AMPLIFICATEUR 2 x 60 W - PUSH-PULL ULTRA-LINEAIRE DE KT77
Projet publié dans la revue Electronique Pratique n°345 de janvier 2010 sous le titre: "Amplificateur de 2x60 W - Push-pull ultra-linéaire de KT77"
Cette réalisation très classique met en œuvre un push-pull de tétrodes KT77 fonctionnant en classe AB1.
Il développe une puissance de 2 x 60 Watts RMS pour un taux de distorsion de l’ordre de 2%.
LE SCHEMA
Schéma de l’amplificateur
Le circuit d’entrée et déphaseur
L’impédance d’entrée est fixée à 80 kΩ, mais peut être supérieure en augmentant la valeur de R1.
Le signal est injecté sur la grille en broche 4 de la 6SL7 (V1B). Le gain de cet étage est de 50 (34 dB) sans contre-réaction. Le tube 6SN7 (V2B) est monté en cathode suiveuse et le couplage V1 vers V2 est direct.
La polarisation de grille des 2 éléments du premier tube (V1) est fixée à 42 Vdc par le pont diviseur R4/R5.
Ceci nous permet de limiter drastiquement les variations du point de fonctionnement dues aux dispersions des caractéristiques Vgk.
Le déphaseur est du type paraphase, il a été décrit en détail dans la revue Electronique Pratique n° 314 sous la plume de notre collaborateur A. Bassi. L’ajustable P1 permet de doser l’amplitude du signal déphasé, et d’injecter exactement le niveau requis aux tubes de puissance, sans affecter le point de fonctionnement des ‘’drivers’’. Son réglage permet de réduire le taux de distorsion à son minimum. Pour autant que les tétrodes de sortie soient bien appairées, ce réglage correspond à une amplitude identique du signal sur chacune des cathodes. Un simple voltmètre AC est alors utilisé pour ce réglage. Les deux signaux déphasés se retrouvent aux cathodes de la 6SN7 (V2). L’avantage de ce type de circuit est une parfaite symétrie et une attaque des tubes de puissance à basse impédance.
Le choix des tubes 6SL7 et 6SN7 s’est imposé logiquement pour ce type de réalisation. Leur réputation de fiabilité n’est plus à démontrer.
Le Push-pull
Le push-pull met en œuvre deux tétrodes KT77. Ce tube au culot octal admet une dissipation anodique maximale de 32 W et présente trois avantages certains: le chauffage des filaments ne nécessite que 1,4 A , sa pente est de 10,5 mA/V et il est spécifié pour une tension maximale de 800 V à l’anode et 650 V à l’écran (figure 4).
Ce tube a été conçu spécialement pour le fonctionnement en ultra-linéaire. Il est donc particulièrement résistant et la durée de vie affichée selon les spécifications du fabricant Genalex est estimée à 10000 heures pour une dissipation moyenne de 25 Watts par tube.
Nous avons opté pour la polarisation individuelle des grilles. Le push est alimenté en +550 Vdc non-stabilisé aux anodes et grilles écran.
Les cathodes sont reliées à la masse par des résistances de 10 Ω et chaque tube est protégé par un fusible de 250 mA. Les potentiomètres P2 et P3 fixent le courant de repos à 30 mA. La dissipation de chaque tube au repos est de 16,5 Watts. A la puissance maximale, le courant de cathode monte à 100 mA.
Les tubes mis en service sont de marque Genalex (photo) et JJ Electronic avec les mêmes résultats probants. Nous fonctionnons en classe AB1 jusqu’à la puissance maximale.
Le Transformateur de sortie
Le modèle choisi est un 1650P fabrtiqué par Hammond. Son impédance primaire fait de 6600 Ω et il est pourvu de prises à 43% pour le raccordement des grilles écran. Le secondaire permet le raccordement fixe de charges de 4/8/16 Ω. La BP s’étend de 30 à 30 kHz à la puissance nominale de 60 W. L’impédance recommandée par le fabricant des tubes pour cette configuration est de 5500 Ω. Ceci reporte l’impédance de sortie de 8 ohms à 6,6 Ω ce qui est proche de l’impédance fréquemment rencontrée pour les enceintes HIFI bien amorties.
Circuit de contre-réaction et d’amortissement
Une portion du signal de sortie, prélevée directement au bornier du HP est réinjectée dans le circuit de cathode de V1A. Nous avons volontairement opté pour un taux de contre-réaction assez faible: 8 dB. La qualité du montage et certainement des tubes de sortie nous permet de nous contenter ce faible taux de contre-réaction. En l’absence de contre-réaction le taux de distorsion à 60 Watts est inférieur à 5 %. C’est également un gage de stabilité pour l’amplificateur: En l’absence de charge le push n’accroche pas ni ne présente d’instabilité à basse fréquence du type ‘’motor boating’’.
Ce faible taux influence également le comportement à l’écrêtage. Ce dernier se produit de manière assez douce, alors qu’un taux de contre-réaction plus élevé a tendance à rendre le clipping plus abrupt (figure 17).
En l’absence de contre-réaction, l’impédance interne de l’ampli est de 8 Ω, et le raccordement d’une charge de 8 Ω fait chuter la tension de sortie de moitié. C’est la contre-réaction qui conditionne l’impédance interne ou le facteur d’amortissement. Ce dernier est de 3,2 pour une impédance interne de 2,5 Ω.
Il est possible d’améliorer ce facteur en augmentant le taux de contre-réaction, toutefois 8 dB constitue un bon compromis. Le rôle du circuit d’amortissement (R14/C9) est de limiter la bande passante interne à 30 kHz, de temporiser la progression des transitoires et empêcher le fonctionnement non-linéaire du PP. Ce phénomène n’existe pas en l’absence de contre-réaction. Le temps de montée est de 6 µS.
L'Alimentation
Schéma de l’alimentation
Un transfo de 300 VA fournit la tension de chauffage de 6,3 Vac, la HT de 800 Vac à prise centrale et 50 Vac pour la polarisation. Il est disponible chez Hammond et porte la référence 300BX. La mise en service de l’alimentation est temporisée par l’intermédiaire d’un relais de 230 Vac . En effet, la pointe en courant qui atteint aisément les 20 A à la mise sous tension aurait tôt fait de détruire le switch.
A de la mise sous tension, une résistance limite le courant à 4 A pendant 5 secondes, le temps que le régime alternatif s’établisse dans le transformateur et que les condensateurs tampons se chargent.
La temporisation du relais K1 est réalisée par le circuit C1 - R3+R4. Après la situation transitoire, la tension s’établit à 133 Vdc aux bornes de K1.
Comme le secondaire est à prise centrale, le redressement se fait par deux diodes 1N4007. La haute tension redressée et filtrée par la cellule C2-C3 - L1 – C4-C5 atteint +550 Vdc. La self choke de 2,6 H est prévue pour un courant maximal de 300 mA, sa résistance propre fait 21 Ω . L’ondulation résiduelle après filtrage est de 30 mVac et 300 µVac en C13 sur les cartes ampli.
La tension négative de polarisation est obtenue par le redressement de la prise 50Vac. Le condensateur tampon est placé sur la carte ampli.
Le courant de chauffage cumulé de tous les tubes atteint (4x1,4A) + (2x0,3A) + (2x0,6A) soit 7,4 A.
Le transformateur principal ne délivre que 6 A et nous réserverons celui-ci pour le chauffage des quatre KT77.
Nous utilisons un transformateur torique de 15 VA pour le chauffage des 6SL7 et 6SN7. Comme ce transformateur peut débiter 2,5 A sous 6 Vac, la tension s’établit à 6,3 Vac pour le courant de chauffage de 1,8 A.
Les filaments des 8 triodes sont polarisés à +52 Vdc afin de supprimer l’influence thermoïonique ‘’filament-cathode’’ qui peut induire un ronflement à 50 Hz surtout au niveau des triodes d’entrée. Le niveau de bruit mesuré en sortie haut-parleur est de 500 µVac linéaire et 80 µVac en pondération A.
Le transformateur principal offre un panel complet de tensions d’attaque au primaire. Il importe de choisir avec soin celle: 220, 230 ou 240 Vac qui correspond avec votre secteur.
MISE EN OEUVRE
La mécanique
L’ensemble du projet est placé sur un châssis de dimensions extérieures 305x254x51 mm. Il porte la référence 1441-29BK3 chez Hammond. La réalisation comprend 3 cartes imprimées: deux cartes ampli et la carte alimentation. La fixation des trois transformateurs et du choke ne nécessite pas de découpe au niveau du châssis, ce qui facilite grandement la réalisation et offre un maximum de place sous le châssis.
Il est plus facile de réaliser en premier lieu la partie mécanique en se servant de la carte de base non-montée. Les photo 4 et figure 8 sont assez didactiques et vous serviront de guide pour la réalisation. On percera un premier trou de référence marqué d’un astérisque avec une bonne précision. On y fixera la carte de base à l’extérieur du châssis, cuivre apparent, par une vis M3. A l’aide de la carte bien positionnée orthogonalement on percera les autres trous. Le perçage des huit culots noval est réalisé à l’aide d’un emporte-pièce de 27,5 mm et celui des sept trous de passage des fils par un emporte-pièce de 16,5 mm. Ces dimensions d’emporte-pièce sont normalisées et disponibles auprès des distributeurs d’outillage.
On notera également la position du relais K1, de la résistance R1, du torique TR2 et des deux barrettes relais.
Sur la face arrière (figure 9, photo 5), les perçages ne demandent pas la même précision. Le diamètre du socle RCA fait 22 mm et sera également percé avec un emporte-pièce de 22,5 mm.
Vous l’avez compris : les diamètres de 16,5, 22,5 et 27,5 mm sont fréquemment utilisés dans les montages à tubes, et seul un emporte-pièce permet de réaliser un travail propre.
L’orientation du transformateur d’alimentation, des transformateurs de sortie et du choke doit absolument être respectée au risque de voir se développer une tension induite de 50 Hz. Cette tension est nulle dans la configuration choisie. Une grille en fer ajourée à laquelle sont fixés quatre pieds de 20 mm de haut viendra se fixer sur les bords du châssis.
Les circuits imprimés
Nous recommandons de ne compléter les cartes qu’après s’être assuré que la mécanique ne posait plus de problème.
La carte ampli
Typon à l’échelle 1
La carte ampli (photo 7 – figure 10) mesure 122 x 135 mm. Cette carte embarque tous les composants électroniques de l’ampli. Elle est dessinée pour accepter d’autres configurations comme l’auto-polarisation par courant de cathode pour un fonctionnement en classe A ou alimentation fixe des grilles écran. La première opération consistera à insérer les 13 picots de 1,3 mm et 4 points de test. Suivra ensuite le placement des résistances R29, R30, R2 & R5 dont les soudures sont situées sous les culots octal. Nous souderons ensuite les 4 supports octal. Le placement de ces supports est prévu pour que l’épaulement du support vienne épouser le fond du châssis lorsque le la carte est fixée à l’aide d’entretoises de 15 mm. Comme ce circuit imprimé est également utilisé pour d’autres réalisations, certains emplacements de composants resteront libres. Les résistances R19, R20, R27 et R28 sont soudées à 5 mm de la surface de la carte.
Il est préférable de pré-tester la carte en dehors du châssis. Mais cela nécessite une tension d’alimentation continue variable jusque 380 Vdc ou un auto-transformateur variable. Le test se fait sans les tubes de sortie, on vérifiera les valeurs des tensions aux cathodes de la 6SN7. Une tension de 200 Vdc indique un point de fonctionnement correct. Un signal de 200 mVpp en entrée se traduit par une tension de 10 Vpp sur les broches 5 des KT77. En l’absence d’alimentation HT de test, notez que la carte est déjà fonctionnelle à partir de 40 Vdc, et sous 50 Vdc, la tension aux cathodes des 6SN7 est de +28 Vdc et le gain de 40.
Le potentiomètre P1 est ajusté pour obtenir exactement la même tension AC à chaque cathode.
La carte alimentation
Typon à l’échelle 1
La carte alimentation (photo 8 - figure 11) mesure 135 x 50 mm. Les 21 picots de 1,3 mm sont d’abord insérés ensuite viennent les composants par ordre de taille. Les deux résistances R12 & R13 sont soudées à 5 mm de la surface. Il est préférable de placer la carte dans le châssis pour procéder au test. Attention, en l’absence de charge la haute tension peut grimper à 600 Vdc !
Le montage final
Les premiers éléments à fixer sont les 12 entretoises M3 F-F de 15 mm de maintien des modules ampli et les 4 entretoises M3 M-F de 10 mm de la carte alimentation. Ensuite nous fixerons le transformateur torique la résistance R1 et le relais K1 avant de placer les 3 autres transformateurs.
Vous noterez sur la photo 4 la présence de deux barrettes relais. Elles sont fixées à l’aide de vis auto-taraudeuses et permettent le relais de divers fils des transformateurs d’alimentation.
Les masses
L’ensemble des circuits est flottant. La mise à la masse du châssis se fait en un seul point via la vis de fixation de la barrette relais reprenant les fils des primaires. On s’assurera que sans ce contact de masse, le circuit est bien flottant par rapport au châssis. Si ce n’est le cas, il faudra chercher et lever la fuite coupable.
Mise sous tension
La première mise sous tension se fait de préférence à l’aide d’un auto-transformateur variable, Le relais K1 basculera quand la tension primaire atteindra 190 Vac. S’assurer dès la montée de la haute tension que les potentiomètres P2 & P3 de polarisation des grilles sont bien au maximum de tension négative. Surveiller la montée de la haute tension jusqu’à obtenir la tension nominale du primaire du transfo. La haute tension s’établira à +550 Vdc, vérifier que la HT2 se stabilise bien à +380 Vdc. Les potentiomètres de polarisation sont ajustés pour obtenir un courant de 30 mA aux cathodes ou +300 mVdc aux bornes des résistances de 10 Ω.
La tension de polarisation des grilles doit être de – 45 Vdc environ. Ce réglage sera revu plusieurs fois au cours des premières heures de fonctionnement.
Le réglage de P1 nécessite un générateur de faible distorsion et un distorsiomètre. L’outil de test de distorsion présenté dans votre Hors-Série n°5 vous permet de réaliser cette opération aisément et à faible coût. Placer une charge de 8 Ω au bornier de sortie, injecter le signal à 1000 Hz de manière à obtenir 19 Vac en sortie. (45 Weff). Ajuster P1 pour un minimum de distorsion. En l’absence de cet outil on ajustera P1 pour obtenir exactement la même tension alternative sur chaque cathode de la 6SN7.
Quelques mesures …
La réponse aux signaux carrés présentée en figure 13 démontre une bonne tenue du palier à 100 Hz et un excellent comportement aux transitoires. Le temps de montée est de 6 µSec, soit une fréquence de coupure de 50 kHz à –3 dB. La mise en parallèle d’une charge réactive de 1 µF-8 Ω laisse le signal imperturbable. La figure 14 montre la représentation spectrale de la distorsion à 1 dB de la puissance nominale. On notera la prédominance des harmoniques impaires, les harmoniques paires étant atténuées à cause de la symétrie de l’étage de sortie.
La mesure de la distorsion d’intermodulation se fait en injectant un sinus de 60 Hz auquel on superpose un signal à 7 kHz à –12 dB (1/4) et le résultat à 7 kHz est étudié sur un analyseur de spectre. La DIM est inférieure à 1 % par rapport à la fondamentale à 60 Hz. La figure 15 présente l’évolution de la DHT en fonction de la puissance.
La figure 16 présente les niveaux de bruit et ronflements en sortie. Le niveau de référence est de –40 dBV, les signaux mesurés sont inférieurs à –66 dBV. Le bruit mesuré en sortie au millivoltmètre est de 500 µVac ou 80 µVac en pondération A. Ce qui nous donne -75 dB Lin ou 90 dBA comme rapport signal / bruit à 1 Weff.
L’écrêtage se produit de manière progressive vers 64 Vpp, c’est le ‘’soft clipping’’ typique des étages de sortie à tubes peu ou pas contre-réactionnés (figure 17). Cette caractéristique ‘’bluffe’ l’auditeur car elle donne l’impression d’une puissance apparente bien supérieure.
Et enfin à 1 Weff: notre réalisation affiche une DHT de 0,05 % (figure 18). Le résumé des caractéristiques techniques de notre prototype est présenté en figure 19.
Nomenclature des composants
Conclusion
C’est une réalisation dont le coût reste abordable pour un ampli à tubes de cette classe. Aucun composant ne fait l’objet d’une fabrication ‘’sur mesure’’ Les tubes sont disponibles auprès de nombreux distributeurs tant en NOS qu’en nouvelle fabrication. Le test d‘écoute confirme le temps de montée par une excellente définition des transitoires. La puissance de 2 x 60 Weff est impressionnante et limite les possibilités de test à pleine puissance. Le résultat se traduit par une restitution détaillée du message musical et un parfait équilibre du spectre. Les graves sont précis et sans traînage.
Cet ampli est présenté dans un habillage compact, de plus ce châssis accepte un capot de protection qui lui confère le look rétro des années 50 (photo 9).
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Récapitulatif des photos (Haute définition)
Galerie des Tubes
6SL7
6H9C Russe
6H9C Russe
6H9C Russe
6SL7 Substi-tube 6SL7 to 12AX7 !!!
6SL7 Amperex
6SL7 Brimar
6SL7 General Radio
6SL7 National
6SL7 RCA
6SL7 RCA
6SL7 RCA
6SL7 Sovtek
6SL7 Standard
6SL7 Sylvania
6SL7 Sylvania
6SL7 Sylvania
6SL7 Sylvania
6SL7 Tung-Sol
6SL7 Tung-Sol
6SL7 Tung-Sol
6SL7 Tung-Sol
5691 General Electric
CV1985
VT229 RCA
6SN7
6H8C Russe
6H8C Russe
6SN7 ARC
6SN7 Brimar
6SN7 Brimar
6SN7 Cossor
6SN7 Electro Harmonix
6SN7 Electro Harmonix
6SN7 Electro Harmonix
6SN7 General Electric
6SN7 General Electric
6SN7 Haltron
6SN7 Magnavox
6SN7 Raytheon
6SN7 Raytheon
6SN7 Raytheon
6SN7 RCA
6SN7 Sperry
6SN7 Sylvania
6SN7 Sylvania
6SN7 Sylvania
6SN7 Tung-Sol
6SN7 Tung-Sol
6SN7 Tung-Sol
6SN7 Westingouse
CV1988 Marconi
ECC32 Mullard
ECC32 Mullard
KT77
KT77 Genalex Russe
KT77 Genalex Russe
KT77 Genalex UK
KT77 General Electric UK
KT77 General Electric UK
KT77 Gold Lion UK
KT77 Groove Tubes
KT77 JJ