Introduction aux triodes

Avant que vous débutiez la lecture de cet article, je tiens à préciser que le paragraphe “Schéma complet et application” est en cours de réécriture, il est donc momentanément retiré de cette page. J’ai décidé de remanier l’ancien contenu ( un exemple concret de calculs appliqués à un circuit simple mettant en oeuvre une amplification à polarisation de la cathode basé sur les caractéristiques de l’ECC88 de JJ-electronic). Après relecture, la méthode présentée ne m’a pas semblé assez claire et évidente. Dans ce paragraphe, le but est d’appliquer sur un exemple complet les concepts exposés dans les premières parties de ce document. Remise en ligne prévue dans quelques semaines.

Dans cette mise en pratique, la simulation des tubes sous PSPICE était également abordée. Cette partie simulation sera désormais sur une page dédiée.

Néanmoins, tout ce qui est présent ci-dessousa été écrit de manière à être abordable à toute personne ayant quelques notions en l’électronique. J’esère que ceci apportera des réponses aux plus curieux d’entre vous.

Le désir de reproduire le son ou plutôt les mélodies, d’une autre façon qu’en utilisant des partitions (trop sujettes à interprétations), est déjà ancien, un peu plus de deux siècles. Dès 1800, les premières expériences cherchent à montrer l’existence de vibrations sonores : un stylet relié à une membrane marque un cylindre enduit de suie...

La technique se précise en 1847, où apparaît le phonotographe sur le même principe que précédemment. Et le temps avance, les méthodes se modernisent et le phonographe arrive en 1877 grâce à Monsieur Edison.

Mais on est encore loin de l’architecture de l’amplification telle qu’on la connaît aujourd’hui… L’invention du tube va révolutionner le mode de l’amplification. Il serait maladroit de dire que le tube est l’invention d’une seule personne, elle est dépendante de tant de paramètres… De la découverte de l’électron, de la mise au point également de machine à vide poussé et surtout un aboutissement de plusieurs centaines de manipulations des physiciens du XIXième. Cependant, donnons ici encore quelques repères temporels : le très célèbre Thomas Alva Edison (1847-1931) avait mis au point la lampe à incandescence en octobre 1879, cependant le problème était que l’ampoule présentée un noircissement qui la rendait rapidement totalement opaque. Il avait également remarqué que pour un degré de vide particulier une couleur bleue apparaissait entre les électrodes qui maintenaient le filament. Soucieux de vouloir améliorer sa découverte, il place à l’intérieur de l’ampoule une feuille d’étain pour attirer le « noircissement » vers un point particulier et remarque le passage d’un courant entre le filament et la plaque, c’est « l’effet Edison ». Sans le savoir Edison venait d’inventer la diode à Vide. Ce n’est que 20 ans plus tard, en 1903 que le concept est repris par Sir John Ambrose Fleming qui invente la fameuse diode de Fleming. Lee de Forest (1873-1961) ajoute une électrode supplémentaire et dépose le brevet de la triode le 7 novembre 1905. La technique des tubes se modernise mais l’arrivée des semi-conducteurs dans les années 50 présage la fin de l’ère du tube.. Même si la fabrication de ces derniers a cessé dans les pays d’occident, ce n’est que pour mieux reprendre dans les pays d’ex-URSS (Russie, (ex)Yugoslavie) et dans les pays d’extrême orient (Chine).

Encore destiné à la haute fidélité aujourd’hui, la mise sur le marché d’amplificateurs à tubes à faible coût pourrait redonner une seconde jeunesse aux tubes sur le marché du grand public...

Le tube à vide est constitué d’un bulbe de verre dans lequel on fait un vide très poussé (environ 10^-7 mmHg). A l’intérieur, on trouve les éléments suivants :

• Une cathode incandescente (chauffée directement ou indirectement par un filament indépendant).
• 1 ou 2 anodes (2 anodes dans les diodes de redressement par exemple).
• 1 (Triode) ou plusieurs grilles (Tétrode, Penthode).

Considérons le tube diode dans un premier temps pour comprendre facilement le principe de fonctionnement. Dans une diode il n’y a que les élément anode et cathode. La cathode portée à incandescence émet des électrons (loi de Richardson-Dushman) dont la vitesse des électrons émis est régie par les lois de Maxwell. Mais faisons simple. Ces électrons, émis par la cathode, seront attirés par l’anode si celle-ci à un potentiel positif. La diode ne laissera passer les électrons que dans le sens cathode-anode, fonctionnement qui a été repris plus de cinquante ans plus tard pour la diode à semi-conducteurs.

La figure ci-contre illustre le principe du tube triode dans un circuit.

Le tube triode possède un élément supplémentaire appelé Grille qui se place entre la cathode et l’anode. En jouant sur la polarité de celle-ci, on intervient sur la vitesse des électrons, une grille négative ralentira les électrons, seuls les plus rapides franchiront la grille pour atteindre l’anode.

Une remarque importante sur la grille : lorsque son potentiel est négatif par rapport à la cathode, le courant de grille est nul. On peut donc contrôler le courant anodique sans consommer d’énergie. Deuxième phénomène intéressant : ce contrôle du courant d’anode se fait presque sans inertie du fait de la masse très faible des électrons, ces deux phénomènes combinés permettent l’emploi en Haute Fréquence (jusqu’à 1010 cycles par seconde). Mais ces propriétés sont également très intéressantes du point de vue de l’audio. La conformation interne d’un tube est donnée ci-contre.

Illustration : Electronique 1.Les composants M.Kaufman / J.A. Wilson

La figure suivante nous donne l’ensemble des éléments nécessaires à l’assemblage d’un tube.

Illustration : Electronique 1.Les composants M.Kaufman / J.A. Wilson

Après avoir défini les grandeurs électroniques (Notations, Tensions et Intensités) relatives aux circuits à tube, nous verrons la théorie relative à l’utilisation de tubes dans le domaine de l’audio, étude très vaste qui sera restreinte à la triode.

Notons que les tubes sont souvent destinés à des applications assez ciblées (Audio classe A, ou bien Push-Pull, certains sont plus destinés à la HF, d’autres encore aux oscillateurs...), ce qui se ressent sur la forme de leurs caractéristiques. Ainsi, bien souvent, l’utilisation d’un tube en dehors de l’application visée à sa fabrication donne bien souvent des résultats très moyens...

La polarité des tensions est indiquée par une flèche comme sur la figure de droite. La flèche est dirigée dans le sens d’une augmentation de tension, (la direction opposée représente alors une chute de tension). La différence de potentiel est une quantité scalaire, la flèche indique la polarité.

Le générateur à tension constante, sera représenté ainsi. On notera V (« grand V ») cette tension indépendante du temps (figure de gauche).

Le but de ces quelques lignes est de donner, de manière simple mais précise et efficace, les clefs pour monter une triode en amplificateur. (classe A, triode avec polarisation de la Cathode). L’objectif de cette étude est également de proposer des solutions tournant autour de tubes disponibles de nos jours et faciles à trouver...

Pour débuter, il faut noter que comme dans le monde du transistor, il faut se munir au moins du réseau de caractéristique de plaque de la triode (graphe représentant en ordonnée, en abscisse en correspondance avec quelques valeurs de ) que vous désirez mettre en œuvre. La figure ci-dessous donne la caractéristique (statique) de plaque et la caractéristique (statique) de transfert du tube E88CC (/ 6922) de la société JJ-Electronic (Ex-Tesla) (Tube facilement disponible et bien entendu toujours fabriqué actuellement).

Représentation de la fonction

Illustration : documentation E88CC JJ-electronic

Nous allons baser, à partir de maintenant notre étude théorique sur ce Tube. La manière la plus simple mais très efficace que nous allons développer, est établie en grande partie sur une analyse graphique, les calculs à effectuer en supplément sont relativement faciles.

Considérons le circuit amplificateur à triode présenté ci-après.

Lorsque l’on considère une triode, la borne de référence des tensions est la Cathode.

On note la présence d’une résistance sur l’anode, dite « Résistance de charge » (d’où ), les documentations techniques des tubes recommandent souvent une valeur selon le type de montage utilisé. Sa présence est assez simple à comprendre, l’Anode n’est en fait qu’un conducteur, les courants et tensions ne peuvent apparaître (liés simplement par la formule ...) que si une charge de valeur significative (non-nul) existe sur la boucle formé par , boucle qui repart à la masse par le tube à travers la Cathode.

Dans le cas d’amplificateurs linéaires à triode, on ne s’intéresse qu’à la région dans laquelle la tension de grille est négative par rapport à la Cathode (plan délimité par le réseau de courbes , dans presque tous les cas le seul représenté sur les caractéristiques) de telle sorte que le courant de grille puisse être négligé.

Considérons le dipôle d’entrée d’une triode dont les bornes sont la grille et la cathode. L’équation régissant courant de grille et tensions plaques/grille est :

Lorsque la grille est négative par rapport à la cathode (potentiel de Grille < potentiel de la cathode), le dipôle d’entrée peut donc être considéré comme un circuit ouvert lorsque . Dans ces conditions on limite le réseau de caractéristiques aux valeurs négatives de

Pour déterminer celui-ci il faut d’abord déterminer la droite de charge du tube. Pour cela il suffit de repérer deux points particuliers directement dépendants des valeurs de et . Ainsi, si l’on considère le circuit précédent et le réseau de caractéristiques de plaque, plaçons-nous dans les cas où :

• , alors soit dans notre cas 130V (en effet pas de courant dans la résistance donc pas de tension au borne de la résistance qui viendrait se soustraire à ).
• (la différence de potentiel entre la plaque et la Cathode est nulle dans ce cas comme si un fil reliait P à K) soit dans notre cas

On reporte ces 2 points sur le réseau, la droite qui les relie est la droite de charge. A partir de cette droite, il est possible de connaître toutes les intensités de plaque possibles (au repos, c’est à dire lorsqu’aucune tension n’est appliquée sur la Grille, d’où la notation ) suivant les valeur de . Sur ce principe, le point de fonctionnement est obtenu en traçant la tangente à la courbe (dans notre circuit, définie à –1V) au point d’intersection avec la droite de charge.

Les différents points et droites ainsi définis sont reportés sur la caractéristique de plaque.

Ces données reportées sur le graphique nous donne en fait le courant de repos et la tension de plaque (en effet, pour connaître la véritable tension de plaque, il faut considérer la chute de tension causée par la résistance).

Retrouvons par les calculs la relation entre et

Sur la figure ci-contre (droite), (la grille n’intervient pas...) la loi des mailles s’écrit :

Soit

Ainsi avec à 9,2 mA (lecture graphique), on retrouve,

en accord avec le graphique.

Nous remarquerons que la résistance de plaque est obligatoire, et que la puissance choisie pour cette résistance devrait être supérieure à la puissance calculée pour éviter toute perte de puissance en échauffement, car la puissance fournie par les tubes est une quantité précieuse...

Le circuit précédent, comporte en fait deux alimentations. L’alimentation de grille peut être supprimée pour des raisons évidentes de commodité et aussi (surtout) pour des raisons de performance en utilisant une résistance de « polarisation de cathode ». Le schéma de notre amplificateur devient alors :

Pour comprendre l’utilité de la résistance cathodique, il faut revenir quelque peu sur le principe de fonctionnement du tube. Lorsque l’on opère avec une tension de grille négative (par rapport à la Cathode), nous avons vu que le courant circulant entre Grille et Cathode est considéré comme nul. L’effet cathodique (migration des électrons dans le vide de la Cathode vers l’anode) nous permet de voir que la quantité d’électrons éjectée par la cathode se retrouve sur l’anode, soit et pour reprendre l’esprit et la rigueur des notations utilisées jusqu’à présent nous dirons qu’il sort de la cathode .

(courant instantané de plaque) = : Valeur moyenne du courant de plaque (fixé lors de la polarisation) + (« petit ‘i’ petit ‘p’ », courant dépendant du signal d’entrée (déplacement du point de polarision sur la droite de charge)

L’astuce est trouvée, il suffit d’effectuer quelques calculs avec la loi d’Ohm pour obtenir la valeur de souhaitée.

Voyons dans un premier temps la détermination de la valeur de cette résistance pour notre exemple (nous viendrons ensuite sur le rôle du condensateur de découplage de cathode).

La chute de tension entre la cathode et la masse peut s’exprimer ainsi :

• (on ne considère ici que les composantes fixes)
• soit

On prend la valeur standard la plus proche soit ici 100 Ω. Cependant, il s’agit de se souvenir, pour les plus pointilleux, que cet arrondi influencera légèrement le point de polarisation, mais la dérive bien souvent peut être quasiment négligée.

Revenons maintenant sur le condensateur de découplage de la cathode.

Si l’on considère maintenant les paramètres variables de l’équation , on note l’existence d’une tension variable de cathode . Pour contrecarrer cet effet, ajoutera un condensateur de capacité assez grande en parallèle à la résistance .

La tension variable avec impédance équivalente de la combinaison RC. On ajustera cette impédance de façon à ce que l’effet de cette tension variable soit négligeable.

Mais sans entrer dans des calculs complexes, le phénomène peut se comprendre très facilement sur quelques illustrations et exemples bien choisis.

A droite (Illustration : Initiation aux amplis à tubes - Jean Hiraga), une représentation symbolique du phénomène de contre réaction en courant. La variation de courant de plaque produit au borne de la résistance de Cathode un signal en phase avec le signal d’entrée. Et le problème est bien là, rappelons-nous que l’amplitude du signal sur la plaque est aussi grand qu’est la variation du signal d’entrée sur la grille, plus précisément la tension , différence de potentiel entre la Cathode et la grille.

Cependant, si la référence de tension, qu’est le potentiel de la Cathode, varie lui aussi en phase avec le signal d’entrée, il en résultera que la variation de sera diminuée de la variation de tension au niveau de la Cathode.

Pour rendre compte de l’ordre de grandeur de cette « atténuation », considérons à travers notre montage d’exemple, qu’un signal d’entrée quelconque induit une variation du courant de plaque, que l’on notera , de +3 mA (soit par exemple l’alternance positive d’un sinus...). La variation en tension sur la résistance de charge (autrement dit en sortie de l’étage amplificateur) égale à (déphasage), et au niveau de la cathode (le courant de Cathode est égale au courant de plaque) .

Il suffira de préciser que, sur ce circuit, une telle variation en courant est obtenue avec une tension de grille variant de +1V environ (un peu moins en réalité) (nous allons venir bientôt sur la manière « de déterminer la valeur de l’amplification »). Donc, en l’absence de condensateur de découplage, il faudrait soustraire 324 mV au signal d’entrée pour avoir la valeur réelle de la tension de grille... soit près d’un tiers...

Ainsi les valeurs de 25 µF à 47 μF peuvent être des valeurs suffisantes (on peut atténuer encore plus mais une trop grande capacité, avec la résistance de cathode, pourrait présenter d’autres inconvénients...).

Remarque sur le tracé de la droite de charge : Si la tension recherchée ne tombe pas sur une courbe, alors on peut procéder par interpolation linéaire (c’est vrai si l’on se trouve dans la région linéaire des courbes à constant, zone d’opération dans laquelle il est souhaitable de se trouver).

Le dernier point abordé dans cette partie « pratique » concerne l’adaptation d’impédance lorsque l’on cascade les cellules d’amplification.

Le couplage par condensateur est utilisé pour cascader (en série) les amplificateurs de puissance relativement faibles. Pour une amplification de puissance complète (de quelques Watts à une dizaine de Watts pour l’audio), ce n’est jamais un seul tube qui se charge de l’amplification complète, il est impossible d’amener un signal de quelques centaines de millivolts en entrée à dix voire vingt volts en sortie sous 8 Ω avec juste une triode. On cascade donc différents étages, les premiers transformerons les faibles tensions en plus grandes tensions, le dernier nécessitant de grandes variations de tension pour fournir du courant. Si on laisse de coté l’étage final de puissance, qui nécessitera un couplage sur la charge finale par transformateur (nous y reviendrons juste après), le couplage entre étage se fait le plus souvent par condensateur.

La résistance est ainsi nommée car il s’agit bien souvent de la résistance de fuite de grille de l’étage suivant. Notons alors que dans ce couplage par condensateur, il faut veiller à ce que la cellule RC constituée par et , structure passe-haut, satisfasse :

Ainsi, pas de déphasage et une fréquence de coupure qui n’affectera aucunement la bande audio.

Notons qu’avec l’ordre de grandeur de la résistance de Grille, quelques centaines de micro Farad suffisent pour que cette condition soit satisfaite.

Il s’agit ici de donner quelques éléments ou pistes pour comprendre le fonctionnement du couplage par transformateur. Je ne passerai pas en revue toute la théorie associée au transformateur de sortie audio, ce serait, d’une part très prétentieux, et surtout totalement impossible en quelques pages. Le transformateur, tire ces propriétés du phénomène d’induction en physique comme tout le monde le sait. Aussi, on aura conscience que l’élaboration de transformateurs audio dédiés aux tubes, doit répondre à des caractéristiques précises et difficiles à obtenir (résistance / bande passante) au primaire comme au secondaire et une qualité qui dépasse celle que l’on pourrait obtenir avec de simples adaptateurs destinés au redressement.

La figure ci-contre illustre le couplage par transformateur.

Illustration : Circuits Electroniques Edwin C.Lowenberg

Dans ce cas, on remarque que la résistance de charge de plaque est ici remplacée par le primaire du transformateur de couplage. Mais ne nous méprenons pas, la résistance indiquée sur un transformateur au primaire est la résistance en continue...

Approche avec le transformateur idéal

Si l’on considère le transformateur utilisé comme idéal, la résistance en régime continu sera donc nulle. Et la résistance au primaire en régime alternatif sera où , avec :

• nombre de spires au primaire.
• nombre de spires au secondaire.
• tension efficace au primaire.
• tension efficace au secondaire.

A partir de ces quelques lignes, on démontre assez facilement que la résistance au primaire, dans le cas d’un transformateur idéal, est égale au produit du carré du rapport du nombre de spires (primaire / secondaire) par la résistance de charge... soit comme cité précédemment.

Il est ainsi facile d’adapter en fonction du nombre de spires au primaire et au secondaire, un étage de puissance à une résistance de charge donnée. La puissance dissipée, dans ce cas idéal, à travers la charge vue du primaire sera la même à travers la charge au secondaire.

Mais la réalité est bien plus complexe, et le fait que le bobinage au primaire ait déjà une résistance et consomme donc de la puissance rend les choses bien plus complexes… La physique entre en jeu...

Cependant, il existe déjà sur le marché des transformateurs dédiés à des types de montages particuliers, le plus simple reste encore de connaître leur existence et de les utiliser, sachant que ces modèles sont utilisés dans les étages de sortie des plus grands modèles de certaines marques de la Haute Fidélité et leur conception longuement pensée assure tout de même un certain gage de qualité. Mais il faudra alors pouvoir débourser environ 200 Euros pour l’entrée de gamme… consolez-vous le sur-mesure est bien plus cher...

Cette section est en cours de réécriture

Circuits Electroniques Edwin C.Lowenberg - Série Schaum Mc Graw Hill – 1975

Electronique 1.Les composants M.Kaufman / J.A. Wilson - Série Schaum Mc Graw Hill – 1982

Initiation aux amplis à tubes Jean Hiraga – Dunod – ISBN : 2100052691