association française des arts et techniques du son
A.R.T.S.

 

TRIODE CONTRE PENTHODE : LE MATCH

par Norman H.Crowhurst¹;

traduit par Rinaldo Bassi

 

Il a plus d' une dizaine d'années, le choix d'un étage de sortie pouvait se résumer simplement ainsi : penthode ou triode, cette alternative faisait toutefois l'objet d'un apre débat. Certains étaient partisant de ce que nous pourrions appeler la technique de la "force brutale": employer sufisamment de triodes en parallèle pour obtenir la puisance désirée. Ils affirmaient qu'un étage de sortie triode, bien qu'ayant un rendement inférieur à un étage pentode, était intrinsèquement générateur de moins de distorsion.

Ceux en faveur de l'étage de sortie penthode insistaient sur son meilleur rendement et démontraient qu' ils obtenaient la même puissance pour un prix de revient considérablement inférieur. Ils affirmaient en outre que le taux de distorsion produit par une penthode n'était pas supérieur à celui d'une triode et qu'il pouvait même parfois lui être inférieur.

ESSAYONS D'Y VOIR CLAIR...

Chaque camp dans le débat avait ses atouts,ce qui permettra en fait d'expliquer la création des divers circuits qui sont décrits dans cet article comme la tentative d'allier les avantages respectifs de chacun. A ce jour, une si grande variété d'étages de sortie est disponible, avec tellement de qualités, parfois difficiles à réconcilier, clamées pour chacun d'eux, que beaucoup d'entre nous y compris les ingénieurs en ont perdu leur latin ne s'y retrouvant plus dans les caractéristiques, voire même les principes de base de chaque montage.

La meilleure facon d'y voir clair est de choisir une paire de tubes de puissance par exemple deux 5881 (2) sur lesquels nous possédons tous les réseaux de caractéristiques nécessaires et de les faire fonctionner dans tous les circuits imaginables. Il est possible que l'emploi d'autres tubes de puissance altère légèrement le classement relatif de chaque circuit employé mais en général l'utilisation de tubes différents n'a d'impact réel que sur la puissance dissipée.

A partir du moment où vous disposez des différentes alimentations nécessaires et où vous vous fixez un taux de distorsion acceptable il n'existe que trois types d'étages de sortie possibles : triode, pure tédrode (ou penthode) et ultra-linéaire Nous verrons que tous les circuits décrits ci dessous y compris ceux qui utilisent des charges répartie, ou des charges cathodiques totales ramènent toujours à l'un des trois mode de fonctionnent fondamentaux.

A PROPOS DES ALIMENTATIONS

Il convient tout d'abord d'étudier les problèmes posés par l'alimentation en panicuIier par la source de tension négative de polarisation.

La capacite d'un amplificateur à réagir aux fortes transitoires contenues dans un programme musical sans en altérer les pianissimi, dépend essentiellement de la strurcture de l'alimentation, qui utilise des condensateurs de forte capacité. Pour un impulsion transitoire courte, qui va se traduire par un bref appel de puissance à l' alimentation, les condensateurs ne vont pas avoir matériellement le temps de se décharger ; nous considèrerons donc que la variation de tension induite est négligeable et que l'étage de puissance restera correctement alimenté. Mais dans le cas d'un appel de puissance prolongé (tutti d'un grand orchestre par exemple), l'augmentation du courant dans le circuit de plaque des tubes de puissance va entraîner une baisse graduelle de la tension d'alimentation. Dans un ampIificateur bien étudié, deux conditions sont donc nécessaires pour qu'un message musical ne soit pas altéré :

Pour que cette demière condition soit respectée, il est essentiel que toutes les tensions d'alimentation (anode, écran et polarisation) aient la même constante de temps.

Quel que soit le circuit utilisé le courant d' un étage de sortie augmente avec le niveau du signal (3) Ceci signifie que la tension d'alimentation chute en propotion, à moins que nous n'utilisions des procédés spéciaux, souvent hors de prix, pour obtenir une bonne régulation(4).

Dans le cas d'une polarisation automatique, la tension de polarisation augmente au fur et à mesure de la chute de la tensíon d'alimentation, car la résistance de polarisation est parcourue par un courant qui va croissant. Dans le cas d'une polarisation dite "fixe" , le phénomène de variation de la tension de polarisation se produit à l'écrêtage ; cette fois-ci, c'est le courant de grille à travers la résistance de fuite qui en est le responsable.

Un circuit utilisant une polarisation automatique, parfaitement conçu, satisfait aux deux critères precédemment exposés ; mais le problème posé par la poIarisation fixe est autrement plus difficiIe à résoudre.

Quand nous arrivons à l'écrêtage, la tension de polarisation négative augmente, ceci est dû à la chute de tension causée par le courant de grille dans la résistance de fuite de cette demière(5). Or l' alimentation destinée à la polarisation des tubes de puissance a nécessairement une grande constante de temps, car elle doit fournir une tension continue, exempte de tout résidu altematif, à un circuit qui, par principe, ne consomme aucun courant. A la limite d'écrétage, lorsque le courant de grille apparait, l'augmentation temporaire de la tension de polarisation va être appliquée aux bomes du condensateur ballast de l'alimentation, mais, à la cessation du phénomène d'écrètage, aucun courant ne circulant pratiquement dans le circuit de polarisation, la tension de polarisation restera relativement élevée pendant un certain délai, et elle mettra beaucoup plus de temps à retrouver sa vaIeur nominale que la haute tension (tension plaque).

Pourquoi utiliser alors une tension de polarisation fixe? Tout simplement parce que c'est le dispositif qui procure le maximum de puissance d'une paire de tubes donnée, en nous permettant de choisir le point de fonctionnement optimum sur le réseau de caractéristiques.

Cette augmentation de puissance n'est pas apparente tout le temps, car l'écrétage apparaît toujours dans un amplificateur(6) Avec une polarisatjon fixe les changements erratiques de cette dernière causés par le courant de grille, risquent de faire apparaîhe des distorsions non contrôlées. Avec une polarisation automatique, ces distorsions apparaîtront aussi, mais uniquement à l'écrêtage, ce qui est subjectivement plus supportable. C'est pour cette raison que les auditeurs concluent souvent qu'un amplificateur avec une polarisation automatique produit "plus de puissance", alors que les mesures démontrent I'inverse.

LE PUSH-PULL DE TRIODES

Le schéma de la figure 1 montre le circuit utilisé. La polarisation fixe demande une alimentation séparée, avec l'avantage de pouvoir tirer le maximum de puissance de cette paire de tubes. La figure 2 nous montre le double réseau de caractéristiques Ia = f (Va) correspondant aux deux tubes montés en push-pull. Le point de fonctionnement optiomal correspond à une HT de 400 volts, pour une tension de polarisation de -45 volts. Les lignes pointillées correspondent aux caractiristiques de chaque tube, alors que les lignes en trait plein (tangentes aux premières) représentent la caractéristique composite des tubes fonctionnant en push-pull. La ligne centrale en trait gras représente la droite de charge optimale pour ce type de fonctionnement. Elle est de 4000 Ohms. Dans ces conditions, on peut tirer de l' étage une puissance de 13,3 watts avant écrétage, avec un taux de distorsion de 4,4 %, se décomposant ainsi ; environ 4 % d'harmonique 3 et 1,4 % d'harmonique 5 (7);.

La charge de 4000 ohms plaque à plaque est la charge idéale pour ce type de montage. Malheureusement, dans la réalité, nous sommes souvent très loin de l'idéal. La charge du tube en fonctionnement réel va augmenter ou diminuer, en fonction de la fréquence et, pire encore, va inclure une composante réactive.

La figure 3 montre deux séries de courbes caractéristiques pour un push-pull de triodes; Elles ont été obtenues en faisant varier la valeur de la droite de charge de 0,3 fois (soit 1200 ohms) à 3 fois (soit 12000 ohms) la valeur optimum de 4000 ohms (les droites de charge extrêmes ont été reportées en pointilIés sur la figure 2). Les deux courbes extrêmes nous montrent d'une part la variation de la puissance à la limite de l'écrètage en fonction de la variation de la charge, d'autre part la varation de la distorsion dans les mêmes conditions.

En réalité, la charge d'un étage de puissance ne peut jamais être assimiliée à une résistance pure, car d'ordinaire cette charge est constitué d'un ou de plusieurs hauts-parleurs, alimentés (souvent) à travers un filtre séparateur de fréquences. Cette charge complexe est plus ou moins réactive en fonction de la fréquence, ce qui a pour conséquence de transformer la droite de charge en une ellipse plus ou moins aplatie, telle que représentée en figure 4. En pratique, la charge va donc varier continuellement. Les deux autres courbes de la figure 3 montrent la variation du taux de distorsion et de la puissance disponible avant écrêtage pour une charge réactive théorique qui a été fabriquée de la façon suivante: une série de condensateur est d'abord branchée en parallèle sur la résistance de 4000 ohms, de façon à faire descendre l'impédance de charge à 0,3 fois la valeur nominale (1200 ohms), puis en série sur la résistance de 4000 ohms, de façon à faire, cette fois-ci, monter l'impédance de charge à 3 fois la valeur nominale (12000 ohms).

Nous pouvons constater que la perte de puissance avant écrêtage est de l'ordre du tiers de la puissance optimale et que l'augmentation du taux de distorsion est relativement importante ; mais, si nous allons examiner la figure 8, qui décrit le comportement d'un push-pull de penthodes soumis au même traitement, nous comprenons aisément pourquoi les triodes en push-pull ont été préférées aux penthodes.

POLARIATION FIXE OU AUTOMATIQUE ?

Toutes les courbes précédentes ont été reIevées en utiIisant une poIarisation fixe, fournie par une source de tension extérieure. Parfois, dans un souci d'économie, un circuit de polarisation automatique est utilisé, tel que représenté en figure 5. Si la polarisation fixe est employée de préférence à la polarisation automatique, c'est parce que le courant modulé circulant dans le circuit de plaque des tubes varie avec le signal. Avec -45 volts de polarisation et sans signal, le courant s'établìt à 65 milliampères, mais quand les tubes sont modulés à pleine puissance, le courant atteint 130 milliampères. Supposons que la polarisation ait été obtenue automatiquement (figure 5)(8). Au repos, pour obtenir -45 volts de poIarisation avec un courant de 65 milliampères, il faudrait une résistance de 700 ohms, mais à pleine puissance, avec un courant de 130 milliampères, pour conserver nos -45 volts de polarisation, il faudrait utiliser une résistance de 350 ohms seulement. Avec la résistance de 700 ohms, à pleine puissance, la tension de polarisation atteindrait -90 volts, provoquant un niveau intolérable de distorsion, les tubes étant modulés bien en deçà de leur cut-off. Si d'aventure pour corriger cet effet, nous utilisions une résistance de polarisation de 350 ohms seulement, la tension de polarisation au repos ne serait que de -22,5 volts, forçant alors les tubes à dissiper une puissance considérable au repos.

Un second effet néfaste est attaché à la polarisation automatique: la tension de polarisation vient effectivement se soustraire de l'aIimentation HT gIobale. Si la polarisation " swingue "de -30 à -60 volts par exemple, la tension de plaque elle va "swinguer" de 410 à 380 volts.

Si nous utilisons un systéme de polarisation automatique, il faudra choisir des points de fonctionnement où la variation du courant de plaque dans les deux tubes soit pratiquement constante, du repos à la pleine puissance(9)

.

Pour un push-pull de 5881 , les conditions d'utilisation en polarisation automatique sont les suivantes ; tension entre plaque et cathode de 400 volts, tension de polarisation de -35 volts (soit une haute tension de 435 volts), courant de repos pour les deux tubes de 130 milliampères, résistance de polarisation de 27O ohms, charge recommandée de plaque à plaque de 8000 ohms, puissance maximum de 8,2 watts, avec un taux de distorsion de 5 %, essentiellement de l' harmonique 3 (10).

LES CLASSES DE FONCTIONNEMENT

Jusqu'à présent nous n'avons pas parlé des " classes de fonctionnement" : classe A, classe B, classe AB, etc...Lorsque ces termes ont éti créés, ils étaient effectivement reprísentatifs des conditions réeIles de fonctionnement des tubes de puissance en push-pull, mais très vite, on s'est rendu compte qu'il était nécessaire d'introduire des suffixes définissant la profondeur de la modulation appliquée aux deux tubes fonctionnant en opposition. Ainsi, la classe " AB" signifie que les tubes sont poIarisés de telle sorte que, pour les petits signaux, la classe A soit utilisée, la polarisation se situant sur une partie linéaire de la caractéristique dynamique des deux tubes, alors que, pour les signaux de grande ampIitude, une partie de la modulation est tronquée, les tubes étant au "cut- off",en évitant cependant de moduler les tubes dans la région où les grilles deviendraient positives (11).

On s'est contenté pendant longtemps de ces désignations. Mais certaines techniques ont évoluées, en particulier pour les triodes, et on s'est apercu que dans certaines conditions, on pouvait utiliser une charge à peu près équivalente à leur résistance interne, au lieu de prendre une charge égale à plusieurs fois cette demière, comme c'est l'usage. Or, si nous traçons la droite de charge sur le réseau de caractéristiques, nous nous rendons compte que, dans ces conditions, le point de repos choisi pour la classe A correspond, à peu de chose près, à celui qui serait choisi pour la classe AB. Il est donc nécessaire, pour définir exactement la classe d'opération, de préciser la valeur de la charge, ce quì est au moins aussi important que le point de polarisation. La classification simplifiée devient alors aussi compliquée que la description détaiIlée du circuit qu'elle était censée remplacer. C'est pourquoi nous pensons qu'il est plus clair de définir le fonctionnement d'un push-pull en termes de tensions d'alimentation,de courants et d'impédance de charge plutôt qu'en terme de polarisation.

LE PUSH-PULL DE TETRODES OU DE PENTHODES

Examinons maintenant le fonctionnement en tétrodes ou en penthodes. La figure 6 nous montre le circuit utilisé et la figure 7 la position de la droite de charge sur le réseau de caractéristiques des deux tubes en push-pull, en fixant la tension de plaque à 360 volts et la tension d'écran à 270 volts, valeurs recommandées dans les caractéristiques des constructeurs. Si l'on se réfère aux caractiristiques officieIles du tube, l'impédance de charge à utiliser est de 6600 ohms plaque à plaque, la puissance atteinte avec cette charge étant de 26,5 watts,soit exactement le double de celle obtenue en fonctionnement triodes. En poussant la tension de plaque à 400 volts,il est même possible d'atteindre, sans dommages pour les tubes, une puissance de 35 watts.Le taux de distorsion à pleine puissance indiqué dans les caractéristiques officielles est de 2 %, ce quib correspond à la valeur que nous avons mesurée en pratique. Cependant, une analyse plus poussée nous montre une différence fondamentaIe entre la distorsion liée au fonctionnement en triodes par rapport à celle obtenue en penthodes. Les 2 % de distorsion haronique totale se décomposent ainsi ; 1,7 % d'harmonique 3 et 1% d'harmonique 7. Or, le 1% d'hannonique 7 se révèle bien plus désagréable que le 1,5 % d'harmonique 5 du fonctionnement en triodes, car les sons qui vont être créés, par interférence et par intermodulation, sont bien plus discordants.

La courbe de distorsion en fonction de la puissance de la figure 8 nous apprend quelque chose de plus sur le fonctionnement en penthodes. Non seulement il faut que l'impédance de charge soit la plus proche possible de la valeur optimale, mais le taux de distorsion et la puissance disponible sont directement dépendants de la présence ou de l'absence de composante réactive dans la charge. Si nous shuntons la charge par un condensateur (donc une réactance), de facon à faire tomber l'impédance à 30% seulement de sa valeur, le montage en penthodes délivrera moins de puissance que celui en triodes. Or un ratio de variation d'impédance de 3 à 1 est loin d' être impossible dans la réalité. Bien qu'un push-pull de penthodes délivre le double de puissance d'un push-pull de triodes (selon les méthodes classiques de mesure), en pratique, dans une charge réactive (ce qui est généralement le cas d'un système de hauts-parleurs), un push-pull de triodes sera mieux chargé et délivrera plus de puissance utile qu'un push-puIl de penthodes.

LE PUSH-PULL ULTRA-LINEAIRE

C'est pour pallier ces défauts qu'a été créé le montage ultra-linéaire. Si nous utilisons la 5881, qui est une tétrode à faisceaux dirigés, pour en faire une triode, nous réunissons la grille écran (grille n° 2) à la plaque, de sorte que cette grille "swingue" au même potentiel que la plaque ; alors que pour fonctionner en penthode, la grille n° 2 est maintenue à un potentiel rigoureusement constant, seule la plaque voyant sa tension varier, au rythme de la modulation.

Le fonctionnement ultra-Iinéaire est en quelque sorte intermédiaire: la tension de la grille écran (grille n°2 est rendue variable, au rythme de la modulation, mais I'ampleur de cette variation de potentiel est gardée inférieure à celle de la plaque. Ceci est obtenu en alimentant la griIle écran au moyen d'une prise intermédiaire sur le primaire du transformateur de sortie (figure 9). Il est évident que les caractiristiques statiques du tube vont changer avec ce mode de connection: elles sont représentées à la figure10(12), Ces courbes sont extraites du recueil officiel des caractiristiques de Tung-Sol. Elles sont obtenues en choisissant une tension de plaque de 400volts et en faisant varier indépendamment les tensions de plaque et de grille écran autour de ce point.

Avec le montage uItra-linéaire, la variatìon totale du courant de plaque en fonction de la variation de la tension de commande n'est pas aussi importante que pour d'autres montages. Pour cette raison, il y a peu d'avantages à utiliser la 5881 avec une polarisation fixe dans un tel circuit. En effet, pour une modulation à fond, la tension de polarisation optimale est de -45 volts, tombant à -40 volts au repos avec une polarisation automatique. Mais ceci n'est pas vrai pour tous les tubes de puissance. Pour beaucoup d'entre eux, il est plus avantageux d'utiliser une polarisation fixe, même en ultra-linéaire, car elle permet d'obtenir plus de puissance, sans jamais dipasser la dissipation maximale des tubes.

Avec une charge de plaque à plaque de 6500 ohms, sous 445 volts de tension plaque, nous obtiendrons le maximum de puissance d'un paire de 5881 en ultra-liniaire, soit 28 watts, pour un taux de distorsion de 3,3 % composé pratiquement uniquement d'hannonique 3. Ce montage est donc un compromis parfait entre les montages de triodes et de penthodes. En penthodes, on pouvait obtenir 35 watts avec 400 volts sur les plaques, il n'était pas possible d'appliquer 400 volts sur les écrans, car les tubes auraient rendu l'âme. Maintenant, jetons un coup d'oeil sur les courbes de la figure 11. On peut constater que bien que le montage ultra-linéaire ne tienne pas la puissance aussi bien que le montage de triodes dans le cas de variations extrêmes, en plus et en moins, de la charge, pour de petites variations de cette demière, les résultats sont au moins aussi bons qu'avec les triodes, et sont de toute façon bien supérieurs à ceux d'une utilisation en penthodes.

Si nous nous plaçons au point de la charge optimale, nous constatons que ce sont les triodes qui produisent le plus grand taux de distorsion, avec 4,5 %, les penthodes produisant elles le taux le plus bas, avec 2%. Mais si nous examinons la variation de la distorsion au fur et à mesure que nous nous écartons de la charge optimale, ce qui est toujours le cas en pratique, nous constatons que le montage ultra-linéaire donne le minimum de distorsion, suivi par le montage triodes, celui en penthodes arrivant très loin derrière(13). C'est uniquement au point correspondant à la charge idéale que les penthodes arrivent en tête, point imaginaire, car correspondant à une charge résistive pure, ce qui n'est jamais vrai dans la pratique.

LA TENSION DE COMMANDE

Jusqu'à présent, nous n'avons étudié les différents types de circuit qu'en termes de puissance et de distorsion.Mais dans l'étude d'un amplificateur complet, il faut aussi tenir compte de la tension altemative nécessaire à la grille de commande (grille n° 1) pour moduler ces circuits à fond. Dans des circuits plus complexes (qui seront vus plus loin), cette tension de commande peut varier dans d'importantes proportions, notamment dans les montages à charge cathodique, totale ou répartie.

La tension d'attaque des griIles peut être indiquée de différentes manières. Il convient de faire attention aux valeurs indiquées par les constructeurs dans leurs recueils de caractéristiques. Certains vont donner la valeur efficace de tension par grille, d'autres la valeur efficace de tension grille à grille (pour un montage push-pull), qui, bien évidemment, est le double de celle pour un seul tube. Des constructeurs donnent la valeur de la tension de crête par grille, qui est égale à l,414 fois la tension efficace, enfin d'autres encores fourniront la valeur de la tension crête à crête pour deux tubes, qui est le double de la valeur précédente. C'est cette dernière valeur qui représente le mieux Ia réalité, car c'est la seule qui nous indique avec précision ce que doit être la tension de commande. En push-puIl, chaque grille demande cette tension de crête, en opposition de phase, mais Ia tension maximale entre les grilles reste toujours la même puisque les signaux varient en opposition par référence à un potentiel fixe (qui est généralement Ia masse).

Dans les circuits précédemment examinés, le montage en triodes demandait 90 voIts crête à crête entre chaque griIle, le montage de penthodes n'en demandait que 45, alors que l'ultra-linéaire, comme les triodes, aura besoin de 90 volts crête à crête pour être modulé à fond.

L' IMPEDANCE INTERNE REELLE DES CIRCUITS EN COURANT ALTERNATIF

Intimement liée à la valeur de polarisation des grilles et à la façon dont ces demières sont modulées est la question de l' impédance interne de l' étage de puissance (14). Le fonctionnement en triodes, avec 45 voIts de polarisation fixe et une charge de 4 000 ohms de plaque à plaque, donne une impédance interne moyenne de 5 600 ohms dans le circuit primaire du transformateur de sortie, soit environ 1,4 fois l'impédance de charge. Ce qui signifie qu'au secondaire du transformateur de sortie, un haut-parleur de 10 ohms verra une impédance interne de la source de 14 ohms, essentiellement due à l'impédance interne des tubes.

Certains lecteurs seront étonnés par un chiffre aussi élevé; en effet, la valeur généralement considérée tourne autour de 0,3 fois l'impédance interne des tubes. Ce qu'ils oublient, c'est que cette valeur de 0,3 fois l'impédance de charge n'est valable qu'en classe A, lorsque l'impédance interne n'est qu'une fraction de l' impédance de charge(15). C'est le cas du montage de la figure 5, en polarisation automatique, dont l'impédance interne est d'environ 1200 ohms plaque à plaque, soit environ 0,4 fois la charge. Dans ce cas, le même haut-parleur de 10 ohms connecté au secondaire verra une impédance de source d'environ 4 ohms.

Dans le montage en penthodes, l'impédance interne réelle est de 5 à l0 fois l'impédance de charge, et elle est variable en fonction de la puissance délivrée par l'étage de sortie. C'est une des raisons supplémentaires qui rend la contre-réaction absolument nécessaire en fonctionnement penthodes, de façon à linéariser l'impédance interne de l'étage de sortie.

En revanche, le fonctionnement en ultra-linéaire,, chargé par 6500 ohms de plaque à plaque, présente une impédance interne d'environ 1,25 fois l'impédance de charge. Un haut-parleur de l0 ohms connecté au secondaire du transformateur de sortie verra une impédance interne de la source de 12,5 ohms, et ceci sans contre-réaction.

En terme d'amortissement du haut-parleur, c'est le montage ultra-liniaire qui présente le meilleur compromis de performance. Seul le montage en triodes en classe A, avec polarisation automatique, peut lui être consideré supérieur, avec une différence de taille: l'ultra-linéaire est capable de délivrer une puissance de 28 watts, contre seulement 8 watts pour le montage triodes.

LES MONTAGES A CHARGE DE CATHODES (" CATHODE FOLLOWER ")

Tous les circuits étudiés jusqu'ici, y compris le montage ultra-linéaire, peuvent fonctionner avec la charge dans le circuit de cathodes, ce qui veut dire que ce sont les plaques qui seront à la masse en alternatif et que la charge sera placée dans le circuit de cathodes(16). Bien entendue pour fonctionner correctement les tubes demanderont toujours la même tension entre plaque et cathode. Pour ce faire, les plaques seront tout simplement réunies à la haute tension, et le point milieu du transfonnateur de sortie sera connecté à la masse (17).

La figure 12 nous montre une paire de 5881, connectés en triodes, avec charge de cathodes. Si nous nous référons aux caractéristiques de ces tubes en triodes (figure 2), nous constatons que la tensìon plaque va "swinguer" de 400 volts, valeur nominale de la haute tension, à 238 volts, pour une modulation de la grille de commande de + ou - 45 volts. Au repos, la tension entre plaque et cathode est de 400 volts, pour une polarisation négative de la grille de 45 volts. Si maintenant la tension de grille "swingue" à +45 volts, la charge se trouvant dans la cathode, on verra la tension de la cathode grimper à +162 volts par rapport au potentiel de la grille. Ceci signifie que la tension qui doit être fournie à la grille pour préserver le "swing" de 45 volts est de 162+45=207 volts, par rapport au zéro de référence (la masse).

Nous voyons donc que le montage à charge de cathodes demande 414 volts crête à crête pour être modulé à fond. La puissance tiré du montage sera rigoureusement la même qu'avec une charge anodique classique, avec cependant une différence fondamentale: le comportement du montage en terme de distorsion.

En effet, sur les 207 volts appIiqués à la grille, qui comme nous l'avons vu se décomposent en 162 volts entre la cathode et la masse et 45 volts entre la grille et la cathode, les 162 volts contiennent toujours les 4,4 % de distorsion du montage traditionnel par rapport aux 45 volts entre grille et cathode. Mais la somme des deux tensions, elle, est en principe exempte de distorsion, c'est la tension réelle que nous avons appliquée entre la grille et la masse. Ceci peut s'expliquer comme suit : les 45 volts entre grille et cathode et les 162 volts entre cathode et masse contiennent tous les deux des éIéments de la distorsion globale, mais ceux-ci s'annulent car ils sont en opposition de phase(18). Ce raisonnement fonctionne dans les deux sens. Si par exemple, les 45 volts entre grille et cathode présentaient un taux de distorsion de 4,4 %, les 162 volts seraient absolument purs, et vice versa. En pratique, on mesure sur les 45 volts environ 3,3% de distorsion, et 1% de distorsion sur les 162 volts, soit à peu près 1,62 volt. Les 162 voIts en question sont la tension de sortie effective du montage puisqu'ils sont développés aux bornes du transformateur de sortie. Ceci signifie qu'on a ramené le taux de distorsion global de 4,4% à 1%. L'impédance interne de la source est tombée à 1250 ohms, bien que l'impédance de charge soit toujours de 4000 ohms, soit une impédance de source égale à 0,31 fois l'impédance de charge (contre 1,4 fois pour le montage classique).

LA PENTHODE EN CHARGE DE CATHODES

Il est possible de faire fonctionner un push-pull de penthodes en charge de cathodes, tel qu'indiqué dans le circuit de la figure 13. Ce montage demande un transformateur de sortie particulier, avec un enroulement supplémentaire auquel seront connectées les grilles écrans, car il est impératif que la tension instantanée entre les écrans et les cathodes soit rigoureusement constante. Dans ce cas de figure, la tension d'attaque des grilles sera de 280 volts (tension entre la cathode et la masse) plus 22,5 volts de tension entre la grille et la cathode, soit au total 302,5 volts (605 volts crête à crête).

Le même raisonnement développé pour la triode s'applique à la penthode. Le taux de distorsion tombe de 2 % à 0,15 % ; quant à l'impédance interne de la source, elle tombe à 450 ohms, ce qui représente 0,068 fois la charge nominale de 6600 ohms. La penthode en charge de cathodes est donc bien plus avantageuse que la triode en termes de distorsion et d'impédance interne, maIgré la tension d'attaque des grilles qui doit être de 302,5 volts par tube, contre 207 volts pour la triode. Autre avantage, le montage de penthodes délivre le double de puissance du montage triodes pour une tension de plaque de 360 volts (contre 400 volts pour la triode).

L'ULTRA-LINEAIRE EN CHARGE DE CATHODES

Il est aussi possible de faire fonctionner un montage ultra-linéaire en charge de cathodes en modifiant l'enrouIement de couplage des écrans utilisé en fonctionnement penthode a charge de cathodes (100 % de couplage) de facon à obtenir un couplage à 57% seulement. Ce qui signifie que la tensjon entre les cathodes et les grilles écran va "swinguer" à 57% de la haute tension, tandis que les plaques sont reliées directement à cette dernière, comme indiqué sur la figure 14. Il faudra faire passer la tension nécessaire à la modulation des grilles de commande à 690 volts crête à crête, ce qui est supérieur aux 605 volts crête à crête nécessaires au fonctionnement en penthodes. La distorsion va tomber à 0,5% et l'impédance de source à l/6ème de l'impédance de charge (1100 ohms de cathode à cathode)(19).

EN PRATIQUE

Le montage à charge de cathodes, malgré ses qualités certaines, est rarement utilisé à cause de la difficulté d'obtenir sans distorsion les très importantes tensions d'attaque des grilles nécessaires à ce type de circuit. c'est pour cette raison que sont utilisés, dans la majorité des cas, des montages dits "à charge répartie", qui sont des compromis intermédiaires. Si le principe du montage à charge de cathodes est bien maîtrisé, les montages dérivés seront aisément compris.

LES MONTAGES A CHARGE REPARTIE "UNITY COUPLING", APPELES AUSSI A ECRANS CROISES(20)

Le premier de ces montages est celui de la figure 15. C'est en réalité un montage penthodes dans lequel la charge est répartie par moitié entre les plaques et les cathodes. Ceci signifie que les plaques, écrans et cathodes vont "swinguer" dans le même rapport , cependant, comme les connections d'écran sont croisées (écran du tube 1 à la plaque du tube 2, et écran du tube 2 à la plaque du tube 1), la tension instantanée entre la cathode et l'écran de chaque tube reste constante, car la phase de la tension appliquée sur chaque écran varie en sens opposé de celle de la tension plaque et est donc en phase avec la tension recueillie sur la cathode.

Pour les montages à charge repartie, la conception et la fabrication du transformateur de sortie sont particulièrement ardus. il est vital que le couplage entre la cathode et l'écran soit le plus intime possible, car autrement le montage serait instable (l'opposition de phase nécessaire n'étant pas respectée tout au long de la bande passante). C'est pour cette raison que l'on doit bobiner les enroulements de plaque (donc d'écran) et de cathode simultanément (enroulement bifilaire), ce qui signifie qu'à chaque tour d'enroulement d'anode correspond un tour d'enroulement de cathode. Cette méthode pose un vrai problème d'isolement entre les spires, car en plus de la haute tension continue, les enroulements sont soumis à des tensions alternatives crête à crête très importantes, étant en opposition de phase.

Dans ce montage, la tension d'attaque appliquée à la grilIe de commande doit être égale à la moitié de la tension totale de sortie, 140 volts plus les 22,5 voIts de modulation, soit 162,5 volts, ce qui représente une tension de 325 volts crête à crête. C'est nettement moins que ce qu'exigeait le montage triodes à charge de cathodes. Notons que dans ce montage, les écrans et les plaques doivent fonctionner avec Ia même tension , car ils sont connectés aux mêmes enroulements du transformateur de sortie. Ceci modifie légèrement notre point de comparaison avec le montage en penthodes où la tension de plaque était de 360 volts et celle d'écran de 270 volts. Le taux de distorsion du montage à charge répartie est de 1,3 %, et l' impédance interne de la source est de 0,13 fois l'impédance de charge.

LE MONTAGE ULTRA-LINEAIRE A CHARGE REPARTIE(21)

Si nous réunissons les écrans à la source de haute tension et répartissons la charge entre anodes et cathodes, théoriquement, nous obtenons un montage ultra-linéaire (figure 16). En pratique, pour fonctionner strictement en ultra-linéaie, il faut que la variation de tension entre la plaque et la cathode diffère de celle produite entre l'écran et la cathode danss le rapport suivant ; ecran par rapport à la cathode 43%, ecran par rapport à la plaque 57% (ces pourcentages diffèreront selon les types de tubes employés). Ce circult a l' avantage de faire fonctionner les écrans à une tension inférieure à celle des plaques. Si la haute tension est de 400 volts, nous pouvons comparer les perfonnances de ce montage au montage ultra-linéaire classique.

La puissance de sortie est toujours de 28 watts. La distorsion passe de 3,3 % à 0,85 % (pratiquement uniquement de l'harmonique 3), et l'impédance interne passe de 1,25 à 0,32 fois la valeur de l'impédance de charge. La tension d' attaque nécessaire à la grille de commande est de 45 volts (griIle à cathode) plus 43% du "swing" de la tension de plaque du montage traditionnel (3OO volts entre la cathode et la masse) soit une tension crête de 174 volts par tube, ou 348 volts crête à crête. ce circuit est utilisé dans de nombreuses réalisations commerciales.

LE CIRCLOTRON(22)

Ce montage est representé dans son principe à la figure 17. Il exige deux alimentations haute tension qui, par souci de simplification, sont représentées par des batteries sur le schéma. Qui serait assez fou pour s'embarquer dans la conception d'un circuit utiIisant deux alimentations haute tension entièrement séparées, avec tous les problèmes que cela pose, uniquement pour l'étage de puissance d'un amplificateur?

La raison principale en est la suivante: ce circuit permet de s'affranchir d'un des problèmes majeurs présents dans tous les cas étudiés jusqu'ici, la conception délicate du transformateur de sortie. Le Circlotron ne demande pas d'étude particulière sur le couplage, critique, des enroulements du transformateur de sortie, ce qui est un avantage non négligeable. Avec ce montage, nous pouvons utiliser un transformateur de sortie bien moins coûteux, et le prix supplémentaire à payer pour disposer d'un second enroulement haute tension sur le transformateur d'alimentation n'atteindra jamais le surcoût d'un transformateur de sortie de haute quaIité.(23)

Les tubes fonctionnent en penthodes car les écrans et les cathodes voient leur tension instantanée varier dans le même sens. l'écart reste donc constant. Les deux tubes fonctionnent en parallèle, la cathode de chaque tube est reliée à la plaque du tube opposé à travers une des alimentations haute tension. C'est la différence majeure du Circlotron avec tous les autres montages push-pull, où les deux tubes sont en série par rapport à la charge et non en parallèle. La conséquence imponante de tout ceci c'est que la charge plaque à plaque, ou cathode à cathode, au choix, à une impédance égale au 1/4 de celle utilisée dans un push-pull de penthodes traditionnel. pour des 588l/6L6, la valeur optimale de l'impédance de charge au primaire ne sera plus que de l65O ohms.

Les deux alimentations haute tension sont flottantes, chacune étant réunie par le moins au transformateur de sortie(24). Le point milieu du transformateur de sortie étant référencé à la masse, si les grilles de commande des tubes étaient elles-aussi référencées à la masse en altematif, le montage serait identique à celui à charge de cathodes, pour la bonne raison que Ia variation de la tension grille devrait être égale à la somme de la tension de commande et de la tension développée aux bornmes du transformateur de sortie. Cet effet cependant est en partie annulé dans le Circlotron, dans la mesure où la haute tension de chaque tube driver est réunie à la haute tension du tube de puissance opposé(25).

LA TENSION D'ATTAQUE CRETE A CRETE

En considérant la masse comme référence, nous pouvons constater que chaque plaque et chaque cathode des tubes de puissance voient leur tension varier au rythme de la modulation de l40 volts crête à crête, exactement comme dans un montage à charge répartie, de même, les grilles demanderont pour suivre le "swing" des cathodes une tension de modulation supplémentaire de 22,5 volts, ce qui nous donne un total de l62,5 volts : jusqu'ici pas de changement.

Il nous faudrait donc une tension crête à crête de 310 volts pour moduler à fond les tubes de puissance, or le fait de croiser l'alimentation haute tension des tubes driver va provoquer le phénomène suivani ; l'extrémité de la résìstance de charge du driver connectée à la haute tension du tube de puissance opposé va voir sa tension "swinguer" de 280 volts crête (l40 + l40, alors que l'autre extrémité) de la résistance va "swinguer" de 330 volts crête ; ce qui revient à dire que la pente de la droite de charge dynamique du tube driver a été multipliée par un facteur de 7,2. C'est pour cette raison que nous pouvons utiliser une faible valeur de résistance de charge, afin de maintenir une tension de plaque élevée, la droite de charge dans ce cas étant multipliée par un facteur de 7. C'est ce qui permet entre autre d'utiliser un tube driver relativement modeste (26).

Si nous utilisons les mêmes tensions d'alimentation la puissance de sortie du Circlotron est la même que celle d'un push-pull de penthodes. Cependant, le taux de distorsion est identique à celui du montage à charge répartie, de même pour I'impédance interne de la source, car il ne faut pas oublier que, bien que les tubes soient connectés en parallèle (ce qui diminue leur résistance interne), ils "voient" aussi la charge en paral1ele, ce qui réduit d'autant le rapport de transformation du transformateur de sortie de façon à conserver une charge correcte pour ce montage. Comme signalé précédemment, le point milieu au primaire du transformateur de sortie ne sert qu'à fixer une référence à la masse pour les circuits de l'amplificateur.

La différence majeure du Circlotron par rapport au montage à charge répartie est dans le type de composants nécessaires au fonctionnement du circuit. Le montage à charge répartie demande un transformteur de sortie spécial, bobiné en bifilaire, mais ne requiert pas d'attention particulière à l'aIimentation. Le Circlotron, lui, se contente d'un transformateur de sortie simple, bien moins coûteux, mais en revanche exige une alimentation haute tension spéciale, comportant deux alimentatìons flottantes séparées (donc deux enroulements supplémentaires sur le transformateur d'alimentation).