La lampe et son fonctionnement :

La 12AX7

La 12AX7 est un type de lampe électronique, de la famille des composants dits actifs, qui peut être considéré comme l’ancêtre du transistor. Une 12AX7 comprend en fait 2 triodes, nommées ainsi car elles ont 3 “pattes”: l’anode, la cathode, la grille. En plus de ces 6 connexions, 3 autres sont disponibles pour alimenter un filament chauffant. Ce filament est à la base du principe de la lampe. Il est porté à une certaine température par chauffage grâce à l’application d’une tension alternative de 6.3V efficaces.

Etant dispose près de la cathode, il va arracher à celle ci des électrons (électrons qui auront reçu assez d’énergie thermique pour s’extirper de la cathode). Dans le cas d’une diode, ces électrons se retrouveraient à l’air libre (du vide plus précisément) au milieu d’un champ électrique créé par la différence de potentiel entre la cathode et l’anode. Ils se mettraient donc en mouvement et créeraient un courant électrique quand ils atteigneraient l’anode. Il est important de noter que si l’on inverse la polarité d’une diode, le courant ne peut pas s’établir: les électrons arrachés à la cathode se retrouveraient immédiatement attirés par elle si son potentiel est supérieur a celui de l’anode. Dans le cas d’une triode, la grille disposée entre la cathode et l’anode modifie en fonction de son potentiel le champ électrique qui règne entre les deux autres connecteurs. De cette façon, la tension de grille permet de contrôler le courant d’anode (plus ou moins d’électrons y arrivant en fonction de la configuration du champ électrique entre anode et cathode).

Pourquoi alors s’en servir dans un amplificateur? En augmentant le potentiel de l’anode, on peut évidemment augmenter dans une certaine mesure le courant d’anode (jusqu’a saturation, effet utilise dans les diodes), mais augmenter la tension de grille est bien plus efficace: en réalité, c’est mu fois plus efficace. Ce facteur mu est appelé facteur d’amplification de la diode. Cette propriété utilisée dans un montage adéquat permet d’amplifier un signal. Magique 🙂

Plusieurs paramètres permettent de caractériser une lampe:

• La facteur d’amplification mu : il caractérise le fait que pour augmenter le courant d’anode d’une certaine quantité, il faut une variation de tension mu fois plus grande sur l’anode que sur la grille. Il vaut à peu près 100 pour une 12AX7.
• La résistance interne : le fait au qu’un courant anode-cathode s’établisse crée une chute de tension. Cette chute de tension est quantifiée par la résistance interne rp. Elle vaut quelques kOhms sur une 12AX7.
• La conductance mutuelle Gm : c’est la transconductance grille/anode. Elle traduit l’effet d’un changement de tension sur la grille en terme de changement de courant anode/cathode. Une relation lie Gm et rp : Gm = mu/rp.
• Les capacités parasites : Elles sont au nombre de trois : la capa cathode/grille, anode/grille, anode/cathode. Celles dont l’effet peut être le plus indésirable (surtout a haute fréquence) est la capacité anode/grille qui peut introduire un couplage indésirable entre entrée et sortie de l’étage amplificateur.

Ces valeurs se retrouvent aisément dans les datasheets des lampes et peuvent se déduire de leurs courbes caractéristiques ou sont en général représentes le courant anode/cathode en fonction de la tension d’anode pour diverses tensions de grille (d’ou l’on peut déduire rp) ou le courant anode/cathode en fonction de la tension de grille pour diverses tensions d’anode (d’ou l’on peut tirer Gm).

Ces caractéristiques vont aider a déterminer le point de fonctionnement des lampes au sein des divers étages d’amplifications, ce qui aura évidemment une grosse influence sur le rendu sonore de l’ampli!

La EL34:

C’est une lampe au même titre que la triode, à la différence près que deux grilles supplémentaires sont ajoutées, ce qui en fait un pentode. Le fonctionnement repose sur le même principe que la triode. Quelques améliorations sont apportées a ce principe: en bref, l’ajout de deux électrodes supplémentaires apporte plus de la stabilité dans l’amplification (une petite variation de la tension de l’anode n’affecte pratiquement pas le courant), réduit la capacité parasite grille/anode et permet d’atteindre des gains beaucoup plus importants. C’est pourquoi on les utilise dans l’amplification de puissance.

Un étage préamplificateur a base de 12AX7: le montage cathode commune

Pour utiliser les propriétés d’amplification de la triode, il existe plusieurs montages « types », mais un va retenir particulièrement notre attention puisqu’il est a la base des étages de préampli des amplis pour guitare : le montage à cathode commune dont le schéma de principe est représenté ci après.

Supposons que nous voulions amplifier le plus fidèlement possible le signal d’entrée Vi (situation d’un canal clair d’ampli). Il n’est pas difficile de comprendre que pour cela il faut que l’amplificateur soit le plus linéaire possible, qu’il n’apporte aucune distorsion. Quand on regarde la caractéristique d’une lampe, on s’aperçoit que pour qu’elle fonctionne en mode linéaire, il faut respecter certaines valeurs de tension de grille et d’anode. En fixant ces valeurs, on dit qu’on polarise la triode. Cette polarisation permet de considérer la triode comme ayant un comportement linéaire dans un certain domaine de fonctionnement et de la modéliser simplement à l’aide de paramètres qui sont donnés dans sa datasheet. Cela est pratique pour calculer le gain, la dynamique, les impédances d’entrée et de sortie de l’étage d’amplification… et donc dimensionner correctement son ampli (youpi :)).

Les résistances d’anode et de cathode permettent de polariser la triode : en l’absence de tension d’entrée, la tension de grille est nulle. D’après la caractéristique de conductance mutuelle, il faut pour que la diode conduise que le potentiel de grille soit inférieur au potentiel de cathode. Rk va rendre le potentiel de cathode positif, donc supérieur à celui de grille. Pour calculer précisément ce potentiel, il faut connaître le potentiel d’anode, et en déduire par simple application de la loi d’Ohm le courant circulant dans Ra, donc dans Rk… Ce potentiel est obtenu par simulation ou calcul. Il faut savoir que plus Ra sera importante, plus le gain sera grand. En revanche, la puissance délivrée ne sera elle pas optimale si Ra est trop grande car même si le gain en tension est important, l’intensité elle aura moins de dynamique. (Ra=2rp donne la plus grande puissance en sortie).

Une fois choisie la polarisation, pour considérer que le montage est linéaire, on va supposer que les variations de tension à l’entrée de l’étage de préampli sont petites comparées aux tensions en jeu au repos (les tensions lorsque la tension d’entrée est nulle). Cela va permettre de modéliser la triode de façon simple et d’obtenir un schéma dit « petit signal » qui ne prendra en compte que les variations des différents signaux (pour faire simple, on considère dans un schéma petit signal que toute composante continue de tension est nulle). Le schéma obtenu est le suivant.

Les paramètres qui servent à la modélisation sont les mêmes que ceux évoqués au paragraphe précédent : la résistance interne rp et la conductance mutuelle gm. Ils sont déterminés à partir de la caractéristique de la triode connaissant sa polarisation et en utilisant la relation simple mu=rp.gm.

La simplicité du montage équivalent petit signal permet sans douleur d’obtenir le gain du montage : Gain= mu x (Ra||Ro)/((Ra||Ro)+rp+Zk)

Zk étant l’impédance de Rk|Ck pour la fréquence considérée. En première approximation, on peut considérer qu’elle est nulle compte tenu de la contribution des autres résistances au dénominateur.

Le calcul est aisé mais certaines simplifications ont été faîtes. Au plus on s’éloigne du domaine de validité du modèle, au plus au introduira de distorsion et au moins le calcul sera fiable.

En terme d’impédances d’entrée et de sortie, pour des potentiels de grille négatifs, l’entrée a une haute impédance (c’est a dire qu’elle ne perturbe pas l’étage qui la précède ce qui est une qualité non négligeable pour un ampli!). La sortie elle est à faible impédance. Cela permet de considérer quand on enchaîne deux étages de ce type que Ro est très grand (Rg a généralement une valeur importante, de l’ordre du MOhm, et que sa présence n’affecte quasiment pas la valeur du gain a vide (sans charge) de l’étage précèdent: nous verrons dans l’étude du G5 que cela est très pratique pour étudier un préampli a plusieurs étages!

Il reste une dernière chose dont nous n’avons pas parlé : le condensateur Ck. Pour les besoins de la modélisation, j’ai considéré que le condensateur est un court circuit pour la composante alternative et un coupe circuit pour la composante continue d’une tension. Evidemment son impédance change en fonction de la fréquence dans un montage réel. Ce condensateur a une utilité cruciale. Sans lui, voici ce qui se passerait : Supposons que nous appliquions une tension alternative sur la grille. La fonction de la grille est de commander le courant d’anode (qui circule aussi dans Rk). La tension aux bornes de Rk changerait, et la polarisation de la diode aussi. Le gain serait donc complètement instable puisqu’en changeant la polarisation, gm et rp changent. Il donc nécessaire pour garder une polarisation stable de faire en sorte que les variations de courants ne soient pas « vues » de Rk. En considérant que Ck est un court circuit pour les variations de courant, c’est ce qui se passe en mettant Ck en parallèle avec Rk. Ck a généralement une valeur inférieure a 100uF.

Pour obtenir un son saturé, il faut introduire une distorsion (que j’espère à titre personnel très sévère 🙂 ). Pour cela il faut sortir du domaine de validité du modèle, pour invalider l’hypothèse de linéarité. Plusieurs possibilités s’offrent à nous : polariser la triode de façon a volontairement se trouver dans une zone non linéaire de fonctionnement, ou faire en sorte que les variations de la tension de grille fassent saturer la diode (en effet quand Vg devient positive (vis-à-vis de la tension de cathode), le courant d’anode est saturé et de valeur constante).

Pour une application concrète de ces quelques théories, se référer à l’analyse de G5 section préampli !