Amplificateur audio à tube à vide 12AX7 DIY – Construction d'un son classique

Pièces et Matériaux

• Un tube à vide 12AX7 double triode
• Deux transformateurs de puissance, 120VAC abaisseur vers 12VAC (Radio Shack #273-1365, 273-1352, ou 273-1511).
• Module redresseur à pont (Radio Shack #276-1173)
• Condensateur électrolytique, au moins 47 µF, avec une tension de travail d'au moins 200 volts DC.
• Bobine d'allumage automobile
• Haut-parleur audio, 8 Ω d'impédance
• Deux résistances 100 kΩ
• Un condensateur 0,1 µF, 250 WVDC (Radio Shack #272-1053)
• « Alimentation AC basse tension » comme indiqué dans le chapitre Expériences AC
• Un interrupteur bascule SPST (« Single-Pole, Single-Throw »)
• Radio, lecteur de cassettes, clavier musical, ou autres sources de signal de tension audio

Où pouvez-vous obtenir un tube 12AX7, demandez-vous ? Ces tubes sont très populaires pour les étages de « préamplificateur » de nombreux amplificateurs de guitare électrique professionnels.

Allez dans n'importe quel bon magasin de musique et vous les trouverez à un prix modique (12 $ US ou moins). Un fabricant russe nommé Sovtek les fabrique neufs, donc vous n'avez pas besoin de compter sur des composants « New-Old-Stock » (NOS) restants de fabricants américains disparus.

Ce modèle de tube était très populaire à son époque et peut être trouvé dans de vieux équipements de test électronique « à tubes » (oscilloscopes, oscillateurs) si vous avez accès à un tel équipement. Cependant, je suggère fortement d'acheter un tube neuf plutôt que de prendre des risques avec des tubes récupérés d'équipements anciens.

Il est important de sélectionner un condensateur électrolytique avec une tension de travail (WVDC) suffisante pour résister à la sortie du circuit d'alimentation de cet amplificateur (environ 170 volts). Je recommande fortement de choisir un condensateur avec une tension nominale bien au-dessus de la tension de fonctionnement attendue, afin de gérer les surtensions inattendues ou tout autre événement qui pourrait solliciter le condensateur.

J'ai acheté l'assortiment de condensateurs électrolytiques Radio Shack (catalogue #272-802), et il se trouve qu'il contenait deux condensateurs 47 µF, 250 WVDC. Si vous n'avez pas cette chance, vous pouvez construire ce circuit en utilisant cinq condensateurs, chacun nominal à 50 WVDC, pour remplacer une unité 250 WVDC :

 

Gardez à l'esprit que la capacitance totale pour ce réseau de cinq condensateurs sera de 1/5, soit 20 %, de la valeur de chaque condensateur. De plus, pour assurer une charge uniforme des condensateurs dans le réseau, assurez-vous que toutes les valeurs de capacitance (en µF) et toutes les valeurs de résistance sont identiques.

Une bobine d'allumage automobile est un transformateur haute tension à usage spécial utilisé dans les moteurs de voiture pour produire des dizaines de milliers de volts pour « allumer » les bougies. Dans cette expérience, elle est utilisée (très conventionnellement, je l'avoue !) comme transformateur d'adaptation d'impédance entre le tube à vide et un haut-parleur audio de 8 Ω.

Le choix spécifique de « bobine » n'est pas critique, tant qu'elle est en bon état de fonctionnement. Voici une photographie de la bobine que j'ai utilisée pour cette expérience :

 

Le haut-parleur audio n'a pas besoin d'être extravagant. J'ai utilisé de petites enceintes « bibliothèque », des haut-parleurs automobiles (6"x9"), ainsi qu'un grand haut-parleur stéréo 3 voies de 100 watts pour cette expérience, et ils fonctionnent tous bien.

N'utilisez en aucun cas un casque, car la bobine d'allumage ne fournit pas d'isolation électrique entre les 170 volts DC de l'alimentation « plaque » et le haut-parleur, élevant ainsi les connexions du haut-parleur à cette tension par rapport à la masse. Puisque placer des fils sur votre tête avec une haute tension par rapport à la masse serait très dangereux, n'utilisez pas de casque !

Vous aurez besoin d'une source de signal AC de fréquence audio en entrée de cet amplificateur. Je recommande une petite radio alimentée par pile ou un clavier musical, avec un câble approprié branché dans la prise « casque » ou « sortie audio » pour acheminer le signal vers votre amplificateur.

Références Croisées

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, chapitre 13 : « Tubes à électrons »

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, chapitre 3 : « Diodes et redresseurs »

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, chapitre 9 : « Transformateurs »

Objectifs d'Apprentissage

• Utiliser un tube à vide (triode) comme amplificateur audio
• Utiliser des transformateurs en fonctionnement abaisseur et élévateur
• Comment construire une alimentation DC haute tension
• Utiliser un transformateur pour adapter les impédances

Schéma Électrique

 

 

Illustration

 

Instructions

Bienvenue dans le monde de l'électronique à tubes à vide ! Bien que ce ne soit pas exactement une application de la technologie des semi-conducteurs (redresseur d'alimentation excepté), ce circuit est utilisé comme introduction à la technologie des tubes à vide, et une application intéressante pour les transformateurs d'adaptation d'impédance. Il convient de noter que la construction et le fonctionnement de ce circuit impliquent des tensions mortelles !

Vous devez faire preuve d'une prudence extrême en travaillant avec ce circuit, car 170 volts DC est capable de vous électrocuter !! Il est recommandé aux débutants de chercher une assistance qualifiée (électriciens expérimentés, techniciens en électronique, ou ingénieurs) s'ils tentent de construire cet amplificateur.

AVERTISSEMENT : ne touchez aucun fil ou borne tant que le circuit de l'amplificateur est sous tension ! Si vous devez entrer en contact avec le circuit à un moment donné, éteignez l'interrupteur d'alimentation « plaque » et attendez que le condensateur de filtre se décharge en dessous de 30 volts avant de toucher toute partie du circuit. Si vous testez les tensions du circuit avec l'alimentation activée, utilisez une seule main si possible pour éviter la possibilité d'un choc électrique bras-à-bras.

Construction de l'alimentation haute tension :

Les tubes à vide nécessitent une tension DC assez élevée appliquée entre les bornes plaque et cathode pour fonctionner efficacement. Bien qu'il soit possible de faire fonctionner le circuit d'amplificateur décrit dans cette expérience à aussi bas que 24 volts DC, la puissance de sortie sera minime et la qualité sonore médiocre.

La triode 12AX7 est nominale à une « tension de plaque » maximale (tension appliquée entre les bornes plaque et cathode) de 330 volts, donc notre alimentation de 170 volts DC spécifiée ici est bien dans cette limite maximale. J'ai fait fonctionner cet amplificateur jusqu'à 235 volts DC et découvert que la qualité et l'intensité du son s'amélioraient légèrement, mais pas assez à mon avis pour justifier le danger supplémentaire pour les expérimentateurs.

L'alimentation a en fait deux sorties de puissance différentes : la sortie DC « B+ » pour l'alimentation de plaque, et l'alimentation « filament », qui n'est que 12 volts AC. Les tubes nécessitent une puissance appliquée à un petit filament (parfois appelé chauffe-filament) pour fonctionner, car la cathode doit être assez chaude pour émettre des électrons thermiquement, et cela ne se produit pas à température ambiante !

En utilisant un transformateur de puissance pour abaisser le 120 volts AC domestique à 12 volts AC, on obtient le basse tension pour les filaments, et un autre transformateur connecté en mode élévateur ramène la tension à 120 volts. Vous pourriez vous demander : « pourquoi remonter la tension à 120 volts avec un autre transformateur ? Pourquoi ne pas simplement prélever le 120 volts AC secteur directement sur la prise murale, et le redresser en 170 volts DC ? »

La réponse est double : premièrement, faire passer le courant à travers deux transformateurs limite intrinsèquement la quantité de courant qui peut être envoyée dans un court-circuit accidentel du côté plaque du circuit amplificateur. Deuxièmement, cela isole électriquement le circuit de plaque du système de câblage de votre maison. Si nous redressions l'alimentation secteur avec un pont de diodes, les deux bornes DC (+ et -) seraient élevées en tension par rapport à la connexion de sécurité de votre système électrique domestique, augmentant ainsi le risque de choc.

Notez l'interrupteur bascule connecté entre les enroulements 12 volts des deux transformateurs, étiqueté « Interrupteur d'alimentation plaque ». Cet interrupteur contrôle l'alimentation du transformateur élévateur, contrôlant ainsi la tension de plaque du circuit amplificateur. Pourquoi ne pas simplement utiliser l'interrupteur principal connecté à la fiche 120 volts ? Pourquoi avoir un second interrupteur pour couper la haute tension DC, alors qu'éteindre l'interrupteur principal accomplirait la même chose ?

La réponse réside dans le bon fonctionnement du tube à vide : comme les ampoules à incandescence, les tubes à vide « s'usent » lorsque leurs filaments sont alimentés et coupés répétitivement, donc avoir cet interrupteur supplémentaire dans le circuit vous permet d'éteindre la haute tension DC (pour la sécurité lors de modifications ou ajustements du circuit) sans avoir à éteindre le filament. De plus, c'est une bonne habitude d'attendre que le tube atteigne sa température de fonctionnement complète avant d'appliquer la tension de plaque, et ce second interrupteur vous permet de retarder l'application de la tension de plaque jusqu'à ce que le tube ait eu le temps d'atteindre sa température de fonctionnement.

Pendant le fonctionnement, vous devriez avoir un voltmètre connecté à la sortie « B+ » de l'alimentation (entre le terminal B+ et la « masse »), fournissant en continu une indication de la tension d'alimentation. Ce multimètre vous montrera quand le condensateur de filtre s'est déchargé en dessous de la limite de danger de choc (30 volts) lorsque vous éteignez l' « Interrupteur d'alimentation plaque » pour intervenir sur le circuit amplificateur.

Le terminal « masse » montré sur la sortie DC du circuit d'alimentation n'a pas besoin de se connecter à la terre. C'est simplement un symbole montrant une connexion commune avec un symbole de terminal de masse correspondant dans le circuit amplificateur. Dans le circuit que vous construisez, il y aura un fil reliant ces deux points « masse ». Comme toujours, la désignation de certains points communs dans un circuit au moyen d'un symbole partagé est une pratique standard dans les schémas électroniques.

Vous noterez que le schéma montre une résistance 100 kΩ en parallèle avec le condensateur de filtre. Cette résistance est tout à fait nécessaire, car elle fournit au condensateur un chemin de décharge lorsque l'alimentation AC est coupée. Sans cette résistance de « purge » dans le circuit, le condensateur conserverait probablement une charge dangereuse pendant longtemps après la « mise hors tension », posant un risque de choc supplémentaire pour vous.

Dans le circuit que j'ai construit — avec un condensateur 47 µF et une résistance de purge 100 kΩ — la constante de temps de ce circuit RC était brève, 4,7 secondes. Si vous trouvez une valeur de condensateur de filtre plus grande (bon pour minimiser le « ronflement » indésirable de l'alimentation dans le haut-parleur), vous devrez utiliser une valeur correspondante plus petite de résistance de purge, ou attendre plus longtemps pour que la tension se purge à chaque fois que vous éteignez l' « Interrupteur d'alimentation plaque ».

Assurez-vous d'avoir construit l'alimentation en toute sécurité et qu'elle fonctionne de manière fiable avant d'essayer d'alimenter le circuit amplificateur avec elle. C'est une bonne pratique de construction de circuits en général : construisez et dépannez d'abord l'alimentation, puis construisez le circuit que vous avez l'intention d'alimenter avec elle. Si l'alimentation ne fonctionne pas comme elle devrait, alors le circuit alimenté ne fonctionnera pas non plus, peu importe à quel point il peut être bien conçu et construit.

Construction de l'amplificateur :

L'un des problèmes de la construction de circuits à tubes à vide au 21e siècle est que les sockets pour ces composants peuvent être difficiles à trouver. Étant donné la durée de vie limitée de la plupart des tubes « récepteurs » (quelques années), la plupart des appareils électroniques « à tubes » utilisaient des sockets pour monter les tubes, afin qu'ils puissent être facilement retirés et remplacés.

Bien que les tubes puissent encore être obtenus (dans les magasins de fournitures musicales) avec une relative facilité, les sockets dans lesquels ils se branchent sont considérablement plus rares — votre Radio Shack local ne les aura pas en stock ! Comment, alors, construisons-nous des circuits avec des tubes, si nous ne pouvons peut-être pas obtenir de sockets pour les brancher ?

Pour les petits tubes, ce problème peut être contourné en soudant directement de courts morceaux de fil de cuivre solide 22 AWG aux broches du tube, vous permettant ainsi de « brancher » le tube dans une plaque d'essai sans soudure. Voici une photographie de mon amplificateur à tube, montrant le 12AX7 en position inversée (côté broches vers le haut).

Veuillez ignorer le bargraphe LED 10 segments à gauche et l'assemblage de commutateur DIP 8 positions à droite sur la photographie, car ce sont des composants restants d'une expérience de circuit numérique assemblée précédemment sur ma plaque d'essai.

 

Un avantage de monter le tube dans cette position est la facilité d'identification des broches puisque la plupart des « diagrammes de connexion de broches » pour les tubes sont montrés en vue de dessous :

 

Vous remarquerez sur le schéma de l'amplificateur que les deux éléments triodes à l'intérieur de l'enveloppe de verre du 12AX7 sont utilisés, en parallèle : plaque connectée à plaque, grille connectée à grille, et cathode connectée à cathode. Cela est fait pour maximiser la puissance de sortie du tube, mais ce n'est pas nécessaire pour démontrer le fonctionnement de base. Vous pouvez utiliser une seule des triodes, pour la simplicité, si vous le souhaitez.

Le condensateur 0,1 µF montré sur le schéma « couple » la source de signal audio (radio, clavier musical, etc.) à la grille(s) du tube, permettant au AC de passer mais bloquant le DC. La résistance 100 kΩ assure que la tension DC moyenne entre grille et cathode est zéro, et ne peut pas « flotter » vers un niveau élevé. Typiquement, des circuits de polarisation sont utilisés pour maintenir la grille légèrement négative par rapport à la masse, mais pour ce but, un circuit de polarisation introduirait plus de complexité que sa valeur.

Lorsque j'ai testé mon circuit amplificateur, j'ai utilisé la sortie d'un récepteur radio, et plus tard la sortie d'un lecteur de disque compact (CD), comme source de signal audio. En utilisant un cordon d'extension « mono »-vers-« phono » branché dans la prise casque du récepteur/lecteur CD, et des fils de liaison à pinces crocodiles connectant l'extrémité « mono » du cordon aux bornes d'entrée de l'amplificateur à tube, j'ai pu facilement envoyer des signaux audio d'amplitude variable pour tester sa performance sur une large gamme de conditions :

 

Un transformateur est essentiel à la sortie du circuit amplificateur pour « adapter » les impédances du tube à vide et du haut-parleur. Puisque le tube à vide est un dispositif haute tension, faible courant, et que la plupart des haut-parleurs sont des dispositifs basse tension, fort courant, l'inadaptation entre eux résulterait en une puissance audio très faible s'ils étaient connectés directement.

Pour adapter avec succès la source haute tension, faible courant à la charge basse tension, fort courant, nous devons utiliser un transformateur abaisseur. Puisque la résistance de Thévenin du circuit à tube varie dans les dizaines de milliers d'ohms, et que le haut-parleur n'a qu'environ 8 ohms d'impédance, nous aurons besoin d'un transformateur avec un rapport d'impédance d'environ 10 000:1.

Puisque le rapport d'impédance d'un transformateur est le carré de son rapport de tours (ou de tension), nous recherchons un transformateur avec un rapport de tours d'environ 100:1. Une bobine d'allumage automobile typique a approximativement ce rapport de tours, et elle est également conçue pour une tension extrêmement élevée sur l'enroulement haute tension, la rendant bien adaptée à cette application.

Le seul mauvais aspect de l'utilisation d'une bobine d'allumage est qu'elle ne fournit pas d'isolation électrique entre les enroulements primaire et secondaire, puisque le dispositif est en fait un autotransformateur, avec chaque enroulement partageant un terminal commun à une extrémité. Cela signifie que les fils du haut-parleur seront à une haute tension DC par rapport à la masse du circuit.

Tant que nous le savons, et évitons de toucher ces fils pendant le fonctionnement, il n'y aura pas de problème. Idéalement, cependant, le transformateur fournirait une isolation complète ainsi que l'adaptation d'impédance, et les fils du haut-parleur seraient parfaitement sûrs à toucher pendant l'utilisation.

Rappelez-vous, faites toutes les connexions dans le circuit avec l'alimentation coupée ! Après avoir vérifié les connexions visuellement et avec un ohmmètre pour vous assurer que le circuit est construit selon le schéma, appliquez l'alimentation aux filaments du tube et attendez environ 30 secondes pour qu'il atteigne la température de fonctionnement.

Les deux filaments devraient émettre une lueur orange douce, visible depuis les vues du haut et du bas du tube. Mettez le contrôle de volume de votre source de signal radio/lecteur CD/clavier musical au minimum, puis allumez l'interrupteur d'alimentation plaque.

Le voltmètre que vous avez connecté entre la sortie B+ de l'alimentation et la « masse » devrait indiquer la tension complète (environ 170 volts). Maintenant, augmentez le contrôle de volume sur la source de signal et écoutez le haut-parleur. Si tout va bien, vous devriez entendre les sons corrects clairement à travers le haut-parleur.

Dépannage de ce circuit :

Mieux fait avec le détecteur audio sensible décrit dans les chapitres DC et AC de ce volume d'Expériences.

Connectez un condensateur 0,1 µF en série avec chaque sonde de test pour bloquer le DC du détecteur, puis connectez l'une des sondes de test à la masse, tout en utilisant l'autre sonde pour vérifier la présence de signal audio à divers points du circuit. Utilisez des condensateurs avec une haute tension nominale, comme celui utilisé sur l'entrée du circuit amplificateur :

 

L'utilisation de deux condensateurs de couplage au lieu d'un seul ajoute un degré de sécurité supplémentaire, aidant à isoler l'unité de toute tension DC (élevée). Même sans le condensateur supplémentaire, le transformateur interne du détecteur devrait fournir une isolation électrique suffisante pour votre sécurité en l'utilisant pour tester les signaux dans un circuit haute tension comme celui-ci, surtout si vous avez construit votre détecteur en utilisant un transformateur de puissance 120 volts (plutôt qu'un transformateur de « sortie audio ») comme suggéré.

Utilisez-le pour tester un bon signal à l'entrée, puis aux broches de grille du tube, puis à la plaque du tube, etc. jusqu'à ce que le problème soit trouvé. Étant couplé capacitivement, le détecteur est également capable de tester le « ronflement » excessif de l'alimentation : touchez la sonde libre au terminal B+ de l'alimentation et écoutez un fort bourdonnement de 60 Hz.

Le bruit devrait être très doux, pas fort. S'il est fort, l'alimentation n'est pas filtrée adéquatement et peut avoir besoin de capacitance de filtre supplémentaire. Après avoir testé un point dans le circuit amplificateur avec une haute tension DC par rapport à la masse, les condensateurs de couplage sur le détecteur peuvent accumuler une tension substantielle.

Pour décharger cette tension, touchez brièvement la sonde libre à la sonde mise à la masse. Un son « pop » devrait être entendu dans les écouteurs alors que les condensateurs de couplage se déchargent.

Si vous préférez utiliser un voltmètre pour tester la présence de signal audio, vous pouvez le faire, en le réglant sur une plage de tension AC sensible. L'indication que vous obtenez d'un voltmètre, cependant, ne vous dit rien sur la qualité du signal, juste sa simple présence.

Gardez à l'esprit que la plupart des voltmètres AC enregistreront une tension transitoire lorsqu'ils sont initialement connectés aux bornes d'une source de tension DC, donc ne soyez pas surpris de voir un « pic » (une forte indication de tension momentanée) au moment même où les sondes du multimètre touchent le circuit, diminuant rapidement vers la vraie valeur du signal AC. Vous pourriez être agréablement surpris par la qualité et la profondeur du son de ce petit circuit amplificateur, surtout compte tenu de sa faible puissance de sortie : moins de 1 watt de puissance audio.

Bien sûr, le circuit est assez brut et sacrifie la qualité pour la simplicité et la disponibilité des pièces, mais il sert à démontrer le principe de base de l'amplification à tube à vide. Les amateurs avancés et les étudiants peuvent souhaiter expérimenter avec des réseaux de polarisation, la rétroaction négative, différents transformateurs de sortie, différentes tensions d'alimentation, et même différents tubes, pour obtenir plus de puissance et/ou une meilleure qualité sonore.

Voici une photo d'un circuit amplificateur très similaire, construit par le duo mari-femme Terry et Cheryl Goetz, illustrant ce qui peut être fait lorsque le soin et l'artisanat sont appliqués à un projet comme celui-ci.