Amplificateur à tube 300B Single-Ended

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Alimentation haute-tension stabilisée

20 juin 2013

Lors de la refonte de la page consacrée à cet amplificateur, j'ai élagué quelques lignes et schémas qui faisaient l'objet de recherches et réflexions. J'ai tout de même choisi de conservé le schéma ci-dessous car un certain nombre de mes lecteurs m'ont posé beaucoup de questions à son sujet. J'ai depuis abandonné ce circuit faisant appel à une structure tout silicium pour des tubes.
Ce schéma a été élaboré à partir du schéma publié par Diafan cité dans la page "L'amplificateur". (Il le reprend à l'identique, mais en redessinant le schéma, je le digère !)

Schéma de l'alimentation haute-tension pour amplificateur à tubes 300B
Schéma de l'alimentation haute-tension pour amplificateur à tubes 300B

Je me suis posé la question d'insérer une self entre les condensateurs C1 et C2 pour augmenter l'efficacité du filtrage comme cela était fait dans les amplificateurs de nos pères et grand-pères !
En ce temps-là, on utilisait une self dans le filtrage HT car les valves ne supportaient pas de débiter dans un condensateur de plus de quelques dizaines de microfarads.
A l'heure actuelle, la self est un luxe complètement inutile dans la plupart des cas quand on redresse avec des diodes silicium qui supportent facilement les "gros coups de bélier" du courant pulsé de l'alim HT. On met donc des condensateurs de valeur beaucoup plus élevée.
De plus, le transistor ballast (BU808DFI) supprime radicalement toute ondulation résiduelle sur la HT dans la mesure où le filtrage de sa base est soigné et suffisant.
A noter que le transistor Darlington est ici un BU808DFI car le TIP142 de l'alimentation basse-tension ne supporte pas les tensions élevées nécessaires à l'alimentation des tubes.
Il eut été possible ici de faire également appel à un circuit référence de tension tel que celui utilisé pour les alimentations basse-tension. J'ai décidé d'utiliser des diodes Zener et de suivre par conséquent à la lettre le schéma de Diafan publié plus haut.

Même approche pour la conception du circuit imprimé que précédemment. Les pistes sont d'épaisseur 2 mm pour garantir un éventuel minimum de chute de tension. Les normes de réalisation indiquent qu'une piste de largeur 1 mm autorise le passage de courant dépassant largement 1 ampère. Dans le cas de la haute-tension ce courant sera de l'ordre de 200 mA, pas d'inquiétude donc de ce coté là. J'ai par contre été vigilant au sujet de l'écartement entre les pistes puisque les tensions circulant sur le circuit vont de 340V à 480V. Il faut donc veiller à ne pas trop réduire cet écart sous peine d'apparition d'arcs électriques... (un article intéressant sur la réalisation des circuits imprimés précise ces points).
Les 2 gros condensateurs du filtre en PI de 250 et 500 µF ne sont pas sur la carte car trop gros pour cela. Ils seront reliés via les connections repérées C1, C2 et m pour les masses.



Retour sur les alimentations

Depuis quelques mois je me suis préoccupé essentiellement des circuits d'alimentation avec la petite digression concernant l'élaboration du châssis.
J'ai évidemment lu beaucoup de choses à ce sujet sur divers forums. J'ai également consulté "les anciens", enfin, ceux qui ont une expérience de la chose. J'ai lu et relu avec un grand intérêt les cours de Rinaldo Bassi publiés dans feu la revue Led.
Je me suis aussi intéressé au circuit de régulation élaboré par Jérome Gest également publié dans revue Led et que certains considèrent comme la solution ultime en termes de régulation.

L'heure des choix

Fort de cette intense réflexion, à un moment donné, il faut faire des choix.
Comme a dit je ne sais plus qui : Décider, c'est choisir, choisir, c'est renoncer. Et bien sûr ces choix peuvent être contestables...
Deux alternatives pour la haute-tension présentées sur les schémas ci-dessous, l'une avec des redresseurs au silicium, l'autre une valve redresseuse, mais dans les deux cas une orientation majeure : le filtrage dit à self en tête.
Dans un filtrage en ∏ classique de type CRC ou dans le cas présent de type CLC on a un condensateur, une résistance ou une self et un deuxième condensateur.
Dans un filtrage dit "self en tête", le premier condensateur du ∏ (représenté ici en rouge) est omis.
L'avantage majeure de ce type de filtrage est qu'il est nettement plus indépendant de la charge que le montage classique condensateur en tête qui génère de très importants courants transitoires de surcharge dans les redresseurs et transformateurs dont la puissance peut de ce fait être réduite.
Cet aspect du fonctionnement est très intéressant dans le cas de l'utilisation de valve qui supportent mal les surcharges de courant contrairement aux redresseurs au silicium.
Dans les circuits à condensateurs en tête, les redresseurs et le transformateur provoquent de courtes impulsions à chaque demi-alternance dans le but de maintenir la charge du condensateur qui fourni seul tout le courant au circuit durant le reste du cycle pendant que les redresseurs sont bloqués.
Avec un filtrage à self en tête, les redresseurs ne sont jamais à l'état bloqué car ils conduisent alternativement pendant toute la durée de l'alternance. Il n'y a pas de stockage d'énergie mais uniquement un filtrage. Le courant à l'entrée de la self n'est plus pulsé puisque la totalité de l'ondulation en double alternance (100 Hz) est disponible en sortie du redresseur.
Sur les schémas ci-dessous, j'ai fait apparaître ce condensateur (en rouge) pour matérialiser son omission !!!
Toutefois, le fait d'insérer un condensateur de très faible valeur, de l'ordre de quelques µF permet de "jouer" sur la tension de sortie en l'augmentant de 5 à 10% selon la valeur de ce condensateur sans dégrader le principe du filtrage self en tête.
Mais, bien sûr, il y a quelques inconvénients.
La self doit être de taille de poids et de prix conséquent car le volume de fer nécessaire au circuit magnétique doit être important sous peine de voir une chute d'inductance liée au passage du courant. Une self de bonne qualité voit sa valeur chuter de moitié pour une augmentation de courant de l'ordre de 30%.
Heureusement, pour un étage d'amplification fonctionnant en classe A qui consomme un courant quasi constant, il y aura moyen d'optimiser cet aspect des choses.
D'autre part, la résistance ohmique doit être la plus basse possible pour limiter autant que possible la chute de tension du au passage du courant (U=RI ! ) ce qui signifie que le fil utilisé pour la réalisation de la self doit avoir un diamètre significatif. Encore du cuivre !
Enfin, il est nécessaire de disposer d'une tension au secondaire du transformateur d'alimentation plus élevée car contrairement au filtrage avec condensateur en tête, le filtrage avec self en tête est égale à 0,9 Veff ou 0,9/√2 (tension de crête). Les 420V nécessaires à 'alimentation de l'amplificateur demanderont une tension secondaire du transformateur d'alimentation de l'ordre de 480 V !
Enfin, il faut qu'un courant minimum traverse la self pour qu'elle puisse jouer son rôle. C'est ce que l'on appel "l'inductance critique". A cette fin il peut être introduit une résistance dénommée "Bleeder" qui sera connectée en parallèle à la sortie du filtrage à cette fin.
Ci-dessous, deux variantes de l'alimentation, l'une avec un classique pont de diodes (rapides, donc à temps de recouvrement faible), l'autre avec une valve redresseuse.

Alimentation haute-tension à diodes et self en tête
Alimentation haute-tension à diodes et self en tête

Alimentation haute-tension à tube et self en tête
Alimentation haute-tension à tube et self en tête

Cette dernière, souvent préférée par les aficionados des amplis à tubes est un peu plus compliquée que la première car elle nécessite un transformateur à point milieu et un circuit d'alimentation du filament.
J'envisage de réaliser deux circuits de ce type, l'un pour alimenter les étages d'entrée et l'autre pour les 300B.
Quelle structure donner à cette alimentation ?

Configuration n°1
Configuration n°1

Cette première structure, tout à fait classique, est celle qu'on peut rencontrer dans les amplis mono (un circuit d'alimentation par canal). Inconvénient : il faut soigner la deuxième cellule de filtrage de manière à ce que les appels de courant du tube de puissance ne fassent pas varier la tension d'alimentation du tube d'entrée.

Configuration n°2
Configuration n°2

Cette autre structure est celle retenue par Audionote sur l'un de ses amplificateurs. Elle a l'avantage de séparer les courants forts, demandés par les tubes de puissance et les courants faibles requis par les tubes d'entrée. L'inconvénient, si le découplage n'est pas soigné, est de constater une augmentation de la diaphonie puisque les deux voies sont alimentées par un circuit commun.
En fait, ce sera une configuration intermédiaire, certes un peu luxueuse, mais très efficace.

Configuration n°3
Configuration n°3

Il faut évidemment doubler cette configuration N°3 pour alimenter la voie droite.

Le schéma de l'alimentation

Deux possibilités là encore, la deuxième permettant un transformateur ne nécessitant qu'un seul enroulement haute-tension qui se traduit par une puissance inférieure et un coût moins élevé.
A l'heure ou j'écris ces lignes (Début juin 2013), le choix n'est pas encore fait.

Alimentation faisant appel à 1 transformateur mais à double enroulement
Alimentation faisant appel à 1 transformateur mais à double enroulement

Alimentation faisant appel à 1 transformateur mais à enroulement unique
Alimentation faisant appel à 1 transformateur mais à enroulement unique

Evolution notoire en ce qui concerne le tube redresseur pour l'alimentation du tube 300B. En effet, si un tube EZ81 est tout à fait apte à fournir le courant requis par le tube 300B, ce que je prévoyais au départ, son remplacement par un 5U4G permet, d'après certains, une amélioration très sensible à l'écoute. C'est probablement ce qui fait dire et ce que l'on peut lire sur les forums audio, que le changement des valves redresseuses à un impact sur l'écoute.
Les selfs de filtrage sont maintenant identifiées. J'ai choisi des selfs Hammond de la série 150 (voir schéma)
J'ai sorti de la cave ou dormait le premier ampli que j'ai construit il y a plusieurs dizaines d'années pour récupérer le transformateur se sortie, un Audax TU101, car un ami qui en cherchait un, en avait besoin,
Je vais également récupérer le transfo d'alimentation qui va me permettre d'expérimenter le circuit d'alimentation dit "self en tête" et vérifier ce que j'ai simulé à l'aide du logiciel PSU Designer II.

Simulation du circuit d'alimentation avec valve 5U4G
Simulation du circuit d'alimentation avec valve 5U4G

La valeur de l'ondulation (surlignée en bleu) indique 283 mV (Colonne "Diff") ! C'est beaucoup trop important pour alimenter un étage SE de 300B.
Troublé et inquiet, j'ouvre un fil à ce sujet sur le forum Mélaudia : Simulation d'alimentation .
Plusieurs intervenants fournissent quelques explications très intéressantes.
Tout d'abord, les 283 mV sont une valeur crête-à-crête, donc (286/2)/√2 = 100 mV RMS (en arrondissant).
Mais il est dit également que cette tension va être divisée par la racine carrée du rapport d'impédance du transformateur de sortie, soit :
√2 (3000 Ω / 8 Ω) = 19,36,
d'ou la tension d'ondulation présente aux bornes du HP : 100 mV / 16,36 = 5,16 mV.
L'amplificateur alimentant ainsi une chambre de compression de 110 dB/w/m devrait tout de même produire une très (très) légère ronflette !
Une nouvelle simulation consistant à rajouter une nouvelle cellule de filtrage RC dont je divise la résistance du schéma précédent par 2 (on obtient donc 2 cellules RC avec R=90 Ω et C= 100µF) améliore considérablement les choses.
En effet, la valeur de l'ondulation présente aux bornes du dernier condensateur de filtrage est de : 56 mV crête-à-crête soit 19mV RMS, valeur divisée comme précédemment, cela donne une tension d'ondulation inférieure à 1 mV donc une puissance inférieure au micro Watt appliquée au HP. Ca devrait aller.


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