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Technique - Amplification


Le dessin est fortement stylisé, ne vous fiez pas trop aux valeurs lues sur le graphique, le texte lui est correct.
Après avoir vu comment fonctionnait le tube, nous allons maintenant examiner son comportement en amplificateur et vous pourrez constater que rien ou presque ne diffère par rapport au transistor, les grands principes sont toujours applicables

Nous allons examiner dans un premier temps une caractéristique du tube appelée caractéristique dynamique et qui montre l'évolution du courant plaque en fonction d'une part de la tension grille et d'autre part de la résistance insérée dans le circuit plaque. Voyons le schéma :

tubea2.gif (2560 octets)

Nous allons relever la caractéristique décrite précédemment  en faisant pour une résistance de charge donnée, varier la tension grille-cathode par le biais du potentiomètre.
Puis nous changerons la valeur de la résistance de plaque et nous procéderons de nouveau à des variations des tension Vg. Nous relèverons à chaque fois la valeur du courant anodique sachant que la tension plaque est constante.
Voici le résultat.

tubea3.gif (2765 octets)

Nous pouvons constater l'influence de la résistance de charge sur le courant anodique. Remarquez plus particulièrement que plus la résistance de plaque est faible, plus le tube est "sensible" à la commande de  grille, càd que la variation de courant anodique est plus importante pour une variation Vg donnée avec une résistance de faible valeur qu'avec une résistance d'anode élevée.

Montage de test :

Nous allons réaliser le montage suivant de manière à faire des relevés de tension/courant.
Nous avons introduit une résistance dans le circuit plaque du tube, cette résistance constitue la charge du tube.
Côté entrée, nous avons inséré en série avec la tension de polarisation du tube un générateur de signal sinusoïdal qui est le signal à amplifier. Nous travaillerons à tension plaque et grille constantes. Le chauffage du tube n'est pas représenté sur ce schéma.

tubea1.gif (2467 octets)

Nous allons fixer la tension de grille Vg à -5V par rapport à la cathode,  la résistance de charge R est une résistance de 50 kW, la tension plaque est de 300V. Voyons ce que cela donne sur les courbes que nous avons relevées avec ce montage.



tubea4.gif (3451 octets)

Voyons comment le tube amplifie :

Avec les valeurs du montage, si nous nous reportons à notre graphique, nous constatons qu'au repos, càd alimenté mais sans signal d'entrée le tube débite 2mA. Ce courant parcourt naturellement la résistance de plaque ce qui provoque une chute de tension de :
U = R . Ia   =  50 000 x 0.002 = 100V.
La tension au point commun de l'anode et de la résistance vaut donc :
U = Ualimentation - R.Ia =  300 - 100 = 200V.
C'est la tension que nous mesurons avec un voltmètre connecté entre l'anode et la masse.
Si nous n'appliquons pas de signal à l'entrée, les choses resteront en l'état.
Au passage nous pouvons calculer la puissance  consommée par la résistance est qui est :
P = R . I2 
P = 50.000  x 0,0022 = 0,2W.

  • Appliquons un signal alternatif que nous connectons en série à l'alimentation grille déjà existante. Ce signal a une excursion de 4V, ce qui revient à dire que la tension grille évolue entre -7V et -3V. ( la tension au repos est de -5V).
  • Recherchons les valeurs du courant plaque Ia pour les deux tensions extrêmes-7V et -3V. Pour ce faire nous lisons sur le graphe les valeurs de Ia pour ces tensions de grille ce qui nous donne  :
    2,65 mA pour -3V
    1,35 mA pour -7V
    Bon jusque là tout doit aller bien pour vous.
  • Calculons maintenant les chutes de tension dans la résistance de plaque pour ces valeurs.
    pour Ia = 2,65 mA ce qui correspond  à Vg = -3V nous avons :
    U= R.Ia = 50.000 x 0.00265 = 132,5V
    La tension entre masse et anode s'établira à :
    300 - 132,5 = 167,5V

    pour Ia = 1.35 mA ce qui correspond  à Vg = -7V nous avons :
    U= R.Ia = 50.000 x 0.00135 = 67,5V
    La tension entre masse et anode s'établira à :
    300 - 67,5 = 232,5V

Analysons tout cela :

Donc au repos sans signal avec seulement la polarisation, le courant de repos s'établit à 2mA pour une tension Vg de -5V. La chute de tension provoquée par ce passage de Ia est de 100V ce qui amène le potentiel d'anode par rapport à la masse = 200V.

Appliquons le signal à amplifier, quand ce signal atteint son amplitude maximum qui est de +2V, la tension grille passe de -5V au repos à -5 + 2 = -3V ce qui fait passer le courant anodique à 2,65mA, la chute de tension dans R à 132,5 V et la tension anode à 167,V

Maintenant quand le signal à amplifier atteint son amplitude maximale dans l'autre sens le potentiel de grille qui était de -5V passe à -5 +(-2) = -7V ce qui fait circuler un courant anodique de 1,35 mA, la chute de tension dans R vaut 67,5V et la tension anode passe à 23,5V.

Nous constatons qu'une faible variation du signal à amplifier à l'entrée (4V d'amplitude crête à crête) a provoqué une variation de tension sur l'anode de 65V (232,5 - 167,5V). Nous avons donc bien amplifié notre signal. CQFD

Autre constat :

Quand le signal à amplifier croît positivement, la tension grille évolue vers -3V ce qui fait croître le courant Ia, ce qui augmente la chute de tension dans la résistance d'anode, ce qui diminue la tension au point commun de l'anode et de la résistance.
Toute augmentation du signal en entrée provoque une diminution de la tension de sortie, le signal est déphasé de 180°

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tubea7.gif (8805 octets)


Voici ce qui se passe quand l'amplificateur est bien réglé et excité normalement avec un signal d'attaque correct. L'ampli est dit "linéaire" car le signal de sortie a rigoureusement la même forme que le signal d'entrée.

En revanche remarquez l'allure du signal de sortie. Celui-ci est écrêté. Le signal d'attaque est trop important, amenant le tube à la fois vers la saturation et le blocage. Qui plus est, quand la grille devient positive, il y a apparition de courant grille ce qui peut s'avérer dommageable pour le tube.


Facteur d'amplification et transconductance :

  • Nous avons remarqué qu'une faible variation de la tension grille engendrait une forte variation de tension plaque, c'est la définition de l'amplification. On peut quantifier ceci de manière à déterminer un facteur d'amplification qui nous permettra d'établir des comparaisons entre tubes.
On désigne par la lettre grecque µ ( mu) le facteur d'amplification d'un tube. Celui-ci est égal au ratio des variations de tension anode sur variations de tension grille.

         D Ua
µ
= __________
     
    D Vg

  • Vous pourriez penser que le facteur d'amplification est un bon critère pour caractériser un tube or ce n'est pas tout à fait le cas puisque la résistance de charge influe considérablement sur le facteur d'amplification du montage. Plus la résistance est élevée et plus le montage a de gain, réduisez la valeur de R, le gain chute.
    Donc le facteur d'amplification caractérise plutôt le montage que le tube utilisé et c'est partant de ce constat qu'est né le concept de transconductance (que vous aviez déjà vu avec les transistors à effet de champ).
On désigne par transconductance gm le ratio des variations de courant anodique sur les variations de tension grille. La transconductance s'exprime en mho (peut être en Siemens aujourd'hui, je ne sais pas pour les tubes)

          D Ia
gm
= __________
     
    D Vg




Polarisation :

Nous avons, pour le moment raisonné un peu abstraitement avec des polarisations effectuées par des batteries. Il existe un système de polarisation que vous retrouverez souvent dans les amplificateurs de puissance à triodes qui offre l'avantage d'une grande facilité de mise en œuvre et d'une grande fiabilité, la polarisation de cathode.

tubea5.gif (2032 octets)

Voilà le principe. Jusqu'à présent nous avons connecté une batterie sur la grille pour lui procurer sa tension de polarisation et nous avons relié la cathode à la masse car nous savons que la tension Vgk est négative.
En d'autres termes le potentiel de cathode est plus élevé que le potentiel de grille.
Nous pouvons réaliser cela très simplement en mettant la grille à la masse et en insérant une résistance dans ca cathode du tube. Si Si ça marche : Pourquoi ?
Supposons qu'un courant circule dans le tube signe d'un circuit fermé. Une chute de tension va se produire aux bornes de notre résistance de cathode. Le potentiel de cathode sera à un potentiel supérieur à celui de la masse OK ?
Si notre potentiel de cathode est supérieur à celui de la masse, la cathode est forcément positive par rapport à la grille. On retrouve bien une tension de grille négative par rapport à la cathode.

Et le condensateur, à quoi sert-il ?


Il est indispensable car s'il n'était pas là, les variations de courant provoqueraient des variations de tension et il en résulterait une polarisation variable. Le condensateur de découplage annihile toutes les variations de tension en dérivant à la masse la composante alternative.



Les classes d'amplification:

On retrouve naturellement pour les tubes les mêmes principes que nous avions déjà évoqué pour les transistor d'autant plus qu'historiquement c'est quand même le tube qui est apparu le premier...
Bien, nous allons arrêter ici l'étude des tubes à vide. Il reste beaucoup à dire mais je vous laisse le soin de découvrir par vous même le reste. Dans les prochains chapitres nous allons nous attaquer au fondement même de l'émission d'amateur, les émetteurs-récepteurs.