gain allant de 20dB à 60dB. C’est ce besoin qui va conditionner le dimensionnement de cet étage.
  • L’alimentation qui va convertir les 230V alternatifs de la prise de courant en quelques 250V continus nécessaires au fonctionnement des tubes. Contrairement à ce que l’on pourrait penser, il s’agit de la fonction la plus importante de notre projet car sans elle, les autres étages ne peuvent pas fonctionner. De plus, toute imperfection de l’alimentation peut très facilement détériorer le son produit par l’amplificateur (buzz, ronflement…) ou en limiter les performances et donner ainsi un son plat ou distordu.

Il y a également quelque fonctions secondaires (interrupteur ON/OFF, réglage de volume, connectiques d’entrée/sortie…), mais elles sont si simples qu’elles seront précisées lors de l’étude des fonctions principales.

L’étage d’amplification/puissance

Mode de fonctionnement

Notre étage d’amplification, le même pour chaque canal (droite/gauche), va s’articuler entre le tube EL84 et le transformateur de sortie. Étage qui peut être représenté de manière simplifiée par le schéma suivant :

Etage d’amplification simplifié

Nous devons commencer par déterminer les conditions de fonctionnement du tube car elles vont justement impacter le choix du transformateur de sortie. Pour cela, le bon réflexe à avoir et de consulter les recommandations constructeurs dans la fiche technique de la EL84 :

On y apprend notamment que

  • La tension de fonctionnement recommandée est bien 250V.
  • Que la tension d’entrée appliquée sur la grille 1 devra osciller autour de -7V et -8V (polarisation).
  • La résistance de charge de l’anode, l’impédance du transformateur dans notre cas, doit être comprise entre 5kOhms et 7kOhms.
  • On peut espérer une puissance en sortie de 4W à 6W efficaces. Etant donné que le taux de distorsion est à 10% pour cette puissance et que cela est un peu élevé pour un amplificateur « HiFi », nous seront plus conservateur et viserons une puissance efficace de 3W
Remarque : on se place donc dans le cas conservateur de la sécurité avec une puissance Pa dissipée en continu par l'anode au point de repos de 9W.

On y apprend également que le tube, qui est une pentode, c’est-à-dire un tube avec 5 électrodes (anode, cathode, grille 1, grille 2 et écran), peut se comporter comme une triode en reliant la grille 2 à l’anode. Cela à pour effet de diminuer la puissance qui passe à 1 ou 2W mais d’après la littérature à gérer plus d’harmonique de rangs pairs par rapport au mode pentode qui génère autant d’harmoniques de rang pairs qu’impairs.

Le schéma simplifié de l’étage en mode triode serait donc :

Etage d’amplification simplifié en mode triode

Et si l’on veut maintenant passer facilement du mode pentode au mode triode, un simple sélecteur SPDT fait l’affaire. Et dans ce cas, le schéma de simplifié de l’étage devient :

Etage d’amplification simplifié avec sélection du mode pentode ou triode

Choix du transformateur

Maintenant que nous connaissons les modes de fonctionnement voulu pour notre tube de puissance et que nous avons l’ordre de grandeur de l’impédance qui doit la charger, essayons de trouver un transformateur qui correspond au besoin. Pour cela, je me rends sur le site que je connais le mieux pour l’avoir utilisé par le passé dans le cadre des amplificateurs et enceintes pour guitare, TubeTown.

Remarque : je n'ai d'affiliation particulière avec TubeTown, il s'agit juste du site que je connais le mieux, dont je peux recommander le sérieux et qui, bien que basé en Allemagne, offre des délais de livraison très raisonnables. Il existe d'autres sites, comme St Quentin Radio, ou Ampli à Tube.fr, mais ne les connaissant pas, je n'en parlerai pas.

Une rapide recherche dans la section « Output transformers » nous montre qu’il y a deux gammes en single ended chez le fabricant Hammond :

  • La gamme audio bien finie, avec une bande passante couvrant tout le spectre audio de 20Hz à 20kHz, mais cher (ticket d’entrée à 155,70€)
  • La gamme audio universal, moins bien finie (pas de capot en métal ni de jolie finition noire) et avec une bande passante plus réduite, mais bien plus abordable (ticket d’entrée à 24,20€).

Bon vous l’aurez deviné, le choix se porte sur la gamme audio universal pour des raisons budgétaires (surtout qu’il faut 2 transformateurs – un par canal…).

Le 125BSE sera finalement sélectionné, car il présente :

  • Une puissance nominale de 5W, qui est largement suffisante par rapport à nos 3W désirés.
  • Une impédance au primaire de 2,5kOhms, 5kOhms ou 10kOhms en fonction du câblage. On utilisera donc la valeur de 5kOhms qui entre dans la plage de valeurs nominales de 5kOhms à 7kOhms.
  • Un courant de polarisation maximum supporté de 45mA, qui est cohérent par rapport au 36mA préconisés par le constructeur (pour Pa=9W).
Spécification du Hammond 125BSE (attention ici les W signifient « Ohms » et non « Watts »

Point de fonctionnement de l’étage de puissance

Le transformateur choisi, nous disposons de toutes les informations nécessaires pour déterminer le point de fonctionnement statique de notre étage de puissance, dont le schéma simplifié devient :

Schéma de l’étage d’amplification simplifié représentant le transformateur Hammond 125BSE retenu

Pour comprendre la méthode de construction d’une droite de charge d’un tube de puissance, je recommande fortement la lecture de cette page du site The Valve Wizard.

En mode pentode

Commençons par tracer la droite de charge résistive de notre étage :

Puis, en tenant compte du fait que l’ensemble transformateur/haut-parleur constitue une charge très réactive, on peut retracer la droite de charge qui tient de plus compte du point de repos (polarisation) préconisé par le fabricant.

Si l’on reprend les données fabriquant, cet étage devrait nous donner 4W pour une tension d’entrée de 3,5 Vrms. Vérifions un peu cela. Un signal de 3,5 Vrms a une amplitude d’environ 5V, ce qui signifie que sur une demi-alternance, la tension de grille va varier de -9 V à -4 V, ce qui engendre une variation de la tension d’anode de 250 V à 45 V et une variation du courant d’anode de 36 mA à 75 mA.

Ces variations d’amplitude correspondent à des valeurs efficaces de 145 Vrms et de 28 mArms ce qui donne au final une puissance de 4,06W. On est pas mal !

Remarque : si l'on augmente encore la tension d'entrée au-delà des 5V d'amplitude, alors on sort de la zone de linéarité du tube, qui va d'abord compresser le signal puis carrément l'écrêter (ce que l'on appelle abusivement la saturation en guitare).  Cela a pour effet d'augmenter le taux de distorsion harmonique du signal de sortie ce qui n'est pas recherché dans un amplificateur Hi-Fi, on veillera donc à rester avec une amplitude du signal d'entrée de l'étage de puissance inférieure ou égale à 5 V en mode pentode.

En mode triode

Nous allons réaliser le même exercice pour le mode triode en allant un peu plus vite car le raisonnement est le même que pour le mode pentode.

Pour cela, nous allons encore une fois nous appuyer sur les recommandations du constructeur :

A partir de ces informations et en tenant compte du fait que le notre transformateur à une impédance de 5kOhms et non 3kOhms, on peut tracer la droite de charge de l’étage en mode triode avec un point de repos très similaire à celui du mode pentode (9 V, 36 mA):

La tension d’entrée recommandée par le fabricant du tube est 6,7 Vrms soit une amplitude de 9,45V, et si on applique ce signal à notre droite de charge, on obtient :

Les amplitudes obtenues de tension et de courant d’anode de 130 V et 25 mA, correspondent à des valeurs efficaces de 92 Vrms et 17,7 mArms. Soit une puissance de 1,63 W. Ce résultat, légèrement inférieur à la puissance annoncée par le fabricant du tube est due à la valeur du transformateur qui est plus élevée que celle préconisée. Cela a pour effet de limiter l’amplitude du courant et donc la puissance.

Schéma final de L’étage de puissance

Pour conclure sur la conception de cet étage de puissance, voici ci-dessous le schéma final de l’étage de puissance, dans lequel certains composants ont été ajoutés et choisis. Le dimensionnement de ces composants sera expliqué juste après.

Il reste 4 composant à dimensionner :

  • Les résistances de grille 1 et 2 servent à limiter les courants de grilles qui peuvent induire un mauvais fonctionnement du tube (limite de bande passante, oscillations hautes fréquences). Les valeurs retenues sont communément utilisées dans la litérature.
  • La résistance de cathode qui a le rôle essentiel de fixer le point de polarisation (ou de repos) de l’étage. Comme le point de polarisation est déjà choisi (9 V, 36 mA) alors il suffit d’utiliser la loi d’Ohm pour calculer la valeur de la résistance de cathode et l’on obtient 250 Ohm. La valeur recommandée par le fabricant pour le mode pentode est 210 Ohm, tandis que pour le mode triode la valeur de 270 Ohms est recommandée. Finalement, c’est la valeur de 270 Ohm qui a été retenue car la résistance de 250 Ohm dissipant 0,5 W ou 1 W n’était pas disponible sur TubeTown.
Remarque : la résistance doit dissiper les pertes joules induite par le passage du courant de 36 mA, soit 0,35 W. Un minimum de 0,5 W de dissipation est ici recommandé pour garantir la longévité du composant. 
  • Le condensateur de découplage de la cathode qui a pour but de ramener à la masse tous signaux alternatifs présents sur la cathode. En effet, ceux-ci sont une image en opposition de phase du signal d’entrée et cela crée ainsi une contre réaction locale qui réduit le gain de l’étage. Le condensateur forme donc un filtre passe-haut (vers la masse) avec la résistance de cathode. La fréquence de coupure se calcule comme pour tout circuit RC et est choisie ici à environ 5Hz pour être sûr que toutes les fréquences audio sont bien mises à la masse.

A suivre

Dans les prochains articles, nous finirons le dimensionnement de l’amplificateur, puis nous verrons comment le simuler pour nous assurer que tout fonctionne bien avant de commander les pièces et nous lancer dans l’assemblage.

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