AMPLIFICATEUR PUSH-PULL A TRIODES 6BL7

Projet publié dans la revue Electronique Pratique n° 312 de janvier 2007 sous le titre: "Amplificateur hybride en push-pull"



Cet amplificateur met en œuvre un système hybride configuré en push-pull et composé d’une double triode 6BL7 et de deux transistors MOS BUZ80. Il développe une puissance de 2 x 5 Weff en pure Classe A, sa bande passante s’étend de 20 Hz à 25 kHz à -1dB. Présenté sous une réalisation compacte, il permet de sonoriser confortablement une pièce moyenne avec une qualité audiophile sans se départir de la dynamique.


LE PRINCIPE

La figure 1 montre le principe de l’étage de sortie. Chaque branche du push-pull est composée d’un ensemble hybride composé d’une triode dont l’anode est chargée par un transistor MOS de puissance configuré en source de courant. Une remarque d'un lecteur: l'amplificateur n'est pas vraiment ''hybride'' dans la mesure ou les deux sources de courant à semi-conducteurs ne font office que de charge d'anode et ne participent pas au transit du signal.
Le couple de triodes 6BL7 est polarisé pour qu’un courant de 30 mA s’établisse dans chaque branche du push lorsque la tension Vak atteint 200 Vdc. La tension de coude Vgs du BUZ80 est assez raide et s’établit vers +3 Vdc. La tension de polarisation imposée par la diode zener induit aux bornes de R24 une tension de 12 volts environ, ce qui fixe le courant dans cette branche à 26,4 mA.
Si nous ajoutons les 3,4 mA qui circulent dans la diode zener, nous avons bien les 30 mA qui traversent chaque triode.    
La double triode 6BL7 est un tube (photo1) qui a été étudié pour piloter les bobines de déflection des téléviseurs couleur américains. Chaque anode peut dissiper individuellement 10 W, mais cette dissipation est limitée à 6 W si les deux triodes sont sollicitées en puissance.
Ce tube est disponible en grandes quantités sur le marché des NOS et NIB sous toutes les grandes marques: RCA, General Electric, Sylvania, TungSol, Zenith et autres.
Le transistor SIPMOS BUZ80 développé par Siemens peut tenir une tension Vds de 800 Vdc et dissiper 100 W (figure 3). 


LE SCHEMA
Schéma de l’amplificateur

La ECC832 ou 12DW7 est une double triode asymétrique. La première triode (broches 6,7 et 8) possède les caractéristiques de la ECC83 et l’autre triode, celles de la ECC82.


Le circuit d’entrée

Le signal d’entrée est appliqué sur la grille de la ECC832 pour être amplifié de 36 dB (sans contre-réaction).
La polarisation de grille de la première triode est fixée à +36 Vdc par le pont diviseur (R9+R10)/R11. Ceci nous permet de limiter drastiquement les variations du point de fonctionnement dues aux dispersions des caractéristiques Vgk.
Le même pont diviseur R9/(R10+R11) verrouille le point de fonctionnement de la deuxième triode. Nous voici assurés de la parfaite stabilité des circuits d’entrée et de déphasage. Les filaments sont alimentés en 2 x 6,3 V alternatif et pour éliminer les risques d’influence thermoïonique ‘’cathode – filament’’, ceux-ci sont portés à un potentiel de +60 Vdc. Le déphaseur cathodyne fournit les signaux en opposition de phase aux grilles des triodes de sortie.


Le push-pull

Chaque triode voit son anode chargée par une source de courant fixée à 30 mA.
Le potentiomètre P2 permet l’ajustage fin de la polarisation de chaque grille et assure l’équilibrage du push-pull. Le réglage se fait pour annuler la différence de potentiel entre les deux anodes.
Le signal est appliqué au transformateur de sortie via une capacité de 10 µF afin d’éviter de faire circuler du courant continu dans le transformateur.
Dans notre montage, chaque transistor ainsi que chaque triode dissipe 6 W.
La mise en œuvre pratique des MOS de puissance demande quelques précautions.
Les diodes D1 à D4 bloquent les tensions inverses et les capacités C10 à C14 écrasent les risques d’accrochage.


Le transformateur de sortie

Le transformateur de sortie utilisé est un modèle torique de 230V/2x6V de 30 VA.
Ces transformateurs sont initialement dessinés pour fonctionner à 50 Hz et sous une tension maximale de 240 Vac avec une petite réserve. En dessous de cette fréquence, la saturation du noyau est inévitable et la tension d’attaque admissible descend rapidement. Ainsi à 20 Hz, la tension d’entrée avant saturation n’est plus que de 120 Vac environ, ce qui nous donne avec le rapport de transformation une puissance de 5 Weff dans 8 Ω.  Ce choix permet de descendre à bon prix jusque 20 Hz à –1dB. La fréquence de coupure haute est de l’ordre de 100 kHz, mais nous l’avons limité volontairement à 25 kHz à –1dB. Nous avons prévu la possibilité de couper les haut-parleurs pour l’écoute au casque, et dans ce cas l’interrupteur S1 met en circuit une résistance de charge de 10 Ω.     


La contre-réaction

Le taux contre-réaction appliqué s’élève à 18 dB sans qu’il n’y ait d’accrochage ni de ‘’motor-boating’’. Ce taux élevé pour un amplificateur à tubes a pour effet d’abaisser la résistance interne de l’ampli à 0,33 Ω avec pour conséquence un facteur d’amortissement de 25.


Le circuit d'alimentation

Schéma de l’alimentation
Le transformateur torique a été étudié par ACEA et porte la référence P0292A.
Il a l’avantage de ne pas prendre trop de place en hauteur (35 mm), de plus son rayonnement magnétique est insignifiant. Il propose 3 secondaires : 1 x 305 Vac / 175 mA et 2 x 6,3 Vac / 1,8 A et affiche une puissance de 75 VA. La haute tension redressée monte à 400 Vdc sur le condensateur C61. Si la tension secteur est de l’ordre de 240 Vdc cette tension monte sans problème (pour l’ampli) à 420 Vdc. Un fusible rapide de 160 mA protège l’électronique des court-circuits. Les filaments des 6BL7 sont alimentés en 6,3 Vac et ceux des ECC832 en 12,6 Vac.  Le point milieu de l’enroulement 12,6V est porté à un potentiel de +60 Vdc afin d’éliminer les risques de ronflette dus à l’influence thermoïonique ‘’filament – cathode’’. L’ondulation pour un courant de 130 mA est de 10 Vpp. Cette ondulation n’a que peu d’influence sur le ronflement au niveau du push-pull, en effet, l’exacte symétrie de l’étage de sortie élimine tout signal égal et en phase présent aux anodes et la contre-réaction fait le reste. L’ondulation en sortie ne dépasse pas 1 mVac.

 
MISE EN ŒUVRE

Le châssis

Le châssis est composé d’un châssis Hammond de 254 x 152 x 51 mm surmonté d’un petit châssis du même fabricant de 152 x 102 x 51 mm.
Il est plus facile de réaliser en premier lieu la partie mécanique en se servant de la carte non montée et des divers éléments.
Le transformateur d’alimentation est fixé au-dessus du châssis et protégé par le deuxième petit châssis.
Le petit châssis sera fixé sur le grand en fin de montage par 4 vis auto-taraudeuses de 6,5 mm et 2,9 mm de diamètre.
Le transformateur d’alimentation est monté à l’aide de deux coupelles de maintien.
Celle du bas, montée à l’envers surélève le transfo de 10 mm environ. Ceci permettra la fermeture du capot supérieur et le placement de la vis de fixation du transformateur de sortie situé sous le châssis. La vis de maintien du transformateur d’alimentation M6 est à tête conique et la tôle est emboutie à l’aide de la vis (photo 2 et figure 6).

La photo 3 et la figure 7 présentent l’agencement général et les diverses cotes d’usinage. Il est préférable de marquer ‘’in-situ’ les pointages définis par le circuit imprimé à l’aide de celui-ci. Dans ce cas on positionnera les deux premiers trous de fixation d3,2 de la carte à 30 mm du bord extérieur avant du châssis, en centrant les deux trous au milieu du châssis. Les 4 autres trous d3,2 et les trous de passage des supports de tubes sont marqués et percés avec précision à l'aide d'emporte-pièces de 22,5 et 27,5 mm. Les autres cotes ne sont pas vraiment critiques. Le trou de 6,2 mm marqué (X) reçoit la vis de maintien du transformateur d’alimentation et les trous (Y) de 4,2 mm: les vis des transformateurs de sortie. 
Les 4 trous d3 servent à fixer le châssis supérieur et enfin le trou d27,5 assure le passage des divers fils du transformateur d’alimentation.
Sur chaque flanc du châssis, il y a lieu de marquer et percer avec précision les trous de maintien des transistors MOS. Les cotes sont données en figure 8.

Les 4 transistors MOS sont refroidis par deux blocs alu de 140x45x10 mm placés de part et d’autre de la carte. Ces blocs présentés en figure 8 doivent être préparés avec soin à l’avance car ils serviront également à tester la carte en dehors du châssis.
Il est préférable d'utiliser des BUZ80FI qui n'ont pas besoin d'un intercalaire isolant. 
Une grille en fer agrémentée d’une peinture noire mate et munie de 4 pieds de 20 mm de haut vient fermer le châssis (photo 5).
La face avant reçoit le socle pour écouteur, l’interrupteur et voyant de mise sous tension.
Un trou de 10 mm permet le passage de l’axe du potentiomètre de volume. Un passe fil de diamètre 6 mm intérieur est serti dans ce trou et maintient l’axe du potentiomètre (photo 6 et figure 9).
La face arrière reçoit le socle et le fusible secteur, le commutateur des haut-parleurs, les deux socles RCA isolés et le socle pour haut-parleurs (photo 7 et figure 10) .
Après s’être assuré que tous les ensembles trouveront leur place, nous pouvons passer au montage des divers composants sur le circuit imprimé.


Le circuit imprimé


Typon à l’échelle 1

Le circuit imprimé de dimensions 129 x 175 mm (photo 3) supporte tous les composants de l’amplificateur et de son alimentation à l’exception des 3 transformateurs (figure 11).
Les 6 cosses faston et 12 cosses picot sont insérées et soudées en premier lieu. Ensuite on soudera les deux supports des tubes. Les supports sont soudés du coté cuivre et les broches ne doivent pas dépasser du côté composant. Ce faisant, l’épaulement du support sera à 15 mm exactement de la surface de la carte et le maintien par les 6 entretoises de 15 mm positionnera ceux-ci à la bonne hauteur. On soudera ensuite les composants par ordre de grandeur croissant en terminant par l’électrolytique C61 et le potentiomètre.
On raccordera les fils des filaments du côté cuivre, ces fils courront ‘’en torsadé serré’’ entre la carte et le fond du châssis.
Les quatre transistors MOS sont soudés de manière à ce que le sabot dépasse de 1 à 2 mm du bord de la carte, et que le trou de fixation soit à 20 mm de la surface, se référer à la figure 8.
Il est préférable de tester la carte en dehors du châssis. Les 4 transistors MOS doivent être fixés aux refroidisseurs en ayant soin de les isoler électriquement à l’aide d’un isolant souple à base de silicone et un canon isolant pour TO220 et fixés par une vis M2,5 (photo 4)
Il n’est pas nécessaire de raccorder les transformateurs de sortie. Les potentiomètres P2 sont réglés à mi-course. Il faut alimenter les filaments pendant une minute et ensuite appliquer progressivement la haute tension en surveillant la tension aux anodes des 6BL7. Celles ci doivent progresser à peu près simultanément pour se stabiliser vers +210 Vdc. On peut déjà effectuer un réglage grossier de la balance.
Sans contre-réaction, un signal de 100 mVpp en entrée rendra un signal de sortie de l’ordre de 60 Vpp aux anodes. Cela est suffisant pour déclarer la carte fonctionnelle. Elle peut être placée dans le châssis et raccordée aux différents éléments extérieurs. Notez que tous les raccordements se font par cosses et souliers, de cette façon la carte est libre de tout fil et peut être démontée facilement.


Les masses

L’ensemble du circuit est flottant. La mise à la masse du châssis se fait en un seul point  de la carte derrière le potentiomètre et marqué ‘’Gnd’’ (figure 11 et photo 3). Une vis auto-taraudeuse assure le contact électrique avec le châssis et la grille.
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

Il ne faut pas raccorder les deux fils de contre-réaction.
La première mise sous tension se fait de préférence à l’aide d’un autotransformateur.
Vérifier progressivement la montée des tensions jusqu’à obtenir les 6,3 Vac de chauffage et les 400 Vdc de HT.
Vérifier la tension de polarisation de +36 Vdc et les tensions de +210 Vdc d’anode des triodes de puissance. L’ampli est alors fonctionnel et il y a lieu de rebrancher les fils de contre-réaction. Câblés selon le code couleur (0=noir, 1=brun etc.…) présenté sur le schéma, les transformateurs de sortie sont raccordés dans le bon sens. Mais une surprise est toujours possible et si l’accrochage de l’ampli se produit, aucun doute, il faudra inverser les deux fils brun et bleu. Le potentiomètre P2 est ensuite ajusté pour éliminer la différence de potentiel entre les deux anodes. Comme les variations des caractéristiques sont importantes dans les premières minutes qui suivent la mise sous tension d’un nouveau tube, il faut vérifier cet équilibrage après une demi-heure. Enfin, ce réglage sera refait après une dizaine heures de fonctionnement. 


QUELQUES MESURES

Les mesures classiques sur notre prototype vous ont présentées aux figures 12 à 16.
La réponse aux signaux carrés est excellente. Le dépassement reste faible et le temps de montée est de l’ordre de 6 µSec. La fréquence de coupure se situe vers 50 kHz à – 3 dB (figure 12 et figure 16). L’ajout d’une réactance composée d’une capacité de 1 µF en série avec une résistance de 8 Ω laisse le signal imperturbable.
Le taux de distorsion à la puissance nominale est de 1,5 % (figure 13 et figure 14). La représentation spectrale montre une décroissance progressive des harmoniques impaires H3 à –42 dB, H5 à –54 dB, H7 à –60 dB, H9 à –67 dB.  Les harmoniques paires sont fortement atténuées en raison de la symétrie de l’étage de sortie. L’écrêtage commence au-dessus de 6 Weff mais de manière très douce, ce qui à l’écoute donne l’impression d’une puissance nettement supérieure. La vue de droite montre les bruits et ronflements résiduels, le niveau de référence est placé à 0 dBV. A gauche du graphe, on distingue bien l’effet de l’alimentation non-stabilisée: le bruit décroissant de 0 à 20 Hz est celui des variations de la tension secteur.  L’ondulation à 50 Hz se trouve à –75dBV et celle à 100 Hz à –64 dBV. Ceci nous donne un rapport signal bruit supérieur à 75 dB.
La mesure de la distorsion d’intermodulation se fait en injectant deux signaux de 60 Hz et 7 kHz dans un rapport de 12 dB (4 à 1). Les deux raies latérales situées à 60 Hz de part et d’autre de la raie à 7 kHz sont à 56 dB du signal pilote à 0 dBV de 60 Hz (figure 13 - vues du bas).


Spécifications du projet

Le tableau repris en figure 15 montre les caractéristiques techniques de notre prototype.

Nomenclature: Liste des composants


L’écoute

Dès le premier test d’écoute, nous avons été surpris par la puissance apparente de cet amplificateur. Les fréquences basses sont rendues sans aucun traînage. C’est la conséquence de la linéarité en fréquence qui descend jusque 20 Hz à la puissance nominale et à l’exceptionnel facteur d’amortissement. Le son très agréable, sans coloration, restitue la musique classique et le jazz avec une excellente définition. Le réalisme de la restitution est exceptionnel.


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Récapitulatif des photos (Haute définition)





Galerie des tubes

ECC832 / 12DW7
12DW7 Electronska Industrija Yugo
12DW7EG Electronska Industrija Yugo
12DW7 Electronska Industrija Serbia
12DW7 General Electric
12DW7 Philips
ECC832 JJ Electronic

6BL7
6BL7 CBS
6BL7GTA General Electric
6BL7GTA General Electric
6BL7GTA RCA
6BL7 RCA
6BL7GT Sylvania
6BL7GTA Sylvania
6BL7GTA TungSol
6BL7GT Zenith
6BL7 Zenith