AMPLIFICATEUR HYBRIDE - PUSH-PULL ULTRA LINEAIRE DE EL34 – KT77
Projet publié dans la revue Electronique Pratique n°343 de novembre 2009 sous le titre "Amplificateur hybride - Push-pull ultra-linéaire de EL34 - KT77"
Cet amplificateur met en œuvre un système hybride composé d’un push-pull de pentodes EL34 ou de tétrodes à faisceaux dirigés KT77 piloté par deux transistors à effet de champ. Il développe une puissance nominale de 2 x 25 Watts efficaces et 2 x 32 Watts musicaux, sa bande passante s’étend de 30 Hz à 30 kHz à -1dB.
C’est une réalisation très compacte qui n’occupe que 25 x 15 cm pour 64 Watts produits !
Un peu d’histoire et de technique
Le brevet de la pentode fut déposé en 1929 par Philips avec le tube B443, suivi des C443, E443 ancêtres de la AL1 (1935).
Afin de contourner le brevet et de pouvoir éluder les droits de propriété, la société EMI mit au point en 1933 le concept de tétrode à faisceaux dirigés - Beam tetrode - sur base de la tétrode simple, ce qui se concrétisera par le lancement de la 6L6 par RCA en 1936.
La pentode EL34 a été développée en 1949 par Philips et lancée en 1950 pour tenter d’enrayer la progression de la 6L6 américaine sur le marché européen.
La EL34 reprenait les caractéristiques électriques de la EL60 qui fut un échec commercial.
La EL60 fut développée par Philips en 1946 sur base de la EL12 lancée par Telefunken en Allemagne en ces temps troublés de 1938.
Dès 1954 la EL34 était fabriquée par les plus grandes marques: Philips, Amperex, Mullard, Tungsram, Lorenz, Telefunken, ITT, Siemens, Valvo, et commercialisée aux Etats-Unis par National sous l’appellation 6CA7.
Il était donc de bonne guerre (commerciale) que les européens récupèrent une partie du marché des tubes audio de puissance.
La EL34 est fabriquée aujourd’hui par Sovtek, Elektronska Industrija (EI), JJ Electronic, Svetlana et Shuguang.
La KT77 est une tétrode à faisceaux dirigés - Beam tetrode - lancée au Royaume-Uni par M-OV (Marconi Osram Valve) à la fin des années 1950 et commercialisée par GEC (General Electric Company).
KT pour ‘’Kinkless Tetrode’’ : Kink en anglais se traduit par : nœud, boucle, tortillement ou faux pli.
Le ‘’kink’’ c’est l'inversion présente au départ de la courbe tension-courant d’anode de la tétrode simple et qui se traduit par une résistance négative et son risque d’instabilité associé (figure 1).
Associé à un circuit L-C, ce phénomène était d’ailleurs utilisé intentionnellement pour produire des oscillateurs radio fréquences. Cette instabilité fut constatée lors de la mise au point de la tétrode par Siemens en Allemagne en ces temps (déjà) troublés de 1916 …
La ‘’Kinkless Tetrode’’ est la tétrode sans ‘’kink’’ car elle a éliminé cette caractéristique inutilisable en audio.
Néanmoins, si on regarde de près le départ de la courbe des tétrodes à faisceaux dirigés, on constatera qu’il demeure une trace de ce phénomène (figure 2).
Les caractéristiques de la KT77 sont très similaires aux caractéristiques de la EL34. Elle est aujourd’hui fabriquée par Genalex (Russie).
LE SCHEMA
Le circuit d’entrée
Bien qu‘équipé de transistors, nous avons repris la configuration classique utilisée pour un circuit à tubes.
Le transistor Q1 est un effet de champ BS107 monté en source commune est polarisé à +45 Vdc ce qui par R9 – 47 kΩ fixe le courant à 1 mA. La tension du drain chargé par R8 –100 kΩ s’établit alors vers +170 Vdc. La contre réaction de source opérée par la résistance R11 établit le gain à 40 dB.
Le transistor Q2 (BS107) est monté en déphaseur. Les signaux aux source et drain sont d’égale amplitude et de phase opposée. Avec une tension d’alimentation de +260 Vdc le signal maximal obtenu est de 80 Vpp sur chacune des électrodes ce qui est largement suffisant pour piloter les tubes de sortie.
Compensation des transitoires
Le condensateur C10 limite la bande passante de l’étage d’entrée à 30 kHz afin de réduire les risques de saturation du push. En effet, le déphasage retard du transformateur de sortie aux fréquences hautes devient important, et la portion du signal de contre-réaction qui atteint le tube d’entrée avec un retard de quelques microsecondes n’est plus en mesure de maîtriser un transitoire pendant ce même laps de temps. Ceci se traduit par une surtension sur les grilles des EL34 qui sature ou bloque celles-ci. Ce phénomène est directement proportionnel au taux de contre-réaction et n’existe pas évidemment pas en son absence (figure 6).
Le push-pull
Le circuit imprimé permet la configuration en polarisation fixe ou automatique par courant de cathode. Il permet aussi de raccorder les grilles écran à la haute tension ou aux prises intermédiaires du transformateur de sortie pour fonctionner en ultra-linéaire. La notice technique de la EL34 recommande de placer une résistance de 1 kΩ en série avec les grilles écran.
Afin de limiter la consommation nous avons opté pour la polarisation fixe, ce qui impose l’utilisation de pentodes appairées.
La polarisation négative s’établit à –38 Volts par le réglage des potentiomètres P1, ce qui correspond à un courant de cathode de 30 mA. Chaque tube dissipe une puissance de 12 Watts. Les cathodes sont raccordées à la masse par une résistance de 10 Ω. (Notice technique EL34 Mullard)
Pour la tétrode KT77, la polarisation s’établit à –30 Vdc pour un courant de 30 mA et les résistances en série avec les grilles écran feront 33 Ω seulement. L’amplificateur fonctionne en classe AB1 jusqu’à la puissance nominale. Le taux contre-réaction appliqué s’élève à 14 dB et l’impédance de sortie est de 1 Ω, ce qui porte le facteur d’amortissement à 8.
Le transformateur de sortie
Le transformateur de sortie présente une puissance nominale de 25 Watts et est disponible chez Hammond sous la référence 1650F et (figure 7).
Un petit mot sur la puissance de sortie.
Cette puissance est limitée par la saturation des transformateurs aux basses fréquences. Les transformateurs Hammond sont spécifiés à la valeur nominale pour une fréquence de 30 Hz. Le 1650F tient donc les 25 Watts jusqu’à 30 Hz.
Or à l‘exception de quelques rares instruments dont les grandes orgues, il n’y a que peu d’instruments qui descendent sous les 30 Hz. La grosse caisse (Bass Drum) présente une fondamentale de 43 Hz et les basses des orchestres de jazz, de variété ou de rock se situent entre 60 et 120 Hz environ.
C’est pourquoi nous pouvons spécifier la puissance musicale à 2 x 32 Watts.
N’oublions pas non plus qu’aussi bien les enceintes que le volume de la pièce limitent également la restitution des fréquences basses.
L’alimentation
L’alimentation
Un transfo de 190 VA fournit la tension de chauffage 6,3 Vac sous 6 A, la HT de 600 Vac à prise centrale et 50 Vac pour la polarisation. Il est disponible chez Hammond et porte la référence 372HX .
Les diodes D1 & D2 assurent le redressement double alternance. Par raison d’économie, nous avons privilégié le redressement par diodes.
Afin d’éviter le choc à l’allumage, la mise sous tension DC est différée. Sous l’action du circuit C1-R4 le relais K1 bascule après 3 secondes, ce qui permet à C5 de se charger via la résistance R1 de 470 Ω . Le relais K1 dont la résistance de bobine fait 30 kΩ est activé par une tension continue dès 90 Vdc et la résistance R4 de 56 kΩ lui imposera une tension de 150 Vdc.
Toutefois un redressement par valve GZ34 est également possible. Le transformateur possède un enroulement 5 Vac et la broche 8 de la GZ34 sera alors raccordée au condensateur C5. Dans ce cas la temporisation via K1 et la résistance R1 sont inutiles.
Le filtrage est réalisé par la self de choc de 1,5 H (Type 156R de Hammond) et les condensateurs de 10 µF placés sur chaque carte ampli. L’ondulation de la HT est de 7 Vpp en C5. Sur la carte amplificateur elle est de 500 mVpp sur C16 et de 3 mVpp sur C5.
Le transformateur possède une sortie 50 Vac qui redressée en mono-alternance négative nous donne une tension de –70 Vdc. Cette tension sera mise à niveau par les potentiomètres déjà mentionnés afin d’obtenir la tension de polarisation des grilles.
A noter que comme l’alimentation n’est pas stabilisée, la haute tension peut varier suivant les humeurs du secteur. Il en va de même, mais en négatif pour la tension de polarisation des grilles ce qui stabilise quelque-peu la dissipation des quatre tubes.
Le niveau de bruit mesuré en sortie haut-parleur est de 300 µVac linéaire ou 50 µVac en pondération A.
Le transformateur choisi 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 ŒUVRE
Le châssis
L’assemblage est réalisé sur un châssis 1441-16BK3 de Hammond de 254 x 152 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.
La photo 3 et la figure 10 présentent l’agencement général et les diverses cotes d’usinage. Les cotes de la figure 10 sont relevées à l’extérieur du châssis – vue de haut. Les cotes de placement des deux cartes amplificateur doivent être marquées et percées avec précision. A cet effet, on commencera par percer les deux trous marqués d’un astérisque. On y fixera les deux cartes, à l’extérieur et cuivre apparent, bien orthogonalement et on percera un deuxième trou afin de la fixer. Les autres trous sont percés en utilisant la carte comme guide. On marquera également l’alignement des deux socles RCA sur la face arrière. Pour la découpe des culots des tubes, il est préférable d’utiliser un emporte-pièce de 27,5 mm. La découpe est alors parfaite. Les faces avant et arrière ne font pas l’objet d’un plan coté et sont laissées à l’appréciation de chacun.
La découpe des trous de passage des fils des 3 transformateurs et des deux socles RCA peut être réalisée à l’aide d’un emporte-pièce de 16,5 mm. Le contour des quatre trous de passage sera protégé par une gaine plastique afin de ne pas blesser les fils. Pour les socles RCA on forera un trou de pilotage à 24 mm du haut du châssis (figure 11 & figure 12) sur l ‘alignement préalablement marqué. Tous les autres trous sont marqués et percés ’’In-situ’’.
Après s’être assuré que tous les ensembles trouvent leur place, nous pouvons passer au montage des divers composants sur le circuit imprimé.
Les circuits imprimés
Carte amplificateur pour EL34 & KT77
Typon à l’échelle 1
Le circuit imprimé du module amplificateur mesure 79 x 142 mm.
Les 15 picots de 1,3 mm sont insérés et soudés en premier lieu suivi des 3 pontages. Ensuite on soudera les deux résistances de grille R24 et R25 avant 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 4 entretoises de 15 mm positionnera ceux-ci à la bonne hauteur. On soudera ensuite les composants par ordre de grandeur croissant en terminant par les électrolytiques C5 & C16. Emplacement des composants
Photo de la carte : La photo montre la carte prototype telle que présentée dans la revue Electronique Pratique n°343. Il a été décidé par la suite de dissocier le réglage de la polarisation des tubes en ajoutant un deuxième potentiomètre P1 et le condensateur C11.
Carte amplificateur pour 6L6GC & associés
Typon à l’échelle 1
A la demande des lecteurs, nous proposons également une carte un peu plus large qui accepte les tubes de la famille 6L6.
Le circuit imprimé mesure 86 x 142 mm. Emplacement des composants
Il est préférable de pré-tester la carte en dehors du châssis. Mais cela nécessite une tension d’alimentation continue variable jusque 400 Vdc ou un auto-transformateur variable. Le test se fait sans les tubes, on vérifiera les valeurs des tensions aux électrodes des deux transistors, et les potentiomètres sont réglés pour obtenir une tension de polarisation minimale, soit environ –50 Vdc.
Carte alimentation
Typon à l’échelle 1
La carte alimentation mesure 90 x 30 mm. Les 15 picots de 1,3 mm sont d’abord insérés ensuite viennent les composants axiaux qui sont tous montés verticalement et enfin les cinq condensateurs et deux porte-fusibles. Emplacement des composants – Photo de la carte
Le montage final
Les premiers éléments à fixer sont les huit entretoises M3 F-F de 15 mm de maintien des modules ampli et les quatre entretoises M3 M-F de 5 mm de la carte alimentation. Ensuite nous fixerons les transformateurs de sortie montés sur 4 entretoises métalliques de 5 mm à l’aide de vis M4, suivis dans l’ordre par le commutateur et voyant de la face avant, les accessoires de la face arrière, la carte alimentation, la self de choc, le relais K1 et le transformateur d’alimentation. Les deux cartes ampli sont fixées en dernier lieu. Tous les fils des transformateurs de sortie sont rassemblés dans une gaine assez solide et redirigés vers le centre du châssis. Le nombre de fils est assez imposant: 18 pour l’alimentation et 10 pour chaque transformateur de sortie. Nous prendrons soin de les couper - en y regardant à deux fois – à la bonne longueur et en isolant ceux qui ne sont pas utilisés. On prendra soin de couper à raz les queues des composants qui dépassent sous la carte et qui risquent de blesser la gaine.
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 grille de fond (photo 8). Une des vis auto-taraudeuses 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
Observez bien la couleur des fils sur la photo 3: avec l’avant de l’ampli tourné vers soi, les fils bleus du transfo sont à droite et les fils bruns à gauche de la carte.
Après insertion des tubes et le raccordement des trois ou cinq fils du primaire du transfo de sortie, il faut alimenter progressivement en surveillant la tension aux anodes et grilles écran des EL34. Celles ci doivent progresser jusqu’à +410 Vdc. Les potentiomètres sont ensuite ajustés pour obtenir un courant de 30 mA par tube, soit +300 mVdc aux bornes des résistances de 10 Ω.
Dans un premier temps, il ne faut pas raccorder les deux fils de contre-réaction.
Les deux sorties doivent être chargées, pour la sortie inutilisée pendant le test, une résistance de 10 Ω - 2 W fera l’affaire. Injecter un signal de 100 mVpp en entrée et visualiser la sortie. C’est le moment de raccorder les deux fils de la contre-réaction. Le signal en sortie doit s’effondrer d’un facteur 5 environ (14 dB).
QUELQUES MESURES
Les mesures classiques sur notre prototype vous sont présentées aux figures 15 à 19.
Elles ont été prises en alimentant le projet sous une exacte tension de 240 Vac.
La réponse aux signaux carrés – figure 15 - est excellente. Le dépassement est 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. 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 1 dB de la puissance nominale est de 0,2 %. L’écrêtage commence à 28 Weff.
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 raies situées de part et d’autre de la porteuse à 7 kHz sont à 60 dB du signal pilote à 0 dBV - figure 16.
L’évolution de la DHT en fonction de la puissance reste assez constante jusqu’à 27 W pour atteindre 7% à 32 W – figure 17.
La mesure des bruits et ronflements résiduels en sortie s’élève à 300 µVac ou 50 µVac en pondération A. Ceci nous garantit un rapport signal bruit supérieur à 80 dB lin ou 95 dB-a pour 1 Watt en sortie. Distorsion harmonique à 1 Watt – Bruits et ronflements
Spécifications du projet
Nomenclature des composants
Conclusion
Cet amplificateur d’une puissance totale efficace de 64 Watts, fait merveille pour la restitution du Jazz et de la variété. Le choix des tubes est laissé à l’appréciation de chacun. Nous avons la perception – très discutable, il faut en convenir – que la EL34 est plus brillante et convient mieux aux amateurs de jazz ou de musique moderne. La KT77 semble pour sa part avoir la faveur des amateurs de musique classique ou vocale encore que ces différences soient assez ténues. Pour les deux types de tubes, la plage grave est rendue sans traînage et l’aigu avec une excellente précision et sans agressivité.
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Récapitulatif des photos (Haute définition)
