AMPLIFICATEUR 2 x 14 W – La 300B en Single End

Cette réalisation met en œuvre la 300B en single-end. Elle fonctionne en classe A et développe une puissance de 2 x 14 Watts RMS pour un taux de distorsion de l’ordre de 1% à -1 dB.

NovoTone - Amplificateur 300B - Single End Amplifier


LE SCHEMA


Le circuit préamplificateur

Schéma du circuit préamplificateur

L’impédance d’entrée est fixée à 47 kΩ, mais peut être supérieure en augmentant la valeur de R1.

Le signal est injecté sur la grille en broche 2 ou 7 de V1. Le gain de cet étage est de 14,8 dB . Le tube 6922 ou 6N23P est monté en cathode commune et son point de fonctionnement est stabilisé par la contre-réaction due au diviseur R2 - R3.
La tension de sortie maximale avoisine les 42V ac (120 Vpp) pour 7,7 Vac en entrée.
Il n’y a donc aucun risque de saturation de cet étage. Le potentiomètre de volume situé sur la face avant est celui qui règle la puissance de l’amplificateur. 
Datasheet de la 6922
Datasheet de la 6N23P
Short data 6922-6N23P


Le circuit d'entrée
Schéma du driver
Schéma du driver Ver II

Le tube d’entrée choisi est une penthode EF86. Ce tube réputé pour sa faible micro-phonie est configuré pour obtenir un gain maximal (150x en l’absence de contre-réaction).
Il est monté en symétrique entre une alimentation positive de 300 Vdc et négative de 300 Vdc également, soit 600 Vdc. Le point de fonctionnement du tube est stabilisé par la contre-réaction due au pont diviseur R2-R1.
Les tensions affichées sont remarquablement constantes pour tous les tubes essayés.
Ce tube tel que monté présente une linéarité exceptionnelle (Cfr : graphe 500 V – 1 mA) : la tension de sortie monte à 330 Vpp pour un taux de distorsion de 2%.
L’impédance d’entrée du tube est infinie ou quasi. Nous fixons l’impédance d’entrée du circuit à 1 MΩ.
Une difficulté consiste à polariser le filament quelques dizaines de volts au-dessus de la tension de cathode qui ici fait près de 200 V négatifs. Le chauffage des filaments est indépendant et polarisé à -150 Vdc (voir alimentation).
Datasheet de la EF86
Short data de la EF86


Le circuit driver

Le circuit driver est composé d’une double triode 6SN7 montée en cathode suiveuse.

Le point de fonctionnement de cet étage est fixé par le potentiomètre P2. Le couplage de la 6SN7 et de la 300B est direct et déporté de 100 V négatifs par la diode zener de 100 V.
C’est le potentiomètre P1 qui fixe la polarisation de la grille de la 300B.
Ce couplage est idéal, car pour faire fonctionner la 300B jusqu’à son maximum (16 Watt !) il faut pouvoir injecter le courant de grille qui est nécessaire au-dessus de 8 - 10 Watt de puissance et pour cela rien ne vaut une triode montée en cathode suiveuse.
Il n’est pas nécessaire de ‘’tirer’’ beaucoup de courant dans la 6SN7, car c’est dans son alternance positive, donc en phase de conduction que le courant de grille de la 300B se développe.
Datasheet de la 6SN7
Short data de la 6SN7

Le circuit driver Ver II

Ayant constaté la "dérive" trop importante d'une 6SN7 instable qui engendrait un courant trop important dans la 300B et déclenchait l'alarme du circuit moniteur (la led verte passe au rouge) , il a été décidé d'ajouter un circuit de stabilisation afin de maintenir constante une tension de 16V dc aux bornes de la résistance R12 de 220 Ω.
Le circuit consiste en l'ajout d'un amplificateur opérationnel LT1637 à très faible consommation (220 µA).
Il est alimenté sous  38 Vdc est stabilisé par une diode zener. Le potentiomètre P1 fixe la tension de référence à +16 Vdc et cette tension est comparée à la tension présente sur la résistance R12. Le comparateur présente un gain de 10 fixé par R28/R10 et une constante de temps d'une dizaine de secondes. En cas d'écart entre la tension relevée sur R12 et la référence à +16 Vdc  l'AOP modifie la tension de polarisation de la 6SN7 pour ramener la tension sur R12 à +16 Vdc. 
Ce circuit se révèle être d'une redoutable efficacité, la tension ne variant pas de plus de 100 mVdc et  le courant dans le 300B est maintenu stable à 73 mA.

Le circuit 300B

La 300B est montée en cathode commune. La résistance de pied de cathode de 220 Ω développe une tension de +16 Vdc pour un courant de 73 mA. Sa dissipation anodique fait ici 33 Watt, soit assez confortablement sous les 40 Watt de la spécification.

A noter que lorsque la puissance de sortie atteint les 16 Watt en permanence, la dissipation anodique monte à 42 Watt.
Le chauffage de 5 V – 1,2 A est réalisé en courant continu, l’ondulation résiduelle après filtrage ne fait que 2,5 mVac.
La haute tension d’alimentation de 490 Vdc est stabilisée. Avec 490 Vdc, la chute dans le transformateur de sortie et la chute dans la résistance de cathode, la tension anode-cathode de la 300B fait 450V, soit le maximum permis pas la spécification.

Comme écrit plus haut pour ‘’monter’’ à 16 Watts, le point de fonctionnement se déplace à partir de 8 Watts et le courant augmente jusqu’à 100 mA voire plus encore. Comme l’alimentation stabilisée ne s’effondre pas les 16 Watts sont atteints sans essoufflement du tube.

A noter que les 16 Watts sont une puissance RMS et non ‘’une puissance musicale’’.
Toutefois pour des raisons conservatoires nous publierons en spécifications une puissance RMS de 14 Watts et une puissance musicale de 16 Watts.
Datasheet de la 300B Western Electric
Datasheet de la 300B STC
Short data 300B


Le transformateur de sortie et la contre-réaction

Le transformateur de sortie présente une impédance primaire nominale de 3,5 kΩ pour une puissance nominale de 30 Watts. Le modèle choisi est un haut de gamme fabriqué par la firme James et porte la référence JS-6133HSF. Le secondaire fourni les sorties 4, 8 et 16 Ω classiques. De plus un enroulement séparé est prévu pour la contre-réaction, mais ce dernier n’est pas utilisé ici.
Le signal de contre-réaction est repiqué sur la sortie 16 Ω et réinjecté via le pont diviseur R8-R7 dans le circuit de cathode de la EF86.
Afin de ne pas trop écraser la caractéristique non linéaire de la triode nous limitons le taux de contre-réaction à 10 dB.
Dû à ce faible taux l’amplificateur se révèle très stable même sans charge en sorties haut parleurs.
Le condensateur C6 de 33 pF limite la bande passante de l’électronique afin de ‘’coller’’ à la bande passante du transformateur de sortie.
La réponse aux transitoires d’un transformateur de sortie est toujours plus lente que l’électronique qui le pilote et pendant ce temps de retard la contre-réaction est absente. De ce fait le gain du circuit d’entrée est maximum, +10dB dans notre cas ce qui provoque la saturation du tube de sortie jusqu’à ce que la contre-réaction re-stabilise le gain.
Ce phénomène n’existe pas en présence d’un signal sinusoïdal ou … en l’absence de contre-réaction.

Relais de coupure des haut-parleurs

Un circuit de coupure des sorties a été ajouté afin d'éliminer le bruit de mise "hors-service" de l'amplificateur qui pouvait se traduire par un "clac" dans les enceintes.
Il consiste en deux relais montés en série et alimentés par le 300 V régulé qui sont activés par la fermeture de l'interrupteur "ON" et  l'interrupteur "SB". En cas d'ouverture d'un des deux commutateurs, les relais sont immédiatement désactivés et la sortie HP est commutée sur une résistance de 16 Ω.
 


Le circuit moniteur
Schéma du moniteur

La tension de cathode est repiquée à la jonction de R12 et de F1 du circuit driver.
Le courant de 73 mA circulant dans la 300B développe une tension de +16 Vdc aux bornes de la 220 Ω.
Cette tension est réduite à +12 Vdc par le pont diviseur R1-R2 et ensuite présentée à un double comparateur inverseur. Le seuil de déclenchement est de + et – 2V dc autour des 12 V.
Si la tension se trouve dans cette fenêtre, la led verte est activée. Ceci signifie que la tension de la cathode est comprise entre 13,3 et 18,6 Vdc, soit un courant situé entre 60 et 85 mA.
Le maximum de 85 mA correspond à une puissance anodique de 38 W.
En dehors ce cette fenêtre, le courant est trop faible ou trop élevé.
Il y a un circuit moniteur sur chaque canal, les tensions résultantes sont affichées sur l’unique duoled D4.


Le circuit de temporisations
Schéma des temporisations

Le circuit de temporisations pilote la mise en service des alimentations.

A la mise sous tension par le switch principal S1, seul le circuit de temporisations est alimenté via TR2.
La tension de +24Vdc ferme le relais K1 (sur châssis) et fournira la tension secteur aux transformateurs TR1, TR3 et TR4.
Pendant 3 secondes le relais K2 (sur châssis) reste ouvert et une résistance de 47 Ω - 50 W est présente en série avec les transformateurs.
Cette précaution limite à 4 A le courant maximum de la mise sous tension.
La temporisation de 3 secondes est le fait du circuit R1 - C4 qui pilote IC1 et Q2.
Une deuxième temporisation de 30 secondes maintient le relais K3 (carte alimentation) ouvert et bloque la haute tension pendant le chauffage des filaments.
Cette temporisation est le fait du circuit R9 – C5 qui pilote IC2 et Q1.
Le switch S2 (Stand by) met la haute tension en veille.
Le +24 Vdc de cette carte alimente le ventilateur 12V au travers de la résistance R2 de 270 Ω.  

Le compteur horaire est alimenté par le 30 V redressé.
Datasheet du compteur horaire
Le 30V redressé est également routé vers l'alimentation, voir ci-après.



Le circuit d’alimentation

Schéma des alimentations

Le circuit d’alimentation se compose de l’alimentation haute tension, de l’alimentation des filaments des 300B et du circuit de temporisation qui les pilote.

Le transformateur principal TR1 porte la référence 374BX de Hammond, il propose un secondaire de 2x375Vac sous 200 mA et un enroulement 6,3V qui alimentera le tube d’entrée ECC88 et les deux 6SN7.
Les transformateurs TR1, TR3 et TR4 sont mis sous tension en deux temps comme écrit ci-dessus.
Après 3 + 30 secondes, le relais K2 commute et alimente les trois circuits de régulation.
A noter que pendant les 30 secondes ou en ‘’Stand by’’ un ‘’pré-courant’’ circule via les résistances R5 et R6 de 47 kΩ - 7W.
Le point central du secondaire haute tension est relié à l’alimentation non régulée du circuit de temporisations.
Cet offset de +30 Vdc décale les tensions redressées à + 520 Vdc et -490 Vdc.
Ceci est indispensable pour obtenir une bonne régulation du module 490V décrit au paragraphe suivant.
Le circuit du +300 Vdc est esclave du module 490V, le pont diviseur R7 – R8 fixe la tension en sortie à +300 Vdc.
Le courant fourni s’élève à 22 mA et le MOS Q2 dissipe 4 Watts.
L’alimentation négative fait également l’objet d’une régulation. Le transistor Q1 MPSA42 est câblé en source de courant. La résistance R13 de 20 kΩ fixe le courant à 500 µA. Ce même courant développe une tension ajustable de +300 Vdc aux bornes de R12 + P1.
Le courant fourni s’élève à 14 mA et le MOS Q3 dissipe 1,2 Watts.
Datasheet du MPSA42
Datasheet du BUZ80FI
Datasheet du FQP3P50
    


Le circuit des filaments
Schéma des filaments

Le transformateur TR3 de 50 VA délivre deux tensions de 9 Vac. Après redressement la tension continue s’élève à +10 Vdc sur le condensateur de 10000 µF pour un courant de 1,2 A.

La résistance de 3,9 Ω / 50 W fait chuter la tension à +5 Vdc et assure avec le condensateur de 47000 µF le filtrage de l’ondulation. Cette dernière fait 8 mVpp.


Le module 490V
Schéma du module 490V

Ce module a été décrit au cours de nos publications et sur notre site au projet 36.
Datasheet du 2SK1120
Datasheet du MPSA92    


MISE EN OEUVRE
La mécanique

L’ensemble du projet est placé sur un châssis de dimensions extérieures 432x305x76 mm. Il porte la référence 1441-36BK3 chez Hammond. La réalisation comprend huit cartes imprimées : la carte d’entrée, les deux cartes driver, la carte alimentation, la carte des temporisations, la carte moniteur, le module 490V et les deux cartes d’alimentation des filaments. L’usinage du châssis nécessite cinq emporte pièces circulaires : 60mm, 55mm, 36mm, 27,5mm et 22,5mm.

La fixation des trois transformateurs 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 indispensable de réaliser en premier lieu la partie mécanique en se servant des différentes cartes non-montées et composants mécaniques divers.

Photo de l'agencement intérieur
Plan du châssis

Il faut prévoir deux cornières aluminium 20x50x190mm en 2mm d’épaisseur. Ces cornières supporteront tous les éléments ci-après.
A gauche : le module 490V, la carte de filtrage des filaments 300B et la résistance de 3,9 Ω - 50 W.

A droite : le transformateur TR2, l’autre carte de filtrage des filaments 300B et sa résistance de 3,9 Ω - 50 W.
Une aide à l’implantation des divers éléments est donnée en figure 17.

Les position et orientation du transformateur d’alimentation doivent absolument être respectées (tôles perpendiculaires à la face avant) au risque de voir se développer une tension induite de 50 Hz. Cette tension est nulle dans la configuration choisie.

La face arrière est percée d'une ouverture circulaire de 60 mm afin de recevoir un petit ventilateur.   
Le ventilateur est fixé à l'intérieur de la face arrière par les 4 "silent blocs" fournis.
A noter que la seule convection suffit à maintenir une température intérieure ne dépassant pas les 50°C, toutefois l'ajout du ventilateur peut se révéler indispensable dans un environnement caniculaire.
Avec le ventilateur, la température interne monte de 10°C par rapport à la température externe.
Les deux relais K4 et K5 de coupure des sorties sont fixés sur la face arrière entre les 4 bornes de sortie.

Photo de l'arrière
Datasheet du ventilateur

La plaque de fond porte la référence 1431-36BK de chez Hammond, elle est percée de deux orifices de 60 mm protégés par une grille à hauteur des deux résistances de 3,9 Ω afin de permettre l'arrivée d'air.
Photo de la plaque de fond

Les circuits imprimés

Rappel : Il est impératif d’avoir terminé le travail de tôlerie et s’être assuré que chaque élément trouve bien sa place dans le châssis avant d’assembler les cartes !

La carte préamplificateur mesure 86 x 79 mm. Photo de la carte, Typon à l’échelle 1 (86,36 x 78,74mm), Implantation des composants.

La carte driver mesure 151 x 79 mm. Photo de la carte, Typon à l’échelle 1 (151,13 x 78,74 mm), Implantation des composants.

La carte driver avec stabilisation mesure 151 x 79 mm. Photo de la carte, Typon à l’échelle 1 (151,13 x 78,74 mm), Implantation des composants, Photo de Implantation côté cuivre, l
'amplificateur opérationnel est soudé en respectant l'orientation du chip: Photo.

La carte moniteur mesure 76 x 48 mm. Photo de la carte, Typon à l’échelle 1 (76,20 x 48,26 mm), Implantation des composants.

La carte temporisations mesure 109 x 48 mm. Photo de la carte, Typon à l’échelle 1 (109,22 x 48,26 mm), Implantation des composants.

La carte alimentations mesure 168 x 75 mm. PhotoPhoto-1, Photo-2, Photo-3, Photo-4, Photo-5, Photo-6, Photo-7, Photo-8 de la carte, Typon à l’échelle 1 (167,64 x 74,93 mm), Implantation des composants.
A noter pour la sécurité: le dissipateur est raccordé à la masse par le fil noir !  

Le module 490V mesure 61 x 39 mm. Typon à l’échelle 1 (60,96 x 38,74 mm), Implantation des composants.

La carte filaments mesure 75 x 47 mm. Typon à l’échelle 1 (74,93 x 46,99 mm), Implantation des composants.


Les masses

L’ensemble des circuits est flottant. La mise à la masse du châssis est faite en un seul point via la cosse faston de masse reprise sur la carte driver comme montré sur la photo de l'agencement intérieur en bas à gauche. 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.

Le plan de raccordement de la carte alimentation vous guidera dans le raccordement des nombreuses connexions

Mise sous tension

Procéder par étapes et bien comprendre le processus avant de commencer !

Placer tous les tubes et déconnecter le transformateur principal TR1.
Tout d’abord on vérifie le fonctionnement de la carte temporisations, à savoir : mise sous tension immédiate, présence du 30V, du 24V régulé et des deux temporisations 3 sec et 30 sec.
Vérifier la commutation des 3 relais : K1 immédiatement, K2 après 3 sec et K3 après 30 sec (si le switch Stand-by ‘’SB’’ est en position ‘’OP’’), notez que ces ‘’timings’’ ne sont pas critiques.
Vérifier les tensions des filaments des 300B (5 Vdc +/- 0,1V) et des EF86 (6,3 Vac +/- 0,3V).

Mettre hors tension et débrancher le cordon secteur, raccorder le transformateur principal TR1 et débrancher le transformateur TR3 (les filaments 300B ne sont pas alimentés !)

Remettre sous tension secteur mais laisser l’appareil en ‘’SB’’: relais K3 inactif !
Dans cette configuration, les hautes tensions n’atteignent que des faibles valeurs à cause de la présence des deux résistances de 47 kΩ - 7 W (R5 et R6 de la carte alimentations).
Commuter le switch ‘’SB’’ en position ‘’OP’’ et vérifier la montée des tensions jusqu’au valeurs du plan.
Régler le potentiomètre du module 490V pour obtenir +490 Vdc en sortie et le potentiomètre P1 de la carte alimentation pour obtenir -300 Vdc. La tension de +300 Vdc est ‘’esclave’’ de la tension de 490 Vdc.
Ajuster les deux potentiomètres P1 des cartes ‘’Driver’’ pour une tension minimale.

Mettre hors tension et débrancher le cordon secteur, rebrancher le transformateur TR3 et remettre sous tension.
Mesurer la tension aux bornes des résistances de cathode des 300B. (R12 sur les cartes ‘’Driver’’)
- Pour la carte driver non régulée:
Régler les potentiomètres P1 des cartes ‘’Driver’’ pour obtenir (provisoirement) une tension de +10 Vdc sur R12.  
A ce stade on vérifiera que l’amplificateur est bien opérationnel.
Après quelques minutes on peut régler définitivement le courant de cathode des 300B en ajustant les potentiomètres P1 pour obtenir +16 Vdc sur R12.
Ce réglage fluctue un peu en fonction des aléas du secteur, non à cause des alimentations HT mais bien du chauffage des filaments.
Il y a lieu de vérifier ce réglage après quelques heures de fonctionnement.

- Pour la carte avec régulation: ajuster P1 pour obtenir +16 Vdc au point test et vérifier que la tension sur R12 se stabilise à +16 Vdc après une minute. On vérifiera après quelques heures de fonctionnement, mais d'expérience, la tension reste verrouillée à +16,0 Vdc. 

Quelques mesures

La réponse aux signaux carrés présentée en figure 26 démontre une bonne tenue du palier à 100 Hz et un excellent comportement aux transitoires. Le temps de montée est de 6,5 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 27 montre la représentation spectrale de la distorsion à 1 dB de la puissance nominale.

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 0,3 % par rapport à la fondamentale à 60 Hz située à 0 dB.

La figure 28 présente l’évolution de la DHT en fonction de la puissance. On notera qu’à 12 W la distorsion n’est que de 1% !


Les figure 29 et figure 30 présentent les niveaux de bruit et ronflements en sortie respectivement avec un niveau de référence de 0 dBV et -40 dBV. Le niveau de référence est de –40 dBV, les signaux mesurés sont inférieurs à –76 dBV.
Le bruit mesuré en sortie au millivoltmètre est de 150 µVac ou 50 µVac en pondération A. Ce qui nous donne -85 dB Lin ou 95 dBA comme rapport signal / bruit à 1 Weff.


L’écrêtage se produit de manière progressive vers 44 Vpp (sous 16 Ω), c’est le ‘’soft clipping’’ typique des étages de sortie à tubes peu ou pas contre-réactionnés. 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 %.


Les caractéristiques techniques relevées sur notre prototype sont publiées en figure 32.

Nomenclature



Conclusion


Le test d‘écoute confirme le temps de montée par une excellente définition des transitoires.

L’excellent transformateur de sortie James autorise le ‘’single end’’ à descendre à 25 Hz à pleine puissance sans faillir. Le résultat se traduit par une restitution détaillée du message sur tout le spectre. Les graves sont précis et sans traînage. Le message musical est très détaillé et la scène musicale est ample.

L’écoute de cette réalisation ‘’haut de gamme’’ se révèle vite addictive …


Bon à savoir

On trouve sur le marché des amplificateurs à tubes 300B aux spécifications dithyrambiques pour des prix défiant toute concurrence.
Un exemple typique et non exhaustif, notez bien la réponse en fréquence : 13 Hz – 38 kHz à -1 dB et le taux de distorsion :  0,1%

Ces fournisseurs à l’éthique douteuse pratiquent le ‘’non-dit’’ comme technique de vente.
Il n’est pas spécifié à quelle puissance les bande passante et distorsion harmonique sont mesurées.
Cette précision est "éludée" pour laisser le doute sur une bande passante qui semble exceptionnelle pour un prix plus qu'attractif ...
Les distorsion d'intermodulation et temps de montée ne sont d'ailleurs jamais spécifiés.

Un rapide regard sur le schéma nous apprend que les filaments des 300B sont alimentés en alternatif.
De plus le choix du concepteur s’est porté sur l’absence de contre-réaction pourtant bien indispensable pour maîtriser cette triode non-linéaire par essence ...
Afficher sur base de ce concept une distorsion harmonique de 0,1% et une réponse en fréquence de 13 Hz à 38 kHz (à -1 dB !) relève de la publicité mensongère.

Cette réalisation "ultra-basique" explique le faible coût de ces engins proposés pour un prix client (590 € pour l'exemple cité, transport et garanties comprises) inférieur au prix d'achat des seuls transformateurs de sortie de qualité.
Et de lire sur les forums que les acquéreurs essayent différentes marques de tubes ou tentent bien inutilement de modifier leur appareil pour en améliorer une piètre restitution musicale ...


Besoin d’un complément d’information ?

Envoyez un courriel à l'adresse:
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Récapitulatif des photos (Haute définition)

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