Amplificateur à tube 300B Single-Ended

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Les alimentations basse tensions

23 août 2012

J'ai retenu l'option d'alimenter les filaments des tubes en courant continu car je souhaite aboutir à un amplificateur silencieux. Cette option est discutable car les avis que l'on peut lire sur le Web montrent qu'il y a des partisans du chauffage en alternatif. Dans le cas des tubes à chauffage indirect pourquoi pas, mais avec les tubes à chauffage direct, comme c'est le cas du tube 300B, cela devient délicat car filament et cathode sont confondus et l'idée d'amener de l'alternatif en 50 Hz sur la cathode ne me plaît pas trop. Les tentatives d'équilibrage de ce courant alternatif par potentiomètre, telles que l'on peut en voir sur certains schémas, sont assez délicates et souvent non satisfaisantes.
De nombreux DIYeurs ont recours à des régulateurs. Des amplificateurs SE 300B réalisés par des constructeurs sérieux fabricant des amplificateurs de grande qualité y ont également recours. Enfin, de grands techniciens (dont je tairais les noms car je risque d'en oublier) estiment qu'il est nécessaire de disposer d'une alimentation des filaments très stable à la valeur nominale requise dans les spécifications des tubes.

L'une des difficultés à l'utilisation des redresseurs au silicium est que les diodes créent des commutations à fronts raides avec des pics de courant inverse (diodes classiques). Ces pics génèrent des parasites, tant conduits que rayonnés, qui vont polluer et perturber, par couplages entre les enroulements du transformateur, tous les autres circuits d'alimentation et les circuits environnants. L'utilisation de diodes à recouvrement progressif, ou ultra-rapide, ne créent presque pas de parasites de ce type. Il convient également de soigner le filtrage après redressement.

Dans son livre "Bien entendu, itinéraire d'un audiophile", Francis Ibre aborde le sujet des alimentations en présentant un schéma de stabilisateur de tension très performant qui fait appel à un régulateur TL431 dit "diode Zener ajustable" et à un transistor Darlington TIP142. Je laisse les lecteurs lire l'article concernant ce circuit dans le livre précité ou les discussions que l'on trouve au sujet de ce circuit sur les forums spécialisés notamment sur celui d'Elektor

J'ai donc potassé le sujet et abouti à cela :

ATTENTION : Ces schémas sont issus d'une étude théorique qui doit être validée par une expérimentation. Ils sont donc appelés à évoluer selon les résultats obtenus.

Alimentation basse-tension stabilisée

Schéma des alimentations basse-tensions pour amplificateur à tubes 300B
Schéma des alimentations basse-tensions pour amplificateur à tubes 300B

A partir de ce schéma, je pourrais réaliser les alimentations nécessaires au chauffage des filaments des tubes 300B et du ou des tubes de pré- amplification en 6,3V. Il suffira alors d'avoir une tension alternative différente au secondaire du transformateur d'alimentation pour chaque cas et de modifier une résistance (Rx). Je prévois d'ailleurs de disposer de deux circuits pour les tubes 300B et d'un seul pour les tubes à chauffage indirect (dans ce cas, le circuit d'alimentation n'est là que pour le chauffage du filament).
Au sujet des résistances de 0,1 Ω - 3W : la première est utilisée pour absorber la surintensité à la mise sous tension, la deuxième est intégrée dans le filtre en PI, pour améliorer le filtrage. Une self serait probablement plus adaptée à cette fonction.
J'ai "éclaté" la résistance R1 (cadre vert sur le schéma) afin de disposer d'un réglage fin des tensions d'alimentations car j'ai souvent lu qu'il pouvait y avoir des pertes dans les câbles et comme il est important d'avoir une tension précise sur les filaments...
La course du potentiomètre permet une variation de 1,14V centrée sur 5,34V (pour le 5V) et de 6,48V (pour le 6,3V), autrement dit le potentiomètre est à mi-course.
La variation s'étend de  4,77V à 5,91V d'une part et de  5,91V à 7,05V d'autre part, ce qui laisse une bonne marge de manœuvre.

Ci-dessous le circuit imprimé que j'ai dessiné.
Le cadre rouge enserrant la mention "Alim basse-tension" délimite le radiateur du transistor Darlington TIP142. Il serait certainement plus simple d'acheter un dissipateur du commerce calibré pour la puissance thermique a dissiper, mais je souhaite faire plus simple et légèrement plus économique en utilisant de la cornière d'aluminium en L de 2 mm d'épaisseur. Comme la figure du circuit imprimé est "vue de dessus", le gros trait rouge représente le coté vertical de la cornière sur lequel sera fixé le Darlington.

Circuit imprimé de l'alimentation basse tension
Circuit imprimé de l'alimentation basse tension

Prochaine étape : la réalisation: insolation, révélation, gravure au perchlorure de fer, perçage et soudage des composants. La routine quoi...

Premier prototype réalisé : (Alimentation basse-tension)

Alimentation basse tension cablée
Alimentation basse tension cablée

J'ai finalement câblé le (gros) condensateur de 22000 µF en tête de filtre, c'est-à-dire en sortie du pont de diodes.
Je constate que j'ai prévu large et que je dois pouvoir gagner de la surface.


le profil en U de la cornière alu est bien visible ici. Elle est montée sur 2 entretoises pour éviter qu'elle soit en contact direct avec le circuit imprimé d'une part et pour faciliter la circulation de l'air autour.


Vue de dessus. Les diodes de redressement ne chauffent pratiquement pas, Je vais donc pouvoir les resserrer et gagner quelques mm sur la longueur.

Que dire ? Ca fonctionne plutôt bien et la tension est très stable. Testée ici dans sa version 5V (parce-que j'ai le transformateur ad hoc), la tension a varié d'une dizaine de mV sur plusieurs heures. Le courant débité de 1 ampère fait chauffer le radiateur de manière significative, mais comme je ne consommerai que 600 mA sous 6,3V ça devrait aller. Je pourrais toujours installer une deuxième cornière sur la première.
La tension fournie par la zener réglable TL431 doit être légèrement augmentée de 1,5V pour obtenir les 5V en sortie.
De plus, il y a lieu d'ajuster précisément la résistance située entre les 2 condensateurs de filtrage pour limiter l'écart de tension entre le collecteur (l'entrée) et l'émetteur (la sortie) du Darlington TIP142, car cette tension multipliée par le courant donne la puissance dissipée, ce qui fait qu'il chauffe et 4 à 5 Watts, ça chauffe !


Schéma des alimentations des filaments et de polarisation

24 septembre 2013

(Cliquez sur l'image)

Schéma des circuits d'alimentation des filaments et de polarisation

Les options retenues

Après de nombreux essais, j'ai finalement retenu d'utiliser le même circuit pour l'alimentation des filaments des tubes d'entrée 5842 et pour les 300B. Les intensités misent en jeu diffèrent notablement puisque il faut 600 mA pour alimenter les 2 tubes d'entrée alors qu'il faut compter environ 1,25A pour chaque 300B. C'est pour cette raison que seules les résistances chutrices en sortie de pont redresseur varient. A noter que ces résistances freineront le courant appelé par les tubes lors de la mise sous tension de l'amplificateur.

A ce sujet j'ai réalisé beaucoup d'essais car je souhaitais trouver un compromis au niveau de la température du radiateur supportant les gros transistors TIP142. Dans une édition précédente, j'avais décidé d'utiliser des régulateurs 5V classiques (LT1085-5) pour alimenter les filaments des 300B, mais les puces et boitiers de ces régulateurs sont beaucoup plus petits que les TIP142 et chauffent beaucoup plus.

Le circuit d'alimentation en courant continu des filaments des tubes sont donc ceux préconisés par Francis Ibre dans son livre "Bien entendu" et largement décrit et débattu sur le forum Elektor. Il s'agit de stabilisateur (et non de régulateur - il n'y a rien à réguler car le courant consommé par les filaments est constant) qui présente une impédance de sortie très basse. Ce circuit à l'avantage de permettre un réglage fin de la tension stabilisée.
J'ai soigné le filtrage de la tension de référence du régulateur TL431.

Alimentation 5V

Lorsqu'en surfant sur le Web, je suis arrivé sur le site de Lennart Jarlevang ou il décrit son amplificateur "Léonardo", j'ai vu qu'il proposait une alimentation en courant continu des filaments des 300B un peu particulière.
Il s'agit ici de combattre les effet du mode commun, d'ou le sigle, en anglais, CMRR (Common Mode Rejection Ration = Taux de Rejection du mode commun). La littérature sur ce sujet étant très abondante sur le Web, je ne développerai pas ici.
Partant du principe que les régulateurs sont efficaces pour combattre le bruit en mode différentiel puisqu'ils sont étudiés pour ça, mais absolument pas pour le bruit en mode commun, il a installé une self bifilaire et un couple de condensateurs dérivant les parasites vers la terre (et non la masse électrique de l'amplificateur).
Un simple tore sur lequel sont bobinées quelques spires de fil de 1 mm de diamètre suffit pour obtenir des selfs d'une valeur voisine de 2 à 4 mH.

Torique bifilaire

Un simple tore sur lequel est bobiné quelques spires de fil de 1 mm de diamètre suffit pour obtenir des selfs d'une valeur voisine de 2 à 4 mH, mais on trouve dans le commerce des composants de ce type chez Schaffner ou Pulse Eng.


Honnêtement, Lennart précise que cette approche n'a pas fait fait l'objet d'une analyse scientifique rigoureuse, mais que le résultat est là. Son amplificateur est absolument silencieux et à l'écoute, semblable à ce que l'on peut obtenir avec une alimentation en alternatif.

Un petit circuit supportant ces selfs et les 2 condensateurs de dérivation à la terre  sera installé à proximité des tubes.

Les circuits stabilisateurs de tension 6,3V et 5V
Les circuits stabilisateurs de tension 6,3V et 5V

Le radiateur DIY
Le radiateur DIY

Le radiateur DIY est réalisé avec de la cornière en U. J'ai assemblé 3 cornières pour assurer une dissipation correcte et les circuits imprimés sont fixés sur ce radiateur via une entretoise pour éviter le contact direct des circuits imprimés avec le radiateur.
Ainsi réalisé et après test en charge de l'ensemble des circuits ce radiateur reste à une température très correcte puisqu'il est possible de laisser la main dessus sans risquer de se brûler.

Circuit de polarisation des 300B

Circuit assez simple ici car il s'agit de fournir une tension stable et correctement filtrée. Le pont de diodes est constitué par des diodes STTH 310 très rapides (75 nS). Elles sont surdimensionnées pour cet usage, mais je les avait sous la main.

Ce circuit de polarisation des 300B a été optimisé pour permettre un réglage fin des tensions avec des butées réalisées par des résistances de 4,7KΩ et 15kΩ. Le potentiomètre autorise une variation de tension de l'ordre d'une vingtaine de volts, la course au point milieu étant de 71 volts. Les résistances de 150kΩ connectées entre les curseurs des potentiomètres et la tension (négative) de 100V est une astuce qui permet de sécuriser toute défaillance des potentiomètres. En effet, si le curseur n'était plus en contact avec la piste, la tension tendrait vers 0V entrainant un courant maximum dans le tube 300B et par conséquent sa destruction ainsi que celle du transformateur de sortie ! Dans ce cas, la résistance de 150kΩ porte alors la grille à -100V bloquant alors le tube.
A l'instar de ce que présente Lennart Jarlevang pour son ampli Léonardo, le filtrage dit "self en tête" me semble une option intéressante. En effet, ramener un quelconque bruit sur la grille du tube me semble une hérésie et ce n'est pas un gros investissement. J'ajoute donc après le pont redresseur une petite self Hammond HM154E / 20H-20 mA. La résistance de cette self étant de 1666 Ohms, je porte donc la tension du transformateur à 120V.

24 février 2014

Les circuits de régulation des tensions des filaments des tubes présentés et mis au point il y a quelques temps fonctionnent parfaitement, mais j'étais un peu ennuyé à l'idée d'installer ces régulateurs et leur radiateur à l'intérieur du châssis pour cause de dissipation calorifique. Ca pouvait présenter le risque de chauffer un peu de trop ! Je me suis donc dis qu'en réduisant les tensions d'alimentation des secondaires du transformateur torique prévu pour cela, je devrais réduire les dissipations des transistors de quelques degrés. Je me suis donc lancé dans le débobinage du transformateur et j'ai retiré une quinzaine de spires sur chacun des enroulements. Pour cela, il faut débobiner aussi les rubans isolants qui séparent les divers enroulements et après avoir coupé les fils, ré-embobiner tout ça. Il faut être patient et ne pas ne pas manquer de sang-froid face au nombreux mètres de câbles et d'isolant qui risquent de s'emmêler rapidement.
Bref, cela fut fait et une fois rebranché aux circuits de régulation, je me suis aperçu que je n'avais plus assez de tension pour assurer une régulation efficace car il faut un écart de tension d'environ 3 volts entre l'entrée et la sortie des TIP142 pour que la fonction de régulation soit assurée. Damned !!!
Pour me sortir de cette situation j'ai alors pensé qu'un simple redressement et filtrage pourrait être une solution finalement correcte car adoptée par de nombreux réalisateurs d'amplificateurs à tubes.

Voici donc le schéma simplifié mis à jour :

Alimentation basse-tension passive
Alimentation basse-tension passive

Un pont redresseur et un simple filtre en Pi. Ajuster les tensions de sortie en fonction des tensions d'entrée a été plus simple pour le 5V que pour le 6,3V. ceci est du au fait que le courant demandé par les 2 tubes 5842 est beaucoup plus faible (600 mA pour les 2 tubes) que pour un tube 300B.
Détail surprenant, le courant consommé par les tubes 300B Shuguang que j'ai acheté : 1,4A, qui s'écarte un peu des spécifications du tube Western Electric qui annonce 1,25A.
J'ai donc redessiné un circuit imprimé pour accueillir les composants de ce nouveau filtrage :

Les résistances sont de la série RB57 d'une puissance de 7W qui assurent un échauffement très raisonnable.

Ce circuit sera fixé sur le châssis entre les 2 transformateurs inter-étages et rayonnera à l'air libre.

Pour ajuster les résistances chutrices j'ai dans un premier temps utilisé des grosses résistances de puissance dont j'ai calculé et adapté les valeurs pour refléter les consommations des filaments des tubes. J'ai ensuite utilisé les tubes pour être dans des conditions réelles.
En charge donc, pour une tension secteur mesurée à 234V j'ai 5,02V sur les 300B et 6,33V sur les 5842. ce qui est très satisfaisant si on considère les tolérances de 5% indiquées dans les spécifications.

J'ai mesuré une fluctuation assez importante du secteur entre le matin et le soir. La tension du secteur varie en effet de 232V à 238V.
L'absence de régulation entrainera donc une légère variation des tensions qui restera tout de même dans des valeurs raisonnables.
Je ne pense d'ailleurs pas qu'il y ait lieu de s'inquiéter si on considère que des centaines (des milliers ?) d'amplis de ce type ont été construits depuis des dizaines d'années et ont fonctionnés sans broncher sur des Voix du Théatre (VOT) dans des cinémas à partir des années 40. Le secteur dévait être encore moins stable que maintenant...

Le circuit en conditions réelles pendant plusieurs heures :

L'échauffement des tubes est très modéré, je ne dirais pas qu'on peut laisser une main sur les 300B très longtemps, mais elles ne sont pas très chaudes. Il est vrai qu'elles ne sont pas encore opérationnelles, justes chauffées. Les petites 5842 rougissent de plaisir  et le transfo est à peine tiède.


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