Thermoélectronique

Triode amplificatrice

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La TRIODE AMPLIFICATRICE

Nous voyons d'abord le montage le plus fréquemment employé.
Puis l'utilisation des courbes pour en calculer les composants externes
ainsi que l'amplification et les caractéristiques d'impédances d'entrée & sortie qui en résultent.

Il s'agit d'un amplificateur de tensions variables ue appliquées à la grille,
ce signal amplifié us sera disponible sur la plaque.


Si vous souhaitez, dans la suite, voir cette courbe sur une fenêtre inépendante, cliquez l'icône :

CLE :condensateur de liaison d'entrée. CLS : condensateur de liaison de sortie.
Ck : condensateur de découplage de cathode.
Rg résistance de polarisation de grille (très élevée - de l'ordre du Méghom)
Rk : résistance de polarisation de cathode. Ra : résistance d'anode.

HT
haute tension d'alimentation : (continue constante : quelques centaines de volts).
Ug : tension grille / 0V ; Ugk : tension grille / cathode ; Uk: tension cathode / 0V
Ia : courant anodique ; Uak : tension anode-cathode. ; Us tension de sortie ( anode / 0V)

ue : signal d'entrée (tension variable) ; us : signal de sortie (tension variable)
us = A . ue avec A : amplification en tension.

Polarisation automatique de grille

La grille doit être négative par rapport à la cathode.
Mais prévoir une alimentation négative spécifique à chaque lampe
impliquerait d'alourdir à la fois le schéma, les dispositifs portables et leur prix.
Celas s'est cependant fait dans des équipements de laboratoire
dont le prix et la masse comptait moins que la performance.

Voici un dispositif astucieux nous dispensant d'alimentations négatives spécifiques à chaque tube.

Une résistance Rk est interposée entre cathode et l' équipotentielle 0 V .

Nous allons d'abord supposer qu'aucun signal variable ue n'est appliqué en entrée.
Etude statique donc.


Le courant anodique Ia produit une chute de tension Rk.Ia aux bornes de cette résistance.
La cathode se trouve donc à un potentiel
+ Rk.Ia par rapport à l'équipotentielle 0V.

La grille est reliée à cette équipotentielle 0V par une résistance Rg.
Comme le courant de grille est nul il n'existe aucune tension aux bornes de Rg.
La grille est donc au potentiel 0V par rapport à l'équipotentielle 0V.
Par rapport, cette fois à la cathode, la grille se trouve donc à un potentiel négatif de ( - Rk.Ia ).
C'est ce que l'on voulait obtenir.


Lorsqu'on appliquera une tension variable ue entre la grille et l'équipotentielle 0V,
la tension continue Ugk qui vient d'être calculée sera la valeur moyenne
autour de laquelle va osciller le signal variable ue.

Application sur un tube réel

Si vous observez le schéma de l'amplificateur :
vous notez que :
Ua = HT - Ra.Ia
C'est l'équation d'une droite dans un système d'axes Uak / Ia.
Nous avons tracé en rouge cette droite pour une résistance Ra = 18 kOhm et HT = 360 V
sur le réseau de caractéristiques de transfert de la diode 12AT7 - ECC81
(12AT7 en est la dénomination aux E.U.A. ; ECC81 en Europe.)


Si vous souhaitez, dans la suite, voir cette courbe sur une fenêtre inépendante, cliquez l'icône :

Non seulement Uak et Ia sont soumis à la condition Uak = HT - Ra.Ia
mais aussi à celles de la triode exprimées sur le réseau de caractéristiques.
Le point de fonctionnement se trouvera donc obligatoirement à l'intersection de l'aune et des autres.

Nous décidons de centrer le point de fonctionnement de cette triode à Ugk = - 1,8 V.
Nous verrons plus loin comment décider de ce choix.
Ce point se trouvera donc à l'intersection de la doirte de charge avec la courbe Ugk = - 1,8 V.

Nous lisons sur le graphique que cette intersection correspond à Ia = 7,5 mA et Uak = 225 V.
La précision est faible mais cela a peu d'importance comme nous le constaterons plus loin.

Reprenons le schéma de l'amplificateur :
Ugk = Rk . Ia donne avec les valeurs précédentes : Rk = 1,8 / 7,5.10-3 = 240 Ohm.


Dans ces conditions le point de fonctionnement au repos (sans signal ue)
se caractérise comme suit :

HT
360 V
Ra
18 kOhm
Rk
240 Ohm
Uak
225 V
Ia
7,5 mA
Ugk
- 1,8 V

Amplification

Les signaux que cette triode sera amenée à amplifier sont des tensions variables
appliquéees à l'espace grille-cathode à travers un condensateur CLE dit de liaison.

Le rôle de ce condensateur est d'appliquer la composante variable de ce signal
en bloquant sa conposante continue (valeur moyenne).
Ce n'est pas rien vu que les étages applificateurs à tubes se suivent dans ce type de montages
et que les sorties de signaux s'effectuant par l'anode, la tension moyenne de celle-ci
etant extrêmement élevée, modifieraient radicalement la polarisation de grille de l'étage suivant.
Avec destruction à coup sûr du tube.

Vous voyez en sortie du montage, un autre condensateur CLS.
En fait il n'y a qu'un seul condensateur entre deux étages d'amplification qui se suivent.

Il existe des montages dans lesquels il y a liaison directe entre étages.
Ce n'est pas impossible, mais acrobatique.

Dans l'exemple ci-dessus nous avons supposé que l'amplitude maximale crête-à-crête
du signal d'entrée serait de 1,2 V . Tension crête de Ue : + / - 0.6 V.
Le point de fonctionnement dynamique se déplace entre les deux points cerclés de bleu
qui correspondent aux tensions extrêmes d'anode de 204 V et 240 V.

Choix du point de fonctionnement

Nous avons en effet le choix de la région du réseau de transfert que nous pouvons utiliser.

Eléments à prendre en considération :

  • la tension crête-à-crête du signal d'entrée
  • la tension crête-à-crête du signal de sortie
  • la puissance maximale dissipable par le tube
  • la linéarité des courbes dans la région choisie
  • la consommation du tube en courant anodique.

Si vous observez la droite de charge en vert ( pour Ra = 36 kOhm) du réseau de la triode ECC88,
la région choisie est moins linéaire mais l'amplitude de sortie est supérieure : 165 V - 210 V.
dUa = 45 V au lieu de 30 V dans la polarisation précédente pour la même variation d'aplitude de Vgk.
L'amplification est de 37,5 au lieu de 30.

Plus l'amplitude des signaux d'entrée ou de sortie est grande moins l'amplification est linéaire.

Pour des signaux faibles on a un large choix pour la région : on pourra minimiser la consommation.

Calcul de l'amplification

L'amplification du montage est le rapport : A = dUs / dUe.
dUe et dUs peuvent être assimilés respectivement à ue et us.

Rapportez-vous au schéma de l'amplificateur à triode :

Ue n'est autre ici que Ug.
A = dUs / dUg.
Calculons A

La loi d'Ohm nous permet d'écrire :

Us = HT - Ra.Ia
Uak = Us - Rk.Ia
Ug = Ugk + Rk.Ia

La fonction liant les variables Ia , Uak et Ugk , nous l'avons vu plus haut , est :

avec m (coeff. d'amplification) et Ri (résistance interne)
( la lettre "mu" ne passant pas facilement j'ai remplacé le coefficient d'amplification par m)

dIa = ( 1 / Ri ) ( m . dUgk+ dUak )
ou, avec S (pente) et Ri
dIa = S . dUgk+ (1/Ri) . dUak

A vos mathématiques !
Vous devez obtenir :



"mu" coefficient d'amplification de la triode
Ri résistance interne de la triode
Ra résistance d'anode
Rk résistance de cathode



N.B. pour les amateurs de calcul : commencez par différencier les trois premières relations :
Exemple : dUs = -Ra . dIa
Rappel : m = S . Ri ( m coeff. d'ampli, S pente, Ri résistance interne)

On observe que Rk joue un rôle défavorable.
Comme elle est déterminée par la polarisation du point de repos en fonctionnement.,
elle ne peut pas être changée.

C'est la raison de la présence du condensateur Ck dit "de découplage de cathode".
En régime variable, il a une impédance négligeable s'il est d'assez grande capacité
et de ce fait vient court-circuiter la résistance Rk.
En régime variable seulement.

Dès lors on peut faire Rk = 0 dans la relation ci-dessus qui ne concerne que les valeurs variables :
( A = dUs / dUe)
Dans la formule seulement, pas dans le montage !



"mu" coefficient d'amplification de la triode
Ri résistance interne de la triode
Ra résistance d'anode

En divisant par Ri apparaît l'influence de Ri / Ra sur l'amplification :

L'amplification diminue quand on augmente Ri augmente quand on augmente Ra

Application


Nous reprenons le réseau de l'ECC81
pour laquelle nous avons défini le point de fonctionnement statique (au repos sans signal variable)

à :
Ia = 7,5 mA ; Uak = 225 V ; Rk = 240 Ohm ; Ra = 18 kOhm

Nous pouvons extraire de ce réseau les paramètres de la triode au voisinage de ce point de repos.

La tangente à la courbe Ugk = -1,8V en ce point fournit la résistance interne Ri = dUak / dIak à Ugk = -1,8V Cte.
dUak = 280 V ; dIa = 20 mA donc Ri = 14 kOhm.

Pour Ia constante ( 7,5 mA) : dUak = 65 V ; dUgk = 1,2 V
le coefficient d'amplification (dUak / dUgk) est m = 54,1

Pour Uak constante 225 V et dUgk = 1,2 V : dIa =4,7 mA .
pente : S = dIa / dUgk
S = 3,9 10-3 A / V

Or, m = S.Ri = 54,5 - on devrait obtenir 54,1.
Causes :

imprécisions des relevés graphiques & non-linéarité du réseau de courbes.
Conservons m=54,3 et Ri=14 kOhm
Alors l'amplification du montage est : ( -mRa / Ri + Ra )
A = - 30,5
Le signe moins indique que le signal de sortie est en opposition de phase avec le signal entrant


Sans condensateur de couplage de cathode : A = - mRa / [ (1+m)Rk + Ri + Ra ] =
- (54,3 x 18 x 103) / [ 55,3 x 240 + (14+18) x 103
] =
- (54,3 x 18) / [ 13,272 + 32 ] =
- (977,4) / [ 45,272] =
A = - 21,58 très inférieur en valeur absolue à 30,5.
Ce qui confirme l'utilité de ce condensateur.



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