Les étages de puissances "Single ended" (SE) sont probablement la forme la plus simple d'amplificateur de puissance. Ils sont en générale utilisé pour de petites puissances, en dessous de 15W, et sont invariablement "cathode biased" (polarisé par la cathode). De plus forte puissance sont accessible soit avec des tubes plus puissants soit en utilisant des tubes en parallèle, mais dépasser 15W il d'ordinaire plus efficace de construire un "push pull". Le son produit par un ampli "Single ended" est unique. Ces amplis fonctionnent uniquement en "Classe A". Tandis qu un ampli push pull tends a éliminer les harmoniques de rang pair, un ampli classe A tends a faire le contraire. Pour un étage de puissance on utilise d'ordinaire des pentodes ou beam tetrodes qui produisent en majorité des harmoniques impaires. Avec un ampli single ended, nous pouvons espérer toutes les harmoniques possibles et en particulier un son plus riche. Critère initial : le principe de fonctionnement pour l'étage de puissance single ended, polarisé par la cathode, est plus simple a comprendre que celui d'une amplification push pull car il est similaire a celui d'une pentode petit signaux utilisé dans un préampli. La seule différence étant l'utilisation d'un transformateur pour l'anode au lieu d'une résistance comme il est de coutume dans un préampli. Les deux premières choses a considérer lorsque l'on débute la conception : quel son recherche t' on pour l'étage de puissance et avec quelle puissance.ce sont deux questions importantes car elles vont déterminer le choix du tube de puissance et qui va par conséquence dicter le reste de l'étage de puissance et l'alimentation. Si vous avez déjà une idée de la haute tension et du courant disponible ceci va également orienter votre choix. Pour illustration, nous dirons que nous voulons un ampli de 10W (qui est largement suffisant pour du "live", avec l'idée d'une distorsion modérée ou sévère! ). La puissance de sortie provenant d'un étage single ended sera, environs, la moité de la dissipation permise a l'anode. Nous avons besoin d'un tube capable de dissiper 20W ou plus. Il y a un large éventail de tube répondant a ce critères mais les plus commun en guitare sont l' EL34 (25W), 6L6GC (30W) ou deux EL84 en parallele(24w). Nous pouvons mettre de coté les tube "big bottle" (grosse bouteille) comme les tubes 6550, KT66, KT88 et KT90. Ils délivrent plus de puissance que nécessaire (ou peuvent consommer plus de puissance que nous ne possédons). Par conséquent, ils seraient "gachés" ou "sous exploités" dans cette application a moins qu'ils soient préféré pour des questions de sonorités. (Il y a évidement aucune raison de ne pas utiliser un tube plus puissant et de le faire fonctionner sous son maximum, même si cela pourrait être considérer comme un gâchis )
Le choix peut également dépendre de la disponibilité sur le marché du tube choisis, ceci selon le pays ou vous vivez. En Angleterre, les pentodes de puissance sont en générale moins cher et plus facilement disponible que les "beam tetrodes" qui sont elles plus communes au Etats Unis. Si nous décidons que nous voulons un étage de sortie qui ajoute un caractère agressif au son globale de l'amplificateur alors l'el34 est un bon choix. Ce tube délivre entre 8 et 11W avec une haute tension modérée de 250V et un peu plus avec une tension plus élevés. Impédance du Transformateur : Lors du choix du transformateur de sortie il est nécessaire de connaître quelle haute tension va être utilisée (au moins de manière approximative). En se référèrent au datasheet, nous pouvons voir que l'el34 peut être utilisée dans une large amplitude de tension. Certains amplis single ended oscillent entre 250V et 400V. Les valeurs basses de l'amplitude vont correspondre à une impédance plus basses et vice versa. Dans l'exemple suivant nous allons utiliser 300V. Malheureusement, bien que le datasheet de l'el34 stipule que la tension maximum au repos est de 800V, ceci n'est valable que pour les tubes produits dans les années 60. Les EL34 modernes ont une longévité douteuse avec ces très hautes tension, donc il serait plus responsable de nous limiter a une haute tension inférieur a 500V. Les fabricants de transformateur stipulent qu'un transformateur aura X impédance au primaire avec Y impédance au secondaire. Exemple: 5K au primaire avec une impédance de 8K au secondaire (haut parleur). Ceci vient du rapport de la tension et du courant du transformateur qui sont inversement proportionnel l'un vers l'autre. Autrement dit, si la tension descend, le courant monte. Le rapport du nombre de tours (rapport de transformation ) peut être donné comme suit : Vin/Vout = Iout/Iin comme chacun est la fonction inverse de l'autre, mettre au carré le résultat nous donnera le rapport d'impédance : Z = (Vin/Vout) au carré. Il est facile de constaté qu'un transformateur possédant un rapport de tension et de courant de 20 aura un rapport d'impédance de 400. Ceci voulant dire que si on connecte un haut parleur de 8ohm au secondaire on aura une impédance au primaire de 3.2K. Doubler l'impédance du hauteur parleur, 16ohm, doublera également la valeur du primaire pour 6.4K (c'est une astuce utile pour permettre l'obtention de votre impédance primaire idéale. Connecter un haut parleur d'une impédance différence que celle prévus a l'origine).du fait que les courbes de la grille de commande permettent au signal d'atteindre 0V a l'anode, et que nous souhaitons polarisé approximativement l'étage de façon symétrique ( centre biased ), voici la formule pour connaître l'impédance idéale :
Z = Va^2/Pa Va= la tension d'anode Pa= la dissipation maximun de l'anode. Avec notre haute tension de 300V et la valeur de 25W de dissipation du datasheet : Zsortie= 300^2/25 Zsortie=3600ohm Ceci nous donne la valeur permettant a l'étage d'être polarisé de façon parfaitement symétrique, en classe A, avec le maximum de la dissipation anodique. Nous pouvons également polariser le tube avec une dissipation moindre pour un fonctionnement plus en sécurité et allonger la durée de vie de celui ci. Dans ce cas une impédance légèrement plus haute peut être utile. Une impédance plus haute ou une haute tension plus basse nous permettrais de polariser plus profondément dans la classer A (polarisation plus chaude ) pour plus de distorsion harmonique de second rang. Utiliser une impédance plus basse nous forcerait a polariser de façon plus "froide" ce qui tendrais vers un son ovedrive plus sec. Obtenir un transformateur avec l'impédance idéale est rarement aisé, ce qui nous oblige a tracer plusieurs droites de charge pour trouver le transformateur approprié. Ces droites de charge nous permet de voir a quel point l'ont peut jouer avec la valeur de l'impédance pour correspondre a la haute tension ou les transformateurs disponibles. A titre d'exemple, nous allons considérer que le transformateur disponible a une impédance de de 4K, 10W. Celle ci étant supérieure que celle précédemment calculée. Dessinons la droite de charge :
Comme on peut le voir avec la droite bleu, la droite de charge est tracé de façon conventionnelle mais le tube ne sera pas polarisé avec cette droite de charge. Elle nous montre simple l angle de la droite de charge. Choisir un point de polarisation : Du fait que nous utilisons une charge réactive au lieu d'une charge résistive (un transformateur au lieu d'une résistance). La polarisation n'est pas déterminer de la même façon que celle d'un étage de preamp. Le primaire du transformateur a une résistance DC très faible donc seulement quelque volt seront perdus a ces bornes, pertes que l on peut ignorer. Par conséquent, le point de repos de la tension d'anode sera la même que celle de la haute tension, peu importe le courant de repos que nous choisissons. Nous pouvons dessiner une ligne vertical a la haute tension et nous savons que le point de polarisation sera quelque part sur cette droite. Nous pouvons également voir que le point de polarisation de notre droit de charge, actuellement, polarisera le tube dans le "cut off" et le fera fonctionner uniquement en class B! Au lieu de choisir un point de polarisation sur la droite telle quelle, nous la faisons glisser vers le
haut tout en conservant le degrés. Les lignes grises montrent ce processus. La droite de charge ne doit pas aller au delà de la courbe de dissipation maximum (Wa), il serait responsable de choisir un point légèrement en dessous de la courbe pour une utilisation stable. Les droite de charges pour d'autres impédances sont tracés de la même manière. Nous décidons que le courant de repos de l'anode que nous voulons est de 75mA (point violet), juste en dessous de la dissipation maximum, et comme nous pouvons le voir le tube fonctionne maintenant en classe A "center biased" ( le point de polarisation est approximativement au centre de la droite de charge). Si vous vous demander pourquoi on peut voir que l'amplitude du signal pour aller au delà de la haute tension, c'est exactement ce qui se passe. L'inductance résiste au changement du courant. Quand le courant dans le transformateur augmente, celui ci emmagasine l'énergie qui est relâché quand le courant décroît ce qui permet d'avoir le double de tension. Grâce a ça, la haute tension dans un ampli classe A ne doit jamais être la moitié du maximum de la de la tension crête de l'anode pour le tube choisis. Donnée délivrée par le datasheet. Pour l'el34, cette tension est de 2000V, nous somme donc dans une tension saine dans le cas présent. Tension de grille écran: La grille écran est généralement polarisée avec une résistance de chute installée depuis la haute tension (RG2) (voire la fiche "lissage et filtres") ou une inductance ("chocke" en anglais) avec une résistance de grille écran de faible valeur. Ceci place la grille écran a une tension environs égale a celle de l'anode, ou légèrement inférieure. Les amplis guitares sonnent en générale mieux lorsque la droite de charge passe légèrement en dessous du coude de la courbe. C'est l'interaction de la charge, de l'anode et de la tension de grille écran qui est l'essence d'une conception avec pentode. La résistance chutrice ou l'inductance sert a la fois de filtrage et a faire chuter la tension. Ils produisent a la fois une limitation du courant et la compression. Pour choisir la valeur de ces résistances nous devons connaître le courant de grille écran et celui pour le préamp qui devra traverser l'élément (inductance ou résistance). Le courant du préamp peut être estimer et celui de la grille écran peut être déterminer par a graphique présent dans le datasheet ou en sachant que le courant de grille écran est environs un ratio fixe du courant d'anode. Le datasheet donne un exemple, si l'anode délivre 70mA, le courant de grille est de 10mA, par conséquence un ratio de 70/100 = 7:1. Comme mentionné, la droite de charge va passer légèrement sous le coude des courbes, ce qui est convenable pour un ampli clean. Cependant, pour une saturation c est une MAUVAISE IDEE car une fois que le point de polarisation monte jusqu'à 0V, le courant de grille augmente rapidement. Si cela dure trop longtemps (et cela se produit durant la saturation) cela peut provoquer une sur dissipation de la grille écran et la détruire. Pour éviter ça, a une résistance grid stroper est ajouté ce qui force la tension de grille écran a s abaisser a mesure que le
courant augmente, limitant ansi la dissipation. Étant donné que le courant se réduit, les courbes de grille écran se compressent et dans cette condition nous apprécions que le coude de la courbe rencontre ou passe en dessous de la droite de charge. Ceci est connus sous le nom de sliding screen (écran glissant en francais (?!), et requière un certains degrés d'estimation et d'expérience comme nous allons le voir. Premièrement, nous devons savoir jusqu au la tension de grille doit descendre et pour cela nous allons utiliser le graphique mutual characteristics (caractéristique mutelle). Malheureusement ce graphique ne montre pas la tension de grille écran au delà de 0V sur la grille de commande Cependant nous pouvons estimer que nous voulons que la courbe 0V descende là ou est celle de 8V est a l état normale, alors la courbe 8V descendra alors là ou se situe celle de 16V. La courbe 16V en l état actuelle croise la droite de charge pour Ia =125mA. Si nous regardons sur le graphique mutual characteristics on peut voir a quelle tension correspond la courbe 8V avec 125mA de courant d anode( point vert) La tension de grille écran nécessaire est légèrement sous 250V, mais nous arrondirons a 250V. Par conséquent nous avons besoin de faire chuter la tension d environs 300 250V = 50V au borne de la résistance de grille écran, sous la condition d un régime saturé. Maintenant introduisons un facteur improbable et disons que l anode arrive proche de 0V, tout le courant est alors volé par la grillé écran (ce n est pas réellement ce qui se passe, mais nous ferons comme si). La droite de charge nous renseigne, le courant crête est de 150mA. L utilisation de la loi d ohm nous permet de trouver la valeur minimum pour la résistance de grille : 50/0.150 = 333ohms. En réalité le courant de grille n attendra pas cette valeur, nous devons utiliser la valeur supérieur standard pour la résistance, valeur qui est 470R pour une résistance wire wound. Une valeur de 1K est plus commune et causera plus une forte compression. La puissance dissipée dans la résistance sera minimale du fait que le courant n ira jamais jusqu a 150mA. Une résistance de 2W sera suffisante. Cette résistance fera également chuter la tension de repos de 470*0.0107 = 5V, ce qui est négligeable.
Polarisation : Maintenant que nous connaissons la tension de grille écran, qui sera 300 7.5 5 =288V nous pouvons retracer la nouvelle caractéristique d anode pour trouver le point de polarisation. Cependant, une façon plus rapide est d utiliser le graphique mutual characteristics une nouvelle fois. Nous savons que le courant de repos de l anode sera de 75mA et la tension de grille écran de 288V, ceci informe d une tension grille de commande cathode de 17V (point bleu) qui est notre point de polarisation. Le totale du courant de cathode sera égale au courant d anode et celui de grille écran, qui est de 86mA en tout. Utilisons la loi d Ohm pour calculer la valeur de la résistance de cathode. 17/0.086 = 198ohm Les deux valeurs standard sont 200ohms et 220ohms, valeurs qui iront parfaitement l une comme l autre du fait que le circuit ne fonctionnera pas, au repos, au maximum de sa dissipation. Malgré ça, certains amplis Classe A peuvent être configuré très proche de cette limite. Cependant les caractéristiques des tubes peuvent varier de façon importante il est donc conseiller d utiliser la valeur la plus haute pour cette résistance. Nous pouvons utiliser 220 ohms ce qui élèverai légèrement le point de polarisation, même si d une manière non significative, et dissipera moins de : (0.086 * 0.086) * 220 = 1.6W une résistance de 3W ou plus est idéale. Condensateur de découplage de la cathode Comme dans la plupart des amplis single ended, découpler complètement la cathode augmentera le gain en annulant la contre réaction interne, cela maximisera également la puissance de sortie et la sensibilité d'entrée (rendant le tube plus facilement saturable) Pour une fréquence de coupure d environs 10Hz : Ck = 1/(2*pi*f*Rk) Ck = 1/(2*pi*10*220) Ck = 72uF Nous utiliserons 100uF. C est une valeur générique pour un ampli single ended et dans
beaucoup de cas on ne se fatigue pas a la calculer. Sa tension maximale devra être 3 fois supérieure a celle attendue a la cathode. Ceci est nécessaire si vous êtes idiot et installer un switch de standy by. Au déménage un bref appel de courant apparaît ce qui a pour conséquence d augmenter la tension au borne de la résistance de cathode de façon alarmante. Un condensateur de 63V est largement convenable. La résistance de grille (RG1) peut être trouvé en consultant le datasheet pour la valeur utilisable dans une polarisation par la cathode, ce qui est d'ordinaire moindre pour un tube de puissance que pour un tube de pré ampli. La valeur maximale pour l EL34 est 700K et nous utiliserons probablement 470K. Une résistance grid stopper DOIT être installé pour éviter les oscillations hautes fréquences. Le datasheet peut éventuellement présenter quelques exemples de valeurs, 1K et 100K étant relativement communs. Une autre méthode de polarisation existe, il s agit de mettre de la cathode a la masse et d utiliser une source de tension négative additionnelle pour fournir la tension négative a la grille de commande. Ceci est référencé fixed bias, c est une polarisation ajustable, elle est d ordinaire utilisé pour les amplis push pull de forte puissance. Charge récative : il est important de noter que le transformateur de sortie forme une charge réactive et par conséquent son impédance change avec la fréquence, et du fait qu il soit aussi connecté aux haut parleur. Un haut parleur, et particulièrement un conçus pour l amplification guitare, n a pas une impédance constante dans sa bande de fréquence. A cause de la combinaison de la capacité, de l inductance et de la résistance et le fait qu un haut parleur de guitare soit conçus spécialement pour accentuer une bande de fréquence pour un bon son de guitare électrique. L 'impédance va varier considérablement par rapport au valeur annoncée. Ceci a l effet de modifier la droite de charge en ellipse qui va varier avec la fréquence et aller au delà de dissipation maximale du tube. Ceci n est cependant pas un problème du fait que le tube n est dans cette état qu un court instant. Le type de haut parleur utilisé a une influence énorme sur le son finale de l ampli et contribues a sa réponse dynamique et sa compression, ceux pour lequel les ampli guitare sont admiré. Il est également remarquable combien la sensibilité d un haut parleur peut augmenter le volume d un ampli donné comparé a un haut parleur avec une sensibilité moindre. Le graphique ci dessous montre une droite de charge avec une tension de grille écran de 250V et la droite sera une ellipse. Nous pouvons voir que la sensibilité d entrée est a peine a 20V crete a crete. A puissance maximale avant saturation, le courant d anode maximale est de 140mA crête (50mA RMS) et la tension maximale d anode de 540V crête (191V RMS). Ceci
donne une puissance de sortie a la charge d environs 0.05*191 = 9.5W (et une efficacité d anode de 42%). Vous devez êtres capable de voir qu en utilisant un transformateur avec une valeur au primaire plus basse ceci permettrai une tension plus forte sur la grille écran (et par conséquent, plus de dynamique (headroom) ) car la droite de charge sera plus raide. Ceci nous forcerait par contre a polarisé plus froid a moins de réduire la tension d anode. Inversement, une impédance plus forte nécessiterais une une tension de grille écran plus basse (moins de dynamique) mais nous permettrais une tension d anode plus haute avec une polarisation centre biased en Classe A. Il est difficile de dessiner une droite de charge de cette façon. Souvenez vous par contre, la droite de charge est dessiné de façon correct uniquement si un haut parleur de la bonne impédance est connecté. Brancher un haut parleur de plus forte impédance obligera la droite de charge a pivoter vers le haut, autour du point de polarisation. Ceci pourra endommager la grille écran du fait qu elle passera sous le coude des courbes de la grille de commande (même si avec un peu de chance, la résistance de grille écran cramera en premier). Il peut également y avoir un arc dans le transformateur du fait d un surplus de courant développé lorsque le tube est saturé. Connecter un haut parleur de plus faible valeur aura l effet opposé; la droite de charge deviendra plus raide, poussant le tube dans une polarisation plus froide causant ou non une surdissipation anodique (heureusement, c est rarement le cas). Il est par conséquent conseiller de brancher une impédance plus faible que plus haut, si vous n avez pas le choix.
Remerciement a Zoe et Iain Hartney pour leur contribution a ce tutoriel. Merlin Blencowes, traduction : Bodiguel Julien