Initiation au fonctionnement des tubes électroniques (lampes)
Le tube électronique, rapidement abandonné dès l'apparition sur le marché des premiers transistors, tend à revenir sur la scène de l'électronique. Bien souvent, on se trouve en difficulté devant un montage ou un schéma utilisant des triodes ou des pentodes dont on ne connaît pas assez le fonctionnement.
Tout expliquer des tubes électroniques en peu de lignes est assez difficile. Pour ce faire, nous partirons de l'année 1884.
Cette année là, Thomas EDISON, un inventeur autodidacte réalisa la première lampe d'éclairage à incandescence. Il nota alors que le verre de l'ampoule noircissait sur sa face interne. Il a cherché à éliminer ce noircissement en insérant à l'intérieur de l'ampoule, une petite plaque métallique, et il s'est aperçu qu'en connectant extérieurement une pile, le pôle négatif au filament, et le pôle positif à cette plaque, un courant passait à travers le vide de l'ampoule. Pour la première fois, un courant électrique traversait un espace vide, et cette découverte prit le nom d'Effet thermoélectronique d'EDISON. Elle fût appelé thermoélectronique car en éteignant la lampe, le courant ne circulait plus.
Puis lorsque l'inventeur inversa les polarités de la pile, dont le pôle négatif était connecté au filament, et le pôle positif à la plaque métallique, il s'aperçut que le courant ne passait plus à travers le vide de l'ampoule. Dès lors l'appellation de cette lampe devint Valve électronique parce que le courant va dans le sens filament - plaque métallique et non inversement.
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Fig.1 : En 1884, Thomas EDISON remarqua que la face interne de l'ampoule de sa lampe d'éclairage noircissait, diminuant rapidement la luminosité. |
Fig.2 : Pour résoudre ce problème, il a pensé à placer dans l'ampoule une plaque métallique, destinée à l'origine à recueillir les particules qui noircissaient l'intérieur de l'ampoule, et, de là, il a découvert qu'un courant électrique pouvait passer à travers le vide de l'ampoule. |
En 1904, le scientifique A. FLEMMING, stimulé par la découverte d'EDISON, réussit finalement à donner une explication à ce phénomène. Quand le filament de la lampe est porté à incandescence, il génère un rayonnement d'électrons négatifs, créant ainsi un nuage gravitant autour de ce filament. La quantité d'électrons augmente à mesure que la température du filament croît. Lorsqu'une tension positive est appliquée à la plaque métallique, par rapport au filament connecté au négatif, les électrons mis en orbite sont attirés par cette plaque. Pour mieux comprendre l'effet thermoélectronique, on utilisera nous effectuerons une analogie hydraulique.
Dans un récipient de verre, on versera un peu d'eau. A la sortie de ce récipient on raccordera l'extrémité d'un serpentin cheminant dans un autre récipient rempli d'eau froide, l'autre extrémité étant à la base du récipient de verre. (Voir fig. 4)
On aura réalisé ainsi une sorte d'alambic en circuit fermé.
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Fig.4 : Pour comprendre le fonctionnement d'une lampe thermo-ionique, on pourra prendre comme exemple un alambic rempli d'eau. |
A mesure que l'on chauffera l'eau contenue dans le récipient de verre, celle-ci se transformera en vapeur. A travers le serpentin plongé dans l'eau froide, la vapeur redeviendra de l'eau et retournera dans le récipient en verre. On aura mis en évidence une circulation permanente de l'eau, tant qu'elle sera chauffée. Dès que la source de chaleur est ôtée, la circulation de la vapeur d'eau cesse.
Cette lampe, munie de seulement deux électrodes (le filament et la plaque métallique) fût appelée par le physicien FLEMMING, la diode thermoélectronique.
Il a cherché tout de suite à l'utiliser pour détecter les signaux radio, mais sans grand succès car ce "composant" s'est avéré trop peu sensible, très encombrant et surtout très coûteux par rapport à la galène utilisée jusqu'alors.
La diode thermo-ionique est devenue subitement intéressante quand, en 1907, le physicien américain Lee de Forest plaça entre le filament et la plaque une troisième électrode appelée grille. Cette grille réussit à augmenter le flux d'électrons lorsqu'elle est polarisée positivement, et à réduire ce même flux lorsqu'elle est polarisée négativement.
En pratique, Lee de Forest a démontré qu'il est possible d'augmenter ou réduire le courant dans le circuit plaque en modifiant la tension de polarisation de la grille.
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Fig.6 : Dans un tube triode, on a inséré une grille entre le filament et la plque. Lorsqu'aucune tension n'est appliquée sur cette grille, tous les électrons émis par le filament rejoignent sans obstacle la plaque. Evidemment, le mouvement de ces électrons entre le filament et la plaque ne se fait que si on branche une pile avec le pôle positif vers la plaque et le pôle négatif vers le filament. |
Fig.7 : En appliquant une tension négative sur la grille de contrôle, les électrons émis par le filament sont freinés dans leur progression vers la plaque. On notera au passage que la variation de la tension appliquée sur la grille entraine une variation de courant dans le circuit plaque. |
Si aucune différence de potentiel n'est appliquée à la grille, les électrons émis par le filament sont attirés par la plaque de polarité positive, en passant à travers la grille.
Si une tension plus ou moins négative est appliquée à la grille, les électrons émis par le filament se verront repoussés car de polarités identiques. Dans ce cas, un courant de valeur inférieure sera détecté dans le circuit plaque. Chaque petite variation de tension sur la grille va entraîner une grande variation du courant dans le circuit plaque. On aura compris que cette lampe à trois électrodes arrive à amplifier un quelconque signal appliqué sur la grille.
Pour comprendre comment une triode peut amplifier une tension, nous citerons l'exemple suivant:
On branche, sur la grille d'une triode, le curseur d'un potentiomètre alimenté par une tension négative de 2 V, et on positionne ce curseur à mi course de façon à appliquer sur la grille de la triode une tension de 1 V. On obtient alors un courant de 3 mA dans le circuit plaque. (Voir fig. 8)
On peut observer une variation du courant plaque selon le sens dans lequel on tourne le potentiomètre.
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Fig.8 : Pour comprendre le fonctionnement d'un tube triode amplificateur, on connecte sur la grille le curseur d'un potentiomètre dont les extrémités sont connectées aux bornes d'une pile de 2 V. En amenant le curseur à mi-course, on obtient un courant dans le circuit plaque de 3 mA. |
Lorsqu'on positionne le curseur du potentiomètre vers le maximum de la tension négative, de façon à appliquer -2 V à la grille, donc un potentiel plus négatif que dans la situation précédente, cette grille repousse les électrons émis par le filament, et on relève un courant de 2,5 mA dans le circuit plaque. (Voir fig. 9)
En tournant le curseur du potentiomètre dans le sens inverse, de façon à éliminer toute tension négative sur la grille, les électrons émis par le filament seront attirés par la plaque polarisée positivement, et on relève cette fois un courant de 3,5 mA dans le circuit plaque.
Le graphique de la fig. 11 montre comment une variation de tension sur la grille génère une variation de courant dans le circuit plaque et ceci peut être commenté de façon suivante:
Sur une grille polarisée avec une tension négative de 1 V, donc tension de référence, on applique un signal sinusoïdal de 2 V crête à crête (voir fig. 12) on peut vérifier que:
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Fig.9 : En tournant le curseur du potentiomètre complètement vers le pôle négatif de la pile, on constate que le courant dans le circuit plaque est de valeur inférieure à l'exemple précédent, puisque le potentiel de la grille est plus négatif que celui du filament, et les électrons issus du filament seront freinés dans leur déplacement vers la plaque. |
en présence de la demi-onde d'amplitude de -1 V, laquelle s'additionnera à la tension de polarisation, on retrouve la tension de : 1 + 1 = 2 Volts négatifs sur la grille. En se référant à l'exemple précédent le courant plaque est descendu à 2,5 mA.
en présence de la demi-onde d'amplitude de + 1 V, laquelle se soustraira de la tension de polarisation, on retrouve la tension de : 1 - 1 = 0 Volt sur la grille. Le courant plaque est remonté à 3,5 mA.
En résumé : un signal sinusoïdal de 2 V crête à crête appliqué sur la grille entraîne une variation de courant de 1 mA dans le circuit plaque, puisque 3,5 - 2,5 = 1 mA.
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Fig.10 : En tournant le curseur du potentiomètre complètement vers le pôle positif de la pile, on constate que le courant dans le circuit plaque est de valeur supérieure aux exemples précédents, puisque le potentiel de la grille est plus positif que celui du filament, et les électrons issus du filament seront accélérés dans leur déplacement vers la plaque. |
Ceux qui sont habitués à relever des variations de courant sur le collecteur d'un transistor trouveront cette valeur de 1 mA dérisoire, aussi nous devons tout de suite préciser la différence entre un transistor et un tube électronique :
Un transistor amplifie les variations de courant, c'est à dire qu'une petite variation de courant appliquée sur la base entraîne une grande variation de courant dans le collecteur.
Un tube électronique amplifie les variations en tension, c'est à dire qu'une petite variation de tension appliquée sur la grille entraîne une variation de tension sur la plaque.
Si on observe le schéma électrique de la fig. 12, qui représente une triode montée en amplificatrice, on notera que la plaque est alimentée en + 250 V à travers une résistance de 47 kW.
Nous avons admis qu'avec une tension négative de 1 V appliquée sur la grille, on obtient un courant de 3 mA dans le circuit plaque.
La résistance de 47 kW traversée par ce courant de 3 mA provoque, selon la loi d'Ohm, une chute de tension de :
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U = R x I soit 3 x 47 000 = 141 V |
Par conséquent on ne trouvera plus sur la plaque que :
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250 - 141 = 109 V |
Lorsqu'on applique un signal sinusoïdal d'amplitude de 2 V crête à crête sur la grille, le courant plaque varie de 2,5 mA à 3,5 mA. On peut donc immédiatement calculer les variations de tension appliquées à la plaque.
Ce qui donne :
lorsque le courant est de 2,5 mA, la tension est de U = R x I soit 47.103 x 2,5.10-3 = 117,5 V.
lorsque le courant est de 3,5 mA, la tension est de U = R x I soit 47.103 x 3,5.10-3 = 164,5 V.
La variation de tension à la plaque sera donc de 164,5 - 117,5 = 47 V, pour une variation de 2 V sur la grille.
En pratique, nous avons une amplification de la tension appliquée sur la grille de
47 : 2 = 23,5 fois.
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Fig.5 : Photo d'un ancien tube redresseur pour haute tension composé d'un filament alimenté en continu, et d'une plaque. |
Nous avons bien entendu développé ces exemples avec des valeurs fictives, et nous devons préciser que, comme pour les transistors, les diverses triodes ont des caractéristiques qui sont propres à leur type respectifs. Il existe en effet des triodes avec des gains divers, et des spécificités selon leurs fonctions allant de l'amplification BF à l'amplification UHF, en passant par l'amplification de puissance.
Si on change la valeur ohmique de la résistance insérée dans le circuit plaque, on fait varier le gain de l'étage d'amplification.
A l'origine, tous les tubes électroniques étaient alimentés avec des piles cat il n'y avait pas le secteur 220 V distribué dans les habitations comme aujourd'hui. Il fallait donc une pile pour alimenter le filament, une autre pour polariser la grille, et enfin une multitude montées en série pour obtenir la tension de 200 à 250 V nécessaire à l'alimentation de la plaque. Plus tard, quand le courant a mieux été distribué, pour alimenter les lampes d'éclairage, on a pensé à redresser ce courant et le transformer en continu, en utilisant un tube à deux électrodes, donc une diode, avec un filament et une plaque (voir fig. 14).
Si on réussissait à obtenir cette tension plaque de 200 à 250 V, on ne continuait pas moins d'utiliser des piles pour alimenter le filament et la grille. En effet, on ne savait pas alors redresser et filtrer le courant comme aujourd'hui et les tentatives de prélèvement de tension à partir du 200 V redressé, générait un ronflement d'amplitude nettement supérieure à celle du signal à amplifier. Puisque le filament rayonnait des ronflements dus au courant alternatif, on a pensé "blinder" celui-ci.
Pour cela, on a rajouté une autre électrode qu'on a nommé cathode. Dans la pratique, il s'agit d'un petit tube en nickel recouvert par une couche d'oxyde de baryum, à travers lequel on fait passer le filament. Ce dernier est isolé électriquement de la cathode, et lorsqu'il sera porté à incandescence, la cathode le sera aussi. Ce sera ce petit tube, et non plus le filament, qui émettra des électrons. Pour faire un parallèle un peu simpliste, on peut considérer la cathode comme la panne de notre fer à souder, bien qu'elle ne soit pas portée au rouge.
LA TENSION NEGATIVE de polarisation grille
Le problème du filament étant résolu, il reste celui de l'alimentation de la grille afin d'éliminer la pile jusqu'alors utilisée pour assurer la tension négative requise.
Ce problème fut résolu en utilisant un artifice, à savoir en insérant entre la grille et la masse une résistance de valeur appropriée dans le but de créer une chute de tension proportionnelle à la valeur du courant plaque requis par le tube électronique en condition de repos (communément appelé courant de repos).
En reprenant l'exemple précédent du tube qui requiert une tension grille (Vg) de -1 V, pour un courant plaque (Ip) de 3 mA, on pourra calculer la valeur ohmique de la résistance à insérer entre la cathode et la masse, en appliquant la formule suivante :
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R = Vg / Ip |
ce qui nous donne, avec les valeurs de notre exemple :
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1 / 3.10-3 = 333 W ; |
Valeur que l'on arrondira à 330 W.
Pour éviter que toutes variations présentes lorsque le tube électronique amplifie un signal, entraînent des variations de tension aux bornes de la résistance, on connecte un condensateur électrochimique en parallèle sur la résistance. Ce condensateur a pour rôle de maintenir la valeur de la tension appliquée à la grille la plus stable possible.
Si l'on mesure, avec un voltmètre électronique, la différence de potentiel aux bornes de la résistance connectée entre la cathode et la masse, on trouvera une valeur de 1 V positif, alors qu'entre la grille et la masse on relèvera 0 V. Par contre, entre la grille et la cathode on relèvera une valeur de 1 V négatif (voir fig. 20). Il faut donc garder à l'esprit que les valeurs des tensions de travail d'un tube électronique sont relevées en prenant la cathode pour référence au lieu de la masse.
Par conséquent, la tension de 109 V relevée entre la plaque et la masse n'est pas la tension de travail du tube. Il y a lieu, en effet, de soustraire la tension de polarisation grille (-1 V), ce qui nous donne 108 V.
A l'intérieur d'une seule ampoule de verre, il est possible d'insérer deux triodes séparées, de caractéristiques identiques, composées chacune d'une plaque, d'une grille, d'une cathode, et d'un seul filament commun aux deux cathodes (voir fig 26). Ces deux ensembles pourront être polarisés différemment l'une de l'autre.
Comme pour les transistors, chaque tube électronique possède ses propres caractéristiques. Si l'on se reporte au tableau ci dessous, on pourra comparer les caractéristiques d'un tube référencé ECC 82, (12AU7 selon la codification américaine), à celles d'un autre tube référencé ECC 83, (12AX7 selon la codification américaine), et constater leurs spécificités.
Tableau des tubes ECC82 & 83 :
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Caractéristiques |
ECC82/12AU7 |
ECC83/12AX7 |
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Tension anodique maximum |
250 V |
250 V |
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Tension grille négative |
- 8,5 V |
- 2,5 V |
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Courant de repos plaque |
1,6 mA |
0,48 mA |
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Courant plaque maximum |
20 mA |
8 mA |
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Facteur de gain |
17 |
100 |
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Résistance interne |
7 700 W |
62 500 W |
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Pente S |
2,2 mA/V |
1,6 mA/V |
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Puissance de sortie plaque |
2,75 W |
1 W |
L'ECC 82, qui n'amplifie que 17 fois, fournit un signal de sortie de 2,75 W. Il est surtout indiqué pour amplifier un signal d'une certaine amplitude ou pour piloter des tubes pentodes finaux de puissance.
L'ECC 83, par contre amplifie 100 fois, et ne fournit qu'un signal de sortie de 1 W. Il est plutôt indiqué pour préamplifier des signaux faibles. Il peut aussi être utilisé pour piloter des pentodes finales, pour peu que ces dernières ne demandent pas une grille supérieure à 1 W.
Normalement les caractéristiques techniques d'un tubes électronique ne font pas état de son gain, car cette donnée est plus facilement calculable si on en connaît la pente ou transconductance symbolisée par S, exprimée en mA/V. La formule permettant de calculer le gain est :
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Gain = S x Ri |
(où Ri est la résistance interne du tube.)...
Le tube ECC 82, qui a une résistance interne de 7,7 kW, et une pente de 2,2 mA/V aura donc un gain de :
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2,2.10-3 x 7,7.103 = 16,94 fois (arrondi à 17) |
Le tube ECC 83, qui a une résistance interne de 62,5 kW, et une pente de 1,6 mA/V aura donc un gain de :
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1,6.10-3 x 62,5.103 = 100 fois. |
Ce sont donc ces données que nous avons introduites dans notre tableau de caractéristiques pour les ECC 82 et ECC 83.
Pour amplifier de très faibles signaux radio, il est nécessaire de disposer d'un tube électronique capable d'amplifier de 1000 à 3000 fois ces signaux.
Pour obtenir ces conditions, on a d'abord essayé de rapprocher le plus possible la grille de la plaque. On a constaté alors que ces deux électrodes se comportaient comme des armatures d'un simple condensateur placé sous vide, et on s'est aperçu que le signal à amplifier passait tranquillement de la grille à la plque comme à travers une capacité. En approchant la grille de la plaque, on a pu noter un autre phénomène : beaucoup d'électrons, rebondissant sur la plaque, retournaient sur la grille, créant ainsi des variations de valeur de la tension de polarisation de la grille.
Par conséquent, le flux d'électrons cheminant de la cathode à la plaque subissait des ralentissements désordonnés.
Le rapprochement de la plaque à la grille créa d'autres inconvénients tels que l'auto oscillation parasite.
Pour éliminer cette instabilité de fonctionnement et réduire la capacité entre la plaque et la grille, on les a de nouveau éloignées l'une de l'autre, pour insérer entre elles, deux autres électrodes : la grille écran et la grille de suppression.
La grille écran est placée entre la grille de contrôle et la grille de suppression, et la grille de suppression est placée entre la grille écran et la plaque.
La grille écran, raccordée à un potentiel positif, outre sa fonction d'écran électrostatique entre la grille de contrôle et la plaque, attire avec sa charge positive les électrons négatifs issus de la cathode, accélérant ainsi le flux électronique à travers la grille de contrôle.
La grille écran étant matérialisée par une large spirale, les électrons ne sont en fait pas ou peu arrêtés par cet écran et sont alors projetés à grande vitesse sur la plaque. Le gain du tube se trouve de ca fait considérablement augmenté.
La grille de suppression, raccordée à un potentiel négatif, s'attache, elle, à diminuer la capacité résiduelle entre la grille et la plaque, et collecte les électrons rebondissant sur la plaque à cause de leur grande vitesse, pour les véhiculer vers la masse. Ceux-ci ne peuvent donc plus être ainsi attirés par la grille écran. Ainsi, un tube électronique, composé de ces cinq électrodes se nomme une pentode.
Ces électrodes prennent les noms suivants :
Cathode
Grille de contrôle ou G1
Grille écran ou G2
Grille de suppression ou G3
Plaque ou anode
La pentode, présentant un coefficient d'amplification très élevé, est utilisée dans les récepteurs radio comme préamplificatrice des signaux radio captés par une antenne, dans un étage de conversion de fréquence, et pour préamplifier en superhétérodyne les signaux des étages moyennes fréquences.
Il existe différents types de pentodes, on prendra pour exemple un tube de type EF 80 et un autre de type EF 89, et en confrontant leurs caractéristiques, on notera des différences non négligeables sur la résistance interne, la pente, et la tension de Grille écran.
Tableau des tubes EF80 & 89 :
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Caractéristiques |
EF 80 |
EF 89 |
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Tension anodique maximum |
250 V |
250 V |
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Tension grille écran |
250 V |
100 V |
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Tension grille suppresseur |
0 V |
0 V |
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Tension grille négative |
- 3,5 V |
- 2 V |
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Courant plaque maximum |
10 mA |
9 mA |
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Courant grille écran |
2,8 mA |
3 mA |
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Résistance interne Ri |
0,65 MW |
0,9 MW |
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Pente S |
6,8 mA/V |
3,6 mA/V |
Puisque le gain n'est pas indiqué sur ce tableau, nous reprendrons la formule que nous avons utilisée pour les triodes pour le calculer :
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Gain = S x Ri (où S est la pente et Ri est la résistance interne du tube) |
Le tube EF 80, qui a une résistance interne de 650 kW, et une pente de 6,8 mA/V aura donc un gain de :
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6,8.10-3 x 650.103 = 4420 fois. |
Le tube EF 89, qui a une résistance interne de 900 kW, et une pente de 3,6 mA/V aura donc un gain de :
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3,6.10-3 x 900.103 = 3240 fois. |
Comparés à ceux des triodes, les gains de ces tubes sont notablements supérieurs.
LA PENTODE de puissance en étage final
Le problème du gain étant résolu, il s'en présente un autre. Il s'agit maintenant de pouvoir disposer d'un tube capable de fournir une puissance effective pour alimenter un haut parleur par exemple. Pour obtenir ces caractéristiques, on a pensé à construire des tubes de dimensions supérieures à celles des tubes utilisés en préamplification, de façon à pouvoir leur appliquer des potentiels plus élevés.
Evidemment, pour piloter ces pentodes de puissance, on a besoin d'appliquer sur la grille de contrôle un signal d'une certaine amplitude et d'une certaine puissance. Mais ce problème est déjà résolu puisque cette fonction existe déjà, et est disponible dans le tube triode de pilotage.
Dans ce cas, nous pouvons directement nous reporter aux caractéristiques d'une pentode de puissance utilisée en classe A (c'est à dire utilisée seule), énumérées dans le tableau ci-dessous :
Tableau EL34 - EL42 - EL84:
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Caractéristiques |
EL34 |
EL42 |
EL84 |
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Tension anodique maximum |
250 V |
225 V |
250 V |
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Courant plaque maximum |
80 mA |
26 mA |
48 mA |
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Tension grille écran |
265 V |
225 V |
250 V |
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Courant grille écran |
15 mA |
4,1 mA |
5,5 mA |
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Tension grille G1 |
- 13,5 V |
- 12,5 V |
- 7,5 V |
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Amplitude signal d'entrée |
8,7 V |
8 V |
4,3 V |
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Résistance interne Ri |
17 kW |
90 kW |
38 kW |
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Pente S |
12,5 mA/V |
3,2 mA/V |
11,3 mA/V |
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Inpédance de charge |
2 kW |
8 kW |
4 kW |
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Puissance de sortie en classe A |
12 W |
3 W |
6 W |
Dans ces caractéristiques, on trouvera, outre la puissance de sortie en Watt, une donnée très importante qui est l'impédance de charge.
En pratique, cette valeur, exprimée en Ohm, varie d'un tube à un autre. C'est cette valeur d'impédance que devrait avoir un éventuel haut-parleur branché dans le circuit plaque, entre l'anode et l'alimentation + 250 V. Mais tout le monde sait que les haut-parleurs fabriqués aujourd'hui ont des impédances de 4, 8 ou 16 W. C'est pourquoi il est nécessaire d'utiliser un transformateur de sortie possédant un rapport de transformation approprié.
Le primaire de ce transformateur devra avoir une impédance caractéristique (à ne pas confondre avec sa résistance ohmique) analogue à celle requise par le tube électronique. Si on se reporte au tableau de caractéristiques donné en exemple, le primaire du transformateur devra avoir une impédance de :
2 kW pour l'EL34,
8 kW pour l'EL42, et
4 kW pour l'EL84.
Dans un amplificateur BF à tubes, le composant qui détermine la fidélité est le transformateur de sortie. Si, pour la fabrication de ses armatures, des lames au silicium de haute qualité ne sont pas utilisées, toutes les fréquences accoustiques seront notablement atténuées.
Les armatures et le noyau devront être correctement dimensionnés pour éviter la saturation en puissance maximale, et par conséquent la distorsion.
Si les transformateurs pour la classe A (un seul tube à étage final) sont relativement faciles à fabriquer, c'est autrement plus compliqué pour les transformateurs des classes AB1-AB2 (avec deux tubes montés en push-pull ou contre phase) utilisés dans les amplificateurs HI-FI.
Pour obtenir un équilibre parfait de deux enroulements (résistance ohmique et la capacité résiduelle) ceux-ci seront partagés en plusieurs sections, les unes à côté des autres.
Puisque ces transformateurs seront nécessairement achetés tout faits, avec une impédance requise par les caractéristiques du tube employé, nous dirons simplement que meilleure sera la qualité, meilleure sera la fidélité de reproduction.
Nous avons constaté que le calcul du rapport de transformation entre le primaire et le secondaire est bien souvent erroné, ou dans d'autres cas compliqué, nous rapportons ici un système bien plus simple et plus rapide.
La formule que nous conseillons d'utiliser est la suivante :
Rapport = VZc / Zhp (où Zc est l'impédance de charge, et Zhp est l'impédance du haut-parleur)
Si, avec les données du tube EL 34, qui a une impédance de charge de 2 kW, on souhaite connaître le rapport du nombre de spires entre le primaire et le secondaire d'un transformateur à adapter parfaitement à un haut parleur de 8 W, il suffira d'effectuer le calcul suivant :
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V 2000 / 8 = 15,8 fois |
Si, avec les données du tube EL 84, qui a une impédance de charge de 4 kW, on souhaite connaître le rapport du nombre de spires entre le primaire et le secondaire d'un transformateur à adapter parfaitement à un haut parleur de 8 W, il suffira d'effectuer le calcul suivant :
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V 4000 / 8 = 22,3 fois |
On peut constater que, bien que l'impédance de charge de l'une est le double de l'autre, le rapport n'est pas doublé comme on aurait pu le penser.
Pour cette raison, un transformateur de sortie construit avec une impédance de 4 kW pourra être utilisé avec un tube dont la valeur est légèrement différente, comme par exemple 3,5 kW, 3,8 kW, 4,2 kW, 4,5 kW.
Cependant, il faudra avoir à l'esprit que si l'on branche sur le secondaire d'un transformateur de sortie, un haut parleur d'impédance inappropriée, cela fera varier immanquablement l'impédance de l'enroulement primaire, et par conséquent, le tube chargé incorrectement générera des distorsions.
Prenons, par exemple, un transformateur pour une EL 34, construit pour recevoir une charge de 8 W, (en l'occurence un haut parleur ayant cette impédance), ayant donc un rapport de transformation de 15,8 fois. Si, sur le secondaire, on connecte un haut parleur n'ayant que 4 W d'impédance, ce même transformateur n'aura plus 2 kW au primaire, mais bien moins... On pourra déterminer la valeur de l'impédance (Z) du primaire avec la formule suivante :
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Z = (rapport)² x Zhp |
Ce qui nous donne, dans l'exemple présent :
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Z = 15,8² x 4 = 998 W |
Si on applique une charge de 998 W sur le circuit plaque du tube, au lieu des 2 kW requis, on comprendra que celui-ci ne fonctionne pas dans les conditions idéales ; et en sortie on ne disposera que d'un signal distordu en puissance réduite.
La distorsion d'un amplificateur BF se mesure avec un instrument appelé distorsiomètre. Ce dernier a pour rôle, par l'adjonction de filtres "notch", d'éliminer totalement la fréquence fondamentale.
Toutes les fréquence harmoniques en présence à la sortie de l'amplificateur à mesurer, ne sont pas considérées comme distorsions.
Encore qu'à ce stade, il faudra faire une distinction entre la distorsion du signal sinusoïdal de la fondamentale, et la distorsion due à la présence d'harmonique.
Si le signal sinusoïdal injecté à l'entrée de l'amplificateur ressort avec une forme triangulaire ou trapézoïdale, cela donnera un son distordu et désagréable.
Si le signal sinusoïdal de la fondamentale est restitué sans déformation, et la distorsion causée essentiellement par la présence de fréquences harmoniques, on entendra, en plus de la fondamentale, une note de tonalité supérieure qui ne représentera pas une distorsion mais seulement une autre fréquence non distordue.
Par exemple, des tubes qui génèrent des fréquences en harmoniques paires en rapport avec la note fondamentale, restitueront un son plus moelleux. La note sera identique mais dans une octave supérieure.
Quand une fréquence de 110 Hz (la note LA) est amplifiée par un tube électronique, il sera généré une fréquence harmonique à 220 Hz, et une autre à 440 Hz. Ce sont toujours des notes LA, mais dans des harmoniques supérieures.
Avec des transistors, qui génèrent au contraire des fréquences harmoniques impaires, les choses changent. Par conséquent, pour une fréquence de 110 Hz amplifiée, il sera généré une fréquence de 330 Hz, (note MI désaccordée), et une fréquence de 990 Hz (note SI désaccordée), et on entendra un LA en fondamental associé à un MI et un SI en harmonique, ce qui donnera un son désagréable.
C'est pour cette raison que l'on tolérera d'un amplificateur à tubes une distorsion harmonique jusqu'à 2 %, alors que pour un amplificateur à transistors, on tolérera que 0,5 %.
Evidemment, plus le pourcentage de distorsion est faible, moins l'amplificateur générera d'harmoniques, mais cela ne signifiera pas que la note résultante soit distordue.
Nous devons encore dire que l'oreille humaine n'est pas aussi parfaite qu'on le pense. Ainsi, un distorsiomètre est capable de mesurer un taux de distorsion harmonique de 0,01 %, alors qu'une oreille humaine ne l'entendra pas en dessous de 4 %.
C'est seulement quand la distorsion d'un signal sinusoïdal atteint environ 10 % que le son est ressenti comme désagréable.
Nous énumérons ici quelques formules complétées par des exemples, qui se révéleront utiles pour ceux qui souhaitent se lancer dans l'utilisation des tubes électroniques.
1° Pour calculer la valeur de la résistance de cathode nécessaire pour obtenir la tension négative de polarisation de la grille de contrôle, la formule à utiliser est la suivante :
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R = Ug / Ip |
Où R est la valeur de la résistance à insérer entre la cathode et la masse. Ug est la tension appliquée à la grille. Ip est le courant de plaque quand le tube est au repos ;
Cette formule n'est valable que pour les triodes. Pour les pentodes, il y aura lieu de faire la somme du courant plaque et du courant de grille écran.
Exemple 1 : Si on veut calculer la résistance de cathode d'une triode qui requiert une tension grille de 1,5 V, et un courant de repos de 5,4 mA, selon la formule édictée, la valeur sera de :
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R = 1,5 / 5,4.10-3 = 277 W |
Valeur que l'on arrondira à 270 W car dans un étage préamplificateur, l'amplitude du signal devra être notablement plus basse que la valeur nominale caractéristique, dans le souci d'éviter les distorsions.
Exemple 2 : Si on veut calculer la résistance de cathode d'une pentode (EL 34, par exemple), qui requiert une tension grille de 13,5 V, un courant plaque de repos de 80 mA, et un courant grille écran de 15 mA, selon la formule édictée, la valeur sera de :
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R = 13,5 / (80+15) = 142 W |
Valeur qu'on arrondira à 150 W.
2° Pour calculer la puissance dissipée par la résistance à insérer entre la cathode et la masse, on utilisera la formule suivante :
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P = Ip² x Rc |
Où Ip est le courant plaque. Rc est la résistance de cathode.
Exemple : Pour connaître la puissance dissipée d'une résistance de 150 W insérée dans le circuit de cathode d'un tube qui absorbe un courant plaque de 95 mA, selon le formule édictée, la valeur sera de :
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P = 95² x 150 = 1,34 W |
Valeur que l'on pourra porter avantageusement à 1,5 W ou mieux encore à 2 W, pour éviter une surchauffe excessive de la résistance.
3° Pour calculer la tension U et le courant I présents sur le secondaire d'un transformateur de sortie, connaissant la puissance P de l'amplificateur et l'impédance Zhp du haut parleur qui y sera connecté, on utilisera les deux formules suivantes :
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Où P est la puissance de sortie de l'amplificateur. Zhp est l'impédance caractéristique du haut parleur.
Exemple : Pour connaître la tension et le courant présents sur le secondaire d'un transformateur de sortie d'un amplificateur de 50 W, auquel est connecté un haut parleur de 8 W, selon les formules édictées, les valeurs seront de :
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On retrouvera la puissance de l'amplificateur en vérifiant les calculs à l'aide de la formule P = I x I, soit :
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20 x 2,5 = 50 W |
4° Pour calculer le gain G d'un tube électronique, connaissant sa pente Pt et sa résistance interne Ri, on utilisera la formule suivante :
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G = Pt x Ri |
Exemple : Pour connaître le gain d'un tube EL 34 dont la résistance interne est de 17 kW et sa pente est de 12,5 mA/V, selon la formule édictée, la valeur sera de :
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G = 17.103 x 12,5.10-3 = 212,5 fois |
5° Pour calculer le courant absorbé par un tube délivrant une puissance donnée, on utilisera la formule suivante :
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Où P est la valeur d'une puissance donnée. Zc est l'impédance de charge.
Exemple : Pour connaître le courant absorbé par un tube EL 34 dont l'impédance de charge est de 2 kW, lorsqu'il délivre une puissance de 6 W, selon la formule édictée, la valeur en sera :
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