Des tubes pas très catholiques - Le petit guide des autres tubes

Mais avant d’abor­der ces tubes aux fonc­tions spéci­fiques, je voulais répondre à une ques­tion simple à laquelle, je me rends compte, je n’ai pas encore donné de réponse satis­fai­san­te…

Comment ça ampli­fie un tube ?

Parce que, en fin de compte, je n’ai jamais vrai­ment expliqué comment ça se fait que le signal à la sortie d’un tube était plus fort qu’à l’en­trée…

Je résume : on a vu comment, entre l’anode (égale­ment nommée la plaque) et la cathode, se forme un courant. On a aussi vu comment la grille, située entre l’anode et la cathode, permet de contrô­ler l’in­ten­sité de ce courant. Et que donc cette grille pouvait servir d’en­trée pour un signal, dont les modu­la­tions allaient se repor­ter sur l’in­ten­sité du courant. Et qu’à la sortie (l’anode) on trou­ve­rait une tension variable simi­laire au signal d’en­trée. Tension simi­laire mais d’une plus grande ampli­tude !

Ok mais pourquoi d’une plus grande ampli­tude ??

Réponse : à cause de la proxi­mité de la grille par rapport à la cathode.

Eh oui, c’est tout bête, mais la grille est beau­coup plus proche de la cathode (d’où provient l’émis­sion d’élec­trons qui forment le courant au sein du tube) que l’anode. Elle va donc contrô­ler de façon très effi­cace ce courant : un chan­ge­ment de quelques volts est suffi­sant pour créer d’im­por­tant chan­ge­ment de courant.

Pour mieux comprendre, je vais prendre un exemple. Prenons un tube 12AX7 dont l’anode reçoit 100V, et la grille –1V : le courant qui le traverse est de 0,5 mA. Imagi­nons que nous souhai­tions augmen­ter ce courant à 2 mA. On aurait deux choix : chan­ger la tension d’anode (en conser­vant la même tension de grille), ou la tension de grille (en conser­vant la même tension d’anode). Si l’on change seule­ment la tension d’anode, il faut l’aug­men­ter à 200V (augmen­ta­tion de 100V donc). Si l’on change la tension de grille seule­ment, il faut la passer à 0V (chan­ge­ment de 1V seule­ment).

La grille contrôle beau­coup plus effi­ca­ce­ment le courant que l’anode. Et c’est elle qui reçoit le signal, donc les moindres varia­tions du signal vont créer des varia­tions impor­tantes de courant au sein du tube. Voilà pourquoi le tube ampli­fie le signal d’en­trée.

Il est d’ailleurs notable que plus un tube a un facteur d’am­pli­fi­ca­tion élevé (revoir le premier article pour l’ex­pli­ca­tion du facteur d’am­pli­fi­ca­tion), plus sa grille est située proche de sa cathode.

Les tubes dépha­seurs

On appelle couram­ment ce tube : la dépha­seuse. Elle a pour fonc­tion de prendre un signal à son entrée et d’en sortir deux. Les deux signaux sont : 

• De même ampli­tude (autant que possible)
• Hors phase à 180°

Comme on le voit sur cette image, elle se situe juste avant l’étage de puis­sance en push-pull auquel elle four­nit les deux signaux en oppo­si­tion de phase :

Pour toutes les appli­ca­tions de dépha­sage, on utilise géné­ra­le­ment un seul tube, de type 12AX7, 12AT7… C’est-à-dire un tube à doubles triodes : en effet, ces tubes embarquent en eux deux triodes, deux étages d’am­pli­fi­ca­tion, indé­pen­dants l’un de l’autre. On voit bien les deux dispo­si­tifs, côte à côte, sur l’image ci-contre.

À partir de là, il existe deux topo­lo­gies prin­ci­pales dans les amplis de guitares, avec des sous-variantes : 

• Celle qui, avec un tube, utilise une seule des triodes. La variante la plus commune est le montage catho­dyne. On le trouve dans quelques amplis de guitares : le modèle le plus connu est proba­ble­ment le Fender Deluxe des années 1950 (modèle 5E3, époque Tweed). Un dépha­seur catho­dyne a un gain légè­re­ment en dessous de 1, ce qui revient à dire qu’il n’am­pli­fie pas le signal (au contraire, il occa­sionne une très légère perte d’am­pli­tude). En revanche, l’autre triode du tube peut-être employée en amont pour boos­ter le signal avant l’étage de dépha­sage. C’est un montage qui a l’avan­tage de sa simpli­cité, mais qui n’est pas très linéaire et qui peut être instable lorsque le tube entre en satu­ra­tion.
• Ou la topo­lo­gie avec un tube, encore une fois, mais qui emploie les deux triodes. La plus courante dans les amplis de guitares est le dépha­seur de Schmidt. Cette topo­lo­gie requiert plus de compo­sants et le bon appai­rage, non seule­ment des compo­sants, mais si possible égale­ment des deux triodes conte­nues dans le tube (surtout en HiFi). Toute­fois, si le circuit est bien réalisé, c’est un montage très stable, qui supporte bien la satu­ra­tion. Là aussi le gain est proche de 1.

Tubes du circuit de réverbe

Rares sont les amplis qui utilisent encore un système de réverbe à tubes, comme on pouvait en trou­ver dans les amplis améri­cains des années 1950 et 1960. De nombreux ampli­fi­ca­teurs emploient aujour­d’hui soit une réverbe numé­rique, soit une réverbe à ressort dont le circuit d’am­pli­fi­ca­tion est basé sur des amplis opéra­tion­nels.

Lorsque l’on trouve dans un ampli un véri­table circuit de réverbe à tubes, celui-ci utilise géné­ra­le­ment un ou deux tubes à double triode : d’abord une ou deux triodes qui auront pour seule fonc­tion de pré-ampli­fier le signal à l’en­trée du cais­son de réverbe. On peut nommer cet étage « étage de commande » ou « driver » pour ceux qui préfèrent le terme anglais. On trou­vera ensuite une triode en sortie de cais­son, qui servira à ampli­fier le signal réver­béré, avant de le mélan­ger au signal non réver­béré (ce mélange est géré par un poten­tio­mètre qui atté­nue plus ou moins le signal réver­béré).

On peut voir ci-dessus, en bleu, le trajet du signal allant au cais­son et en ressor­tant, par rapport au trajet prin­ci­pal du signal (en rouge).

Tubes du circuit de trémolo

Les circuits de trémolo/vibrato à tubes sont nette­ment plus complexes. Ils sont clas­sables en trois grandes caté­go­rie :

1. Les trémo­los qui agissent direc­te­ment sur le bias des tubes de puis­sances, ou d’un des tubes de préam­pli. Ils sont géné­ra­le­ment formés d’une seule triode (géné­ra­le­ment la moitié d’un tube double triode) qui fonc­tionne comme un oscil­la­teur dont la vitesse est réglable. Son oscil­la­tion fait fluc­tuer le point de biasing des tubes de puis­sances (ou sur certains amplis, du dernier tube de préam­pli avant la section de puis­sance). L’ef­fet est très flat­teur à l’oreille, très prisé par de nombreux passion­nés des amplis à tubes, mais ces montages ont des défauts impor­tants, parce qu’ils influent sur une carac­té­ris­tique qui (comme on l’a vu la dernière fois) a un impact direct sur la longé­vité des tubes de puis­sances. On recom­mande donc parfois d’uti­li­ser ce type de trémolo à des puis­sances modé­rées, pour ne pas trop user préma­tu­ré­ment les tubes.
2. Les trémo­los harmo­niques, qui sont les plus « ésoté­riques » et rares : on en trouve sur quelques amplis Fender des périodes dites « Brown­face » et « Blonde ». Ils ont la parti­cu­la­rité d’oc­ca­sion­ner une légère varia­tion de la hauteur de la note en même temps que son oscil­la­tion d’am­pli­tude. Ils sont plus complexes, car ils néces­sitent des circuits avec de nombreux compo­sants, et au mini­mum quatre triodes, c’est-à-dire deux tubes de préam­pli­fi­ca­tion.
3. Les trémo­los « optiques » : ceux-ci sont simples à réali­ser et à modi­fier – une ou deux triodes sont néces­saires, un seul tube donc, qui ne sert que d’os­cil­la­teur (le signal ne passe pas par lui). Ce tube sert à alimen­ter une petite ampoule, ou une LED, qui va donc cligno­ter. Cette ampoule est placée face à une photo­ré­sis­tance (ou LDR pour light depen­dant resis­tor en anglais) : c’est un compo­sant qui change sa résis­tance selon la lumière qu’il capte. Il suffit ensuite de placer cette résis­tance entre le signal et la masse : lorsque l’am­poule clignote, chaque petit flash de lumière fait chuter la résis­tance, et le signal se retrouve shunté à la masse. Dans ce type de trémo­los, l’uti­li­sa­tion d’un tube est abso­lu­ment obso­lète aujour­d’hui : un ampli opéra­tion­nel fait parfai­te­ment l’af­faire sans rien chan­ger à la sono­rité du trémolo.

Tube redres­seur

Nous finis­sons cet article sur un tube très diffé­rent, le tube redres­seur, égale­ment appelé couram­ment la redres­seuse. Il est utilisé dans l’ali­men­ta­tion de certains amplis.

Un tube très diffé­rent car il ne s’agit pas d’une topo­lo­gie de triode, mais d’une ou de plusieurs diodes. Encore une fois, sur l’image ci-contre, on distingue bien les deux dispo­si­tifs côte à côte dans le tube (un tube redres­seur de type 5Y3)

Il s’agit donc du modèle origi­nel du tube à vide : rappe­lez-vous, nous l’ex­pliquions ici, avant l’in­tro­duc­tion de la triode, il y avait la diode à vide. Pour en comprendre le fonc­tion­ne­ment, je peux déjà vous renvoyer à cet article, qui concer­nait le redres­se­ment dans les alimen­ta­tions : c’est rela­ti­ve­ment simi­laire, il s’agit là aussi d’un redres­se­ment double alter­nance où, au lieu de deux diodes sili­cium, on utilise un tube conte­nant deux diodes (si l’on veut être exact, le tube contient un fila­ment, néces­saire au chauf­fage, une cathode commune et deux anodes).

Expliquons succinc­te­ment le fonc­tion­ne­ment : la tension alter­na­tive du secteur, une fois trai­tée par le trans­for­ma­teur, va venir pola­ri­ser l’une après l’autre chacune des deux diodes conte­nues dans le tube (l’une après l’autre car il s’agit toujours d’une tension alter­na­tive, comme le secteur dont elle est issue, et donc son courant va dans un sens puis dans l’autre). À tour de rôle ces deux diodes deviennent conduc­trices : mais le courant qui traverse chaque diode va, lui, dans un même sens (le courant ne peut traver­ser une diode que dans un sens). À la sortie du tube on se retrouve donc un courant alter­na­tif redressé, qui ressemble main­te­nant à une série de pulsa­tions posi­tives.

Y a-t-il un avan­tage à utili­ser un tube de redres­se­ment ? Ou est-ce exac­te­ment comme avec des diodes à semi-conduc­teur ?

Eh bien, avan­tage peut-être pas, mais parti­cu­la­rité oui : premiè­re­ment un tube redres­seur a un temps de démar­rage, comme tous les tubes (le temps que son fila­ment chauffe, tout simple­ment). Il assure donc à l’am­pli un démar­rage en douceur, il permet aux conden­sa­teurs de filtrages de se char­ger plus lente­ment… Bref, avec un tube de redres­se­ment, pas besoin d’uti­li­ser le stand-by (mais d’ailleurs, le stand-by est-il vrai­ment utile ? On en parlera au prochain arti­cle…).

Deuxiè­me­ment, un tube redres­seur a une parti­cu­la­rité : lorsque le signal qui passe par l’am­pli de puis­sance est très fort (signal très saturé, avec un gain élevé à la sortie du préam­pli), l’am­pli de puis­sance va avoir besoin de beau­coup de courant. Plus l’alim four­nit ce courant, plus la résis­tance interne du tube de redres­se­ment (impor­tante) va causer une chute de tension (légère) au niveau des anodes des tubes de puis­sances. L’ali­men­ta­tion des tubes de puis­sances va donc connaître des varia­tions avec l’in­ten­sité du signal, ce qui agira comme un léger effet de « compres­sion », et aura tendance à réduire l’am­pli­tude dyna­mique de l’am­pli de puis­sance (son headroom). Cet effet, que l’on nomme souvent du terme anglais sag, n’a lieu que dans les amplis en push-pull travaillant en classe AB.

Dans le prochain article, le dernier de la série, nous trai­te­rons de quelques ques­tions subsi­diaires, qui n’ont pas encore trouvé de réponse dans les articles précé­dent.