A partir de l'idée de la substitution d'une 2A3/6B4G par deux 5687 présentée ici et après avoir réalisé un premier prototype de structure classique single-ended présenté ici, j'ai travaillé à un ampli optimisé et de conception se rapprochant des amplis hybrides bipolaires à liaison directe présentés par ailleurs sur ce site. j'y ai ajouté (si je puis dire) parce que cette structure s'y prête, un mode de polarisation des tubes de sortie par l'étage d'entrée permettant de supprimer tout dispositif de polarisation. Il en résulte le simplissime schéma en bas de page.
Le pivot du projet est la mise à profit du gain élevé de l'étage de sortie : il permet l'association avec un étage d'entrée à gain modéré autorisant pour ce faire l'usage de tubes à faible résistance plaque et à fort courant de repos, ce qui permet l'attaque optimale de l'étage de sortie. On peur en effet être effaré de voir des 12AX7 attaquer une 2A3 dans nombre de schémas ...
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Les caractéristiques générales sont les suivantes :
- structure à deux étages : ampli en tension-étage de puissance
- étage de sortie single-ended pris directement sur l'alimentation HT
- étage d'entrée à alimentation symétrique
- liaison directe entre étages, sans les artifices plus ou moins masqués que l'on rencontre dans les productions commerciales à liaison prétendument directe
- étage de sortie polarisé directement par l'étage d'entrée
- étage d'entrée SRPP pentode/triode et contre-réaction appliquée à l'écran du tube amplificateur conduisant à une structure triode de l'ampli pris dans sa globalité
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L'étage de sortie
reprend la structure parallèle dans sa plus simple expression. Ici, pas de dispositif de polarisation automatique conduisant de facto à l'insertion d'un condensateur (autre que ceux de l'alimentation s'entend) dans le circuit du signal et à un assemblage de condensateurs tête-bêche : celui du circuit de polarisation et ceux de l'alimentation - voir à ce sujet les articles sur la configuration "ultrapath" édités sur le NET ; la solution adoptée ici est plus élégante dans son dépouillement et permet de réduire la tension d'alimentation de l'étage de sortie.
La contrainte de produire un gain proche de 1 (plus exactement -1) pour cet étage, liée au principe de contre réaction d'écran sur le tube amplificateur d'entrée, (voir les amplificateurs hybrides) a conduit à ramener l'impédance primaire à 2 000 Ohm pour 8 Ohm au secondaire. Ce n'est pas l'impédance requise pour atteindre le gain de 1 mais plusieurs raisons m'ont fait retenir cette valeur :
- le compromis puissance maxi.-distorsion, qui est maintenu à un niveau supérieur à celui de la 2A3, La puissance maximale reste supérieure et la distorsion harmonique totale reste inférieure. Voir les graphes et tableau ici;
- la disponibilité de transformateurs de sortie HIRATA TANGO U808 qui permettent l'obtention de l'impédance requise par câblage ad-hoc de la sortie en 4 ou 8 Ohm. De nombreux transformateurs de sortie universels ou non offrent d'ailleurs cette impédance primaire de 2 000 Ohm qui est assez couramment retenue par les concepteurs ;
- A l'impédance primaire assurant un gain de 1 à l'étage de sortie, la puissance maximale se réduit de manière trop importante : Zp = 1 000 Ohm, Peff # 1,13W, Dtot # 4,74%.;
- le gain suffisamment proche de 1 pour Zp = 2 000 Ohm : il est de 0,82.
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Au passage, cette impédance primaire réduite à 2 000 Ohm et le point de polarisation choisi conduisent à une réduction salutaire de la tension d'alimentation de l'étage de sortie qui, déjà, bénéficiait de l'absence de perte de tension dans le circuit de polarisation qui n'existe pas ici. Compte tenu de la résistance primaire des transformateurs (200 Ohm), cette tension est ramenée à 220 V.
Le gain de l'étage de sortie est suffisamment proche de 1 pour le considérer comme un suiveur passable et faire fonctionner le tube d'entrée en triode. Simplement, l'efficacité de l'écran est légèrement moins importante que s'il était alimenté par un signal dont l'amplitude égale celle de la plaque, propriété mise à profit naguère dans la configuration dite "ultra-linéaire" (voir plus bas). C'est aussi ainsi que fonctionne l'ampli hybride 60W classe AB décrit dans ce site. Sur cet amplificateur, le ratio de retour de signal sur l'écran est de 40%.
Pour rappel, la tension de commande nécessaire à la pleine modulation de l'étage de sortie est de 18 Vcc seulement, ce qui simplifie l'étage d'entrée et permet de le faire fonctionner les doigts dans le nez, à niveau de distorsion très faible. En effet, je l'ai déjà dit ailleurs sur ce site, que faire d'une triode de sortie magnifiquement linéaire si l'étage d'entrée s'essouffle à devoir produire les 90Vcc nécessaires à sa commande ... et le fait entendre ?
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L'étage d'entrée
est une structure verticale à deux tubes. L'élément inférieur est un amplificateur en tension et le tube supérieur constitue sa charge active. Si vous allez voir les schémas des hybrides, vous verrez que les tubes supérieur et inférieur de l'étage d'entrée sont du même type, ce qui permet l’obtention d'un recul élevé du bruit d'alimentation. Cette propriété est conditionnée par la similitude des résistances plaque des deux tubes et la structure bipolaire de l'alimentation ; si on observe que le tube supérieur est toujours câblé en triode, on peut rechercher un couple pentode-triode qui présente cette caractéristique quand la pentode fonctionne en triode. Au passage, on économise un tube car la même enveloppe peut loger deux triodes contre une pentode. J'ai retenu le couple EF80-6CG7, sa capacité en courant étant plus élevée que celle par exemple du couple EF86-12AT7. Cette capacité en courant permet la commande musclée des tubes de sortie, précaution qui n'est pas absolument nécessaire compte tenu de la faible capacité d'entrée de l'étage de sortie et le faible niveau de modulation nécessaire. Le choix du couple peut donc constituer un espace d'expérimentation. Les tubes retenus ici ont l'avantage d'être facilement disponibles et d'un coût modique.
L'obtention des -9V requis à la cathode du tube supérieur (voir paragraphe suivant) conduit, sous une alimentation de +/- 150V et 10mA de courant de repos, aux ordres de grandeur des valeurs de résistances de polarisation suivantes : 150 Ohm pour la résistance basse, 400 Ohm pour la résistance haute. 10 mA est la valeur de courant de repos relativement élevée qui a été retenue, afin que la charge constituée par l'étage de sortie soit négligeable et aussi parce que les tubes présentent davantage de linéarité aux courants élevés. Les 400 Ohm de la résistance du haut sont adaptés par le DC-SERVO à sortie passive afin de garantir précisément le maintien de la cathode à -9V.
La contre réaction prise avec la bonne phase sur l'enroulement secondaire du transformateur de sortie transforme la pentode d'entrée en triode intégrant dans sa boucle l’ensemble de l'amplificateur.
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La polarisation
Les tubes de sortie sont polarisés directement par l'étage d'entrée et ne disposent plus du système de stabilisation naturelle de la polarisation automatique. Il y a pour cette raison lieu de maintenir leur tension grille au niveau de repos requis (-9V), voire de reproduire un système de compensation si on craint un emballement. Pour cette fonction, j'ai introduit un DC-SERVO dans sa version la plus pure à commande passive, utilisée dans l'ampli hybride en classe A et dans l'amplificateur pour casque. N'ayant jamais fait face à des phénomènes d'emballement thermique sur les tubes de sortie ni éprouvé la nécessité d'en ajuster les caractéristiques, j'ai pris l'entrée de commande du DC-SERVO à la sortie de l'étage d'entrée et la compare simplement à la consigne de -9V. A titre de protection, je me suis borné à équiper les lignes d'alimentation des transformateurs de sortie de fusibles verre.
Ceux qui voudraient aller plus loin dans la protection contre l'emballement peuvent introduire une résistance sensor dans les lignes d'alimentation et commander le DC-SERVO par la tension développée aux bornes de la résistance,c 'est-à dire en fonction du courant continu circulant dans l'étage de sortie, qui doit être maintenu à 72 mA.
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L'alimentation
les alimentations devrait-on dire : il y a en effet l'alimentation HT2 bipolaire +/- 150 V/20mA, l'alimentation de puissance TH1 + 220V/150mA, celles respectivement des filaments hauts (6CG7 et 5687) et bas (EF80) qui doivent être séparés en raison de la limite de potentiel filament - cathode des tubes. La première alimentation filament est référencée au 0V tandis que la seconde l'est au -HT2. Alternativement, une seule alimentation filament peut être utilisée et référencée à un potentiel moitié de -HT2 (voir par exemple les alimentations filaments des amplis hybrides). Enfin, n'oublions pas la petite alimentation du DC-SERVO.
Du point de vue pratique, pour des raisons de disponibilité du transformateur d'alimentation, j'ai conservé le redressement à tubes pour l'étage de sortie. En revanche, un redressement à tubes en pont pour HT2 nécessiterait deux alimentations filaments supplémentaires et du coup, la solution plus simple à pont de diodes au silicium a été retenue comme dans le cas des amplis hybrides.
pont diodes
temporisation
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Les variations
- montage pseudo ultra-linéaire (si je puis dire ...) : en réglant le taux de contre-réaction par potentiomètre par exemple, on peut approcher un comportement ultra-linéaire du tube amplificateur d'entrée. Il faut noter qu'en toute rigueur, le montage ultra-linéaire utilise l'écran comme grille de commande ET comme anode secondaire, ce qui n'est pas le cas ici, le tube ne contribuant que de manière infinitésimale à l'alimentation de la charge. A cette mise au point près, un taux de 40% (valeur d'ailleurs retenue dans le cas de l'ampli hybride Classe AB) conduit aux caractéristiques ultra-linéaires recherchées et à la minimisation de la distorsion totale harmonique de l'étage.
Il faut noter qu'en configuration ultra-linéaire, la résistance plaque du tube est notablement supérieure à celle obtenue en câblage triode, ce qui implique que le tube qui le charge doit être adapté si on veut maintenir une bonne réjection du bruit d'alimentation.
Voir ici une application classique du câblage ultra-linéaire à une pentode de puissance avec comparaison triode/ultra-linéaire.
- tubes, quelques suggestions : 12BH7, 12AU7, 6SN7, EF80, prise en triode pour le haut de l'étage d'entrée. Autres pentodes : EF184, E810F, 6BQ5 etc. pour le bas de l'étage d'entrée. 6BQ5 en triode ou vrai montage ultralinéaire pour remplacer les 5687. Je suggère dans ce cas quatre tubes par canal et on s'éloigne ici de l'esprit "SET 2A3" du projet sans réelle contrepartie.
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Le vilain prototype est ici
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Même si l'essentiel n'est pas là, voici à titre de comparaison les signaux à même échelle pour 100 Hz, 1 kHz et 10 kHz à 1Weff d'un ampli SET 2A3 à deux étages sans contre-réaction de structure classique, à gauche, et le PSE 5687 à droite. La parallaxe et l'horizontalité des photos ne sont pas fameuses mais on peut quand même se faire une idée ...
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MISE A JOUR décembre 2017
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- les 2 000 Ohm d'impédance primaire du transformateur se traduisent par une impédance de sortie de 3 Ohm ce qui a paru trop élevé pour un couplage optimal avec certaines enceintes. Je suis donc revenu à la valeur classique pour une 2A3, savoir 2 500 Ohm, ce qui ramène l'impédance de sortie de l'ampli à 2,4 Ohm.
La réduction est loin d'être si faible que cela et se remarque très nettement à l'écoute par une plus grande autorité de l'ampli sur les haut-parleurs. A noter que le couple 2A3/2 500 Ohm offre 2,6 Ohm.
Profitons en pour rappeler que l'argument d'une impédance de sortie faible (ou d'un facteur d'amortissement élevé) ne résiste pas à la simple mesure de la résistance connecteur ampli - câble - connecteur enceinte souvent supérieure à 1 Ohm. Et cela sans parler du seul facteur d'amortissement qui ait du sens, savoir celui que voit le Haut Parleur en aval des filtres, et qui peut s'effondrer y compris dans la bande transmise. Quand on sait que les facteurs d'amortissement stratosphériques s'obtiennent la plupart du temps par une application massive de contre réaction ...
Le gain de l'étage de sortie passe à 0,7 ce qui réduit la contre réaction d'écran sur l'étage d'entrée, mais sans dégradation sensible ; simplement les caractéristiques "triodisées" de l'EF80 sont altérées. Une disposition permettant de retrouver les 0,82 du départ serait de maintenir la connexion de la contre réaction sur la prise secondaire initiale en ne déplaçant que la prise vers les haut-parleurs pour obtenir les 2 500 Ohm au primaire (c'est possible et pratiqué sur les transformateurs TANGO). J'ai préféré m'abstenir pour que la contre-réaction prenne bien en compte le signal transmis aux enceintes.
Cette version de l'amplificateur délivre donc la modeste puissance de 2,5 Weff dans 8 Ohm. Ce choix est lié à la réponse des transformateurs de sortie qui est optimale pour le courant de repos choisi. N'oublions pas en effet que ce sont des modèles single-ended et qu'ils sont donc sensibles au courant continu qui les traverse. La réponse en fréquence s'étend jusqu'à 26 kHz à -1dB et 44 kHz à -3dB.
- contre-réaction : il faut noter ici la supériorité du montage par rapport à un SET 2A3 : l'étage de sortie présente une distorsion propre plus faible et un gain propre nettement supérieur à l'équivalent 2A3 ce qui a deux avantages : d'une part il demande moins d'amplitude de balayage à l'étage d'entrée, ce qui diminue sa distorsion propre, et d'autre part il conduit à un gain global en boucle ouverte supérieur ce qui permet l'application d'une contre- réaction plus importante. En bref, distorsion en boucle ouverte faible et gain important permettent une application rationnelle et détendue de la contre-réaction, à l'inverse de ce qui se fait généralement : l'application de taux élevés de contre-réaction à des systèmes qui, pour atteindre les niveaux de gain en boucle ouverte requis, présentent des valeurs de distorsion en boucle ouverte totalement surréalistes. Résultat parfait à l'analyseur mais crispé à l'écoute garanti. L'erreur générale est de ne pas voir (ou vouloir voir) que l'augmentation du gain d'un montage s'accompagne d'un accroissement qui peut être spectaculaire de sa distorsion. Faites le test : faites (essayez de faire) fonctionner un ampli opérationnel en boucle ouverte).
- Neutralisation des tubes : pour éviter tout risque d'instabilité, classiquement 10 k sur les grilles et 220 Ohm sur les écrans ... ou pas. A voir en fonction de la témérité de chacun ou des tubes employés. Pour davantage de souplesse, notamment lorsque l'on change de tubes, je les recommande.
- Auxiliaires : il y en a deux. Le premier est de DC servo qui agit sur la résistance de cathode de la 6CG7 ; l'autre est le système de monitoring de la polarisation des tubes de sortie qui ne libère la haute tension qu'après que la polarisation se trouve stabilisée dans la zone des -10V. C'est la platine qui dépasse à l'avant sur les photos du prototype. J'ai choisi de commuter le filament de la redresseuse (à chauffage indirect, ce qui retarde encore la mise sous tension progressive de l'étage de sortie). Confort supplémentaire, un relais esclave court-circuite les sorties HP tant que les paramètres de fonctionnement nominaux ne sont pas atteints et dès qu'ils cessent de l'être (à la coupure de l'alimentation par exemple), ceci pour éviter les bruits parasites dans les enceintes : profitant du fait que l'ampli est évidemment équipé de transformateurs de sortie sans potentiel continu, j'ai préféré cette disposition à celle qui consisterait à insérer les contacts du relais en coupure, comme c'est obligatoirement le cas pour les amplis transistorisés. Cette disposition astucieuse permet de ne jamais rompre la continuité entre les transformateurs et les HP. Tout ce cirque fonctionne sur base de montages basiques et classiques d'amplis opérationnels ... pas de raison de s'embêter ici.
- dispersion des caractéristiques : elle est manifeste, générale et nécessiterait que des ajustements soient faits mais j'en reste aux valeurs retenues sur le schéma pour l'instant. On peut toutefois optimiser le courant de polarisation des tubes de sortie pour maximiser la puissance fournie par chaque canal si on la juge trop faible. Profitons en au passage une nouvelle fois pour relativiser la validité des résultats de la simulation informatiques des montages basés sur des modèles mathématiques qui, aussi sophistiqués soient-ils, restent de grossières caricatures. Quand on a pratiqué un tant soit peu les montages, à tubes ou à semi conducteurs, on s'est nécessairement rendu compte que non seulement deux composants de même référence et de même origine n'ont pas les mêmes caractéristiques, mais qu'aucune d'entre-elles ne se rapproche vraiment des caractéristiques types diffusées et parfois enjolivées par les producteurs. Bien sûr, on peut tout calculer et fournir de splendides graphes, mais ne fait-on pas ainsi comme le type qui cherche ses clés sous un réverbère alors qu'il les a perdues ailleurs dans une zone sombre, pour la simple raison qu'il n'y a que sous le réverbère qu'il y voit quelque chose ? (pour être honnête une fois n'est pas coutume, j'ai emprunté cette image à un "gourou" deux point zéro de l'audio, pédant et fat, qui réussit le tour de force de se prendre le pieds dans le tapis en se tirant une balle dans l'autre pied, lorsqu'il dénonce la candeur et la croyance aveugle en l'informatique de certains concepteurs audio tout en abreuvant ses lecteurs de simulations SPICE ... qui remplissent bien l'écran mais ne sont même pas aussi bien roulées que les SPICE GIRLS - Ah mince ! on avait dit "pas de filles !").
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