Droites de charges – Chapitre I

Chapitre I : ou comment polariser une triode.

Préambule

Nous allons travailler à l’aide des courbes caractéristiques des tubes que l’on trouve dans les datasheets des fabricants. J’ai fais le tour des datasheets à l’aide de l’outil TDSL de duncanamps, et au final pour me permettre de travailler correctement j’ai pris celle de chez JJ à l’adresse suivante :

Caractéristiques de l’ECC83S de chez JJ Electronics

Ces courbes nous renseignent sur la manière donc le tube se comporte en présence d’une tension d’anode (Ua) et d’une tension de grille (Ug). Nous n’allons pas passer plus de temps sur la manière d’obtenir ces courbes, qui sera probablement l’objet d’un autre article. Néanmoins il faut tout de même que l’on vous montre quel schéma a été utilisé pour les tracer.

Courbes
Fig.1

La 12AX7 est alimentée par une tension Ub, on note sur la fig.1 la présence d’un ampèremètre qui permet de mesurer le courant d’anode noté Ia sur les datasheets et d’un voltmètre pour mesurer Ua. En modifiant la tension d’anode (Ua) pour une tension de grille donnée (Ug), on obtient différentes valeurs de Ia qu’il suffit alors de retranscrire sous forme graphique. Dans ce schéma la tension Ub = Ua.

Résistance de charge

Avec le schéma de la figure 1, vous vous dites qu’il manque quelque chose par rapport à ce que vous avez l’habitude de voire dans les schémas de préamplis. Nous allons mettre une résistance sur l’anode de la 12AX7, cette résistance est aussi appelée “résistance de charge”, elle est notée Ra, elle va profondément modifier le fonctionnement du tube. En effet de part sa présence le tube va enfin se mettre à amplifier, sa valeur en ohms va définir ce que l’on appelle la “droite de charge”.

Fig.2

Prenons ici comme valeur de V1a du préampli du G5, soit Ra = 120K.
La résistance de charge va créer une chute de tension par rapport à Ub. La tension d’anode (Ua) va donc être égale à :

(1) Ua = Ub – (Ra*Ia)

Il ne faut donc pas confondre la tension d’alimentation du tube (Ub) et la tension d’anode du tube (Ua). Ua sera toujours inférieure à Ub dès que le tube sera chargé avec une résistance d’anode (Ra).

Droite de charge

Revenons à nos courbes que nous avons trouvez dans les datasheets du constructeur. Pour tracer la droite de charge il nous faut quelques informations :
– La résistance de charge, Ra = 120K
– La tension d’alimentation du tube Ub, sur le G5 celle si est fixée à 180V.

Ces valeurs auraient pu être différentes, amusez vous à tracer d’autres droites si vous le souhaitez en prenant d’autres valeurs arbitrairement.

Commençons :

Le premier point (X) à placer sur le graphique, est lorsque le tube est bloqué, c’est à dire qu’il n’est pas traversé par un courant, cela peut arriver quand le tube n’est pas chauffer (donc pas d’émission d’électrons, pas de courant) ou que la grille est fortement négative par rapport à la cathode (dans ce cas les électrons ne peuvent migrer vers l’anode). Les anglo-saxons appellent ce point le cut-off bias [EN].

Donc le premier calcul à effectuer est pour Ia = 0mA, calculons la tension d’anode Ua dans la relation (1) :

Ua = Ub – (Ra*Ia)
Ua = 180 – 0 = 180V

Pour placer le deuxième point (Y), supposons maintenant qu’il y ait un court circuit dans le tube, la tension d’anode Ua serait alors égale à 0V. Seule la résistance d’anode limiterait alors le courant, ce qui le fixerait à une valeur de :

Ua = Ub – (Ra*Ia)
soit Ia = Ub/Ra puisque Ua = 0V
Ia = 180 / 120 000 = 0.0015A soit 1.5mA

Comme par deux points il ne peut y passer qu’une seul droite on prends notre règle et on trace la droite de charge pour Ra = 120K.

Droite de charge

Bon ce n’est pas tout, on a notre droite mais il faut maintenant choisir le point sur la droite qui va permettre à notre tube de fonctionner au mieux. Et pour cela nous allons transférer les points d’intersection de la droite de charge avec les différentes courbes de tension de grille, sur la partie de gauche.

Droite de transfert

Pour choisir correctement le point de fonctionnement du tube nous devons le choisir au milieu de la partie la plus rectiligne de la courbe bleue dite de transfert. On choisit le milieu de la droite de charge pour que le tube puisse amplifier avec distortion minimale les alternances positives et négatives.

Oca nous a même fait un joli tutorial pour tracer cette droite de transfert sous switchercad, un logiciel de simulation : Tutorial switchercad . Il a utilisé les mêmes données que pour notre article (je le remercie au passage pour la mise à disposition de son travail dans cet article)

Ici le point (c’) situer donc entre (b’) et (d’) semble être un bon compromis. Son vis-à vis le point (c) coupe la courbe de grille (-1V) aux coordonnées suivantes que nous déterminons graphiquement :

point de fonctionnement

Soit Ua = 110V et Ia = légèrement inférieur à 0.6mA.

On note aussi que pour une variation de 1V crête à crête (V1), soit entre le point b et d, on a une tension d’anode qui oscille entre 77V et 137V soit 60V crête à crête (V2).
Magique notre lampe vient d’amplifier la tension !

On peut même calculer le coefficient d’amplification du tube :

A = V2/V1
A= 60/1 = 60
soit en dB : voltage gain en décibels = 20*log(V2/V1) = 20*log(60/1) = 35.56dB

Une autre formule existe et fait appelle aussi à des données des datasheets :

Voltage gain = (gm / 1 000 000) * Rint * Ra / (Rint + Ra)

– gm étant la transconductance, on trouve plutôt dans les datasheets S=1.25mA/V, il suffit de multiplier par 1 000 pour avoir la transconductance.
– Rint : la résistance interne de l’anode
– Ra : Résistance d’anode ou dite de charge

Dans le PDF de chez JJ, on trouve S = 1.6mA/V , Ri = 62.5K, ces valeurs sont pour une tension d’anode (Ua) de 250V, ce qui n’est pas trop notre cas, mais ça permettra d’approcher quand même le résultat.

Voltage gain = (1600 / 1 000 000) * 62 500 * 120 000 / (62 500 + 120 000) = 65.75

 

C’est un résultat relativement satisfaisant vu les approximations sur les données.
De plus il faut préciser que ce calcul ne tiens pas compte de ce qui suit l’étage, en effet, en fonction de l’impédance d’entrée de l’étage suivant le gain de l’étage peut-être modifié, mais nous verrons cela dans d’autres chapitres vu la multitude de cas possibles.

Calcul de la résistance de cathode :

Reprenons la figure 2, la tension de grille est fixée à -1V pour que notre tube fonctionne à notre point de fonctionnement et la cathode est reliée à la masse. Pour éviter d’avoir à générer cette tension négative, il suffit d’élever le potentiel de la cathode par rapport à la grille. La différence de tension entre la cathode et la grille dans la figure 2 est de 1V au bénéfice de la cathode. Si nous mettons la grille à la masse soit Ug = 0V (via une résistance de grille de 1M par exemple comme sur le G5), alors il suffit d’élever la tension de cathode (Uk) à 1V. Comme un courant traverse déjà le tube, il suffit d’intercaler une résistance entre la cathode et la masse pour voire une tension sur la cathode.

fig.3

Pour définir la valeur de la résistance de cathode (Rk), il suffit d’appliquer encore la loi d’ohms :

Rk = Uk / Ia
Rk = 1 / 0.6 = 1.66 Kohms
Soit en valeur normalisée la plus proche 1.8Kohms

 

Voilà j’espère que vous y voyez plus clair sur les droites de charge, en tout cas moi oui !
Passons à la suite alors avec les pentodes de puissance sur un montage classique à tube unique (Single Ended).
A bientôt.

Bibliographie :

– Polariser une triode – Electron fou – Techniguitare
– G Dutheil – Amplificateurs à tubes pour guitare et hi-fi – Publitronic
– Revue LED – Cours “Et si on parlait tubes… n° 6, 7 , 8 et 9” soit les numéros LED de 179 à 182 inclus.
– The AX84 Theory – David Sorlien 1998
– “Designing Common-Cathode Triode Amplifiers” Aiken Amplification – 2005
– Loadlines Made Simple by Carl B. and Matthias M. – Avril 2002 – AX84 communauty.
– Datasheet JJ Electronics
– Biastool de Arvid Rosen – Web.

(c) Copyright 2006 M. COLSON – Autorisation de publication accordée à www.projetg5.com uniquement.

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