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25 Préamplificateur SRPP & Contrôle de Tonalité - 5 Entrées Imprimer
Mardi, 12 Juin 2007 13:30
Préamplificateur SRPP & contrôle de Tonalité - 5 Entrées

Projet publié dans la revue Electronique Pratique n° 317 de juin 2007 sous le titre: "Préamplificateur avec correcteur de tonalité actif"

Cette réalisation répond au souhait de nombreux lecteurs qui désirent équiper leur installation audio d’un préamplificateur avec correcteur de tonalité. Souvent par décrié par les puristes, le correcteur de tonalité permet néanmoins de compenser des enceintes aux caractéristiques limites ou une pièce plus exiguë rendant les fréquences graves dans de mauvaises conditions.  Au regard des spécifications, le lecteur constatera que cette réalisation présente toutes les caractéristiques d’un préamplificateur haut de gamme.
La distorsion harmonique est de l’ordre de 0,03 % et la bande passante s’étend de 10 Hz à 30 kHz à –1 dB.

Remarque: la carte préamplificatrice a été remaniée plusieurs fois. Les plans, dessins et photos de la carte publiés ici sont la dernière version.

NovoTone - Préamplificateur SRPP - 5 entrées - Contrôle de Tonalité


LE PREAMPLIFICATEUR

Le préamplificateur est composé d’un étage amplificateur de type SRPP qui présente un gain de 20 dB suivi d’un correcteur de tonalité actif de gain unitaire à l’équilibre.

Le SRPP

Le SRPP a été breveté (
US Patent 2.310.342) en février 1943 sous le titre ’’Series-Balanced Amplifier’’.  Peu ou pas utilisé pendant de longues années, il a été redécouvert dans les années 1990 pour ses caractéristiques exceptionnelles dans le domaine audio et se nomme aujourd’hui ‘’Series (ou Shunt) Regulated Push Pull’’. Nous avons choisi la ECC88 pour équiper notre SRPP. Déjà réputée pour son faible bruit, la ECC88 peut supporter un courant plus important (25 mA) que ses consœurs ECC81 et ECC82, de plus elle a été développée pour fonctionner avec une tension d’anode plus faible, de l’ordre de 90 Vdc (135 Vdc max), elle possède une pente assez raide de 12,5 mA/V et une résistance interne de 2,4 kΩ.
Toutes ces caractéristiques nous en font le tube idéal pour un montage SRPP.

Comment fonctionne le SRPP ? – Une approche intuitive …

Schéma du SRPP
Au repos, le courant s’établit à 3,2 mA dans chaque tube et le point de fonctionnement du montage se stabilise à l’exacte moitié de la tension d’alimentation, à +125 Vdc sur l’anode (1) du tube de pied. Supposons l’application d’un échelon de tension positive sur la grille (2) du tube du bas : la tension de cathode (3) va augmenter ainsi que le courant en ‘’tirant’’ la tension d’anode (1) vers le bas. En conséquence la tension aux bornes de la résistance de cathode (8) du haut  va augmenter de la même valeur et provoquer un ‘’recul de grille’’ au tube du haut. Cette augmentation de la polarisation négative de la grille (7) peut être assimilée à l’injection du même échelon de tension mais négatif sur la grille (7) du haut. Nous avons donc bien inversion de phase entre les deux grilles, d’ou le terme ‘Push-Pull’ , et ‘’Série’’ puisque les deux tubes sont raccordés en série.
L’’ensemble est ‘’Régulated’’ ou ‘’Balanced’’ parce que pour un même courant donné dans chaque tube, la tension Vak est identique, ce qui réalise l’équilibre du point de fonctionnement à la moitié de la tension d’alimentation, pour autant que les résistances de cathodes soient identiques.

Le gain se calcule selon la formule : G=   -µ(Ri+µ*Rak)--------------------------
-------------------------------------------------------------2*Ri+(µ+1)*Rak+(Ri+Rak)Ri/Rl

L’impédance de sortie : Z=  Ri(Ri+Rak)-----
----------------------------------------2*Ri+(µ+1)Rak

Dans notre montage, avec Rak=1 kΩ et Rl (charge)= 47 kΩ, le gain est de 30 et l’impédance de sortie de 245 Ω.
Si le calcul suivant la formule donne 245
Ω, la valeur mesurée fait 1,8 kΩ. La différence vient du fait que le calcul reprend les valeurs reprises par la fiche de données.
Or la Ri de 2,7 k
Ω et le µ de 33 sont donnés pour un courant I = 15 ma alors que dans notre application le courant fait 3 mA environ.

Cette faible impédance de sortie (< 2 kΩ) se révèlera très intéressante pour piloter le circuit de tonalité.  Avec ses 90 Vdc de tension anodique recommandée, l’alimentation en +250 Vdc convient parfaitement.
La contre-réaction générée par le circuit R5, R6, R7 et R1 ramène le gain à 20 dB (10X) et diminue encore l’impédance de sortie.
La distorsion harmonique totale pour un signal de 1Vac en sortie est non mesurable et le ‘’swing’’ atteint 30 Vac (100Vpp) pour 1% de DHT.

Le Correcteur de Tonalité

Nous avons opté pour un correcteur de tonalité actif et à deux réglages indépendants. L’initiateur de ce type de montage est Peter J. Baxandall qui le publia dans la revue ‘’
Wireless World’’ de novembre 1952 sous le titre ‘’Negative Feedback Tone’’. Il existe plusieurs versions du même principe.

Une approche intuitive…

Circuit correcteur ‘’Baxandall’’
On peut considérer le circuit  comme pouvant être intégrateur ou différentiateur selon la position des curseurs des potentiomètres. A l’équilibre, avec les deux potentiomètres linéaires à mi-course, les avances et retards de phase s’annulent et le facteur d’amplification est unitaire sur toute la bande audio. En positionnant le potentiomètre P2 de ‘’Graves’’ au maximum (ClockWise), C2 est court-circuitée et la contre réaction s’opère via R9 et C3. Nous avons bien un circuit intégrateur qui amplifie les fréquences basses. A l’inverse, avec le potentiomètre P2 au minimum, C’est C3 qui est court-circuité et le signal est injecté via R8 et C2 avec R9 en contre-réaction. Le circuit est différentiateur et coupe les fréquences graves.
Le principe inverse s’applique pour la branche des aigus mais avec des constantes de temps différentes. Afin d’éviter les interactions d’un réglage sur l’autre, il importe de piloter le montage sous une impédance assez faible.  Dans la plupart des cas, le correcteur est précédé d’une configuration en cathode suiveuse. Avec notre SRPP, il n’y a rien à craindre.

LE SCHEMA

Préamplificateur

Le schéma en
figure 3 combine le préampli SRPP et le correcteur de tonalité. Le choix du tube du correcteur s’est imposé de lui-même. En effet, il importait d’obtenir un gain inverseur maximum suivi d’une sortie à faible impédance. La ECC832 qui combine une ½ ECC83 et une ½ ECC82 nous permet d’obtenir un gain en tension de 70 en boucle ouverte et d’une impédance de sortie de l’ordre de 2 kΩ, ramenée à 30 Ω du fait de la contre-réaction totale.
La tension de polarisation de grille de V2 est fixée à un potentiel de +27 Vdc ce qui porte la cathode à +29 Vdc et fixe la résistance de cathode à 47 kΩ pour un courant de 500 µA. Cette configuration assure un point de fonctionnement bien stable. Le couplage à la triode de sortie est direct. Le condensateur C8 de 15 pF limite la bande passante à 60 kHz à –3 dB.
A noter que la configuration SRPP et l’étage de sortie totalement contre-réactionné sont peu sensibles aux bruits de l’alimentation.  

Interface

Nous avons voulu présenter le projet sous forme d’un produit fini mais modulaire.
L’interface (
figure 4) est optionnelle. Elle comprend 5 entrées de sensibilités paramétrables et la sortie. Les résistances R1 à R5 sont choisies en fonction de la sensibilité d’entrée souhaitée. L’impédance d’entrée du préampli étant de 47 kΩ, une résistance R1 de 47 kΩ réduira la sensibilité par deux et le gain sera de 14 dB au lieu des 20 dB de départ.
La résistance R6 fixe l’impédance de sortie à 1 kΩ environ.

Alimentation

Schéma
de l’alimentation
Nous avons opté pour une approche différente. Le courrier des lecteurs et les commentaires sur les forums décriaient nos habituelles alimentations stabilisées qui compliquent la réalisation ainsi que le prix souvent élevé des transformateurs spécifiques.
La HT de +250 Vdc  et le faible courant nous permettent d’utiliser un montage de 2 transfos en tête-bêche. Un premier transfo fournit 2x6 Vac pour le chauffage des filaments et un deuxième transfo reprend cette tension pour l’élever à 200 Vac et obtenir les 250 Vdc.
Comme il n’y a pas de régulation des tensions, et que nous alimentons un préamplificateur même relativement insensible aux bruits, le filtrage doit être sans compromis.  Deux condensateurs de 470 µF et une self de 20 H nous rendent une HT affectée d’une ondulation résiduelle inférieure à 100 µVac. La self choisie est disponible chez
Hammond et porte la référence 154E. Les filaments sont alimentés en AC mais leur potentiel est porté à +80 Vdc afin d’éliminer toute influence thermoïonique entre cathode et filament.
Ces précautions nous garantissent un rapport Signal / Bruit supérieur à 70 dB pour 1 Veff en sortie.

MISE EN OEUVRE

La mécanique

Il est plus facile de réaliser en premier lieu la partie mécanique en se servant des cartes non montées. Les
photo 2, photo 3 et la figure 6 sont assez didactiques et vous serviront de guide pour la réalisation. 
Le
boîtier est disponible chez Radiospares sous le N° de stock : 222-058. Les faces font 88 x 300 mm, la profondeur 280 mm.
En cas de difficultés d'approvisionnement pour les privés, n'hésitez pas à nous contacter.
Les pieds fournis ne permettent pas une ventilation suffisante pour des appareils à tubes. Il est recommandé de surélever l’appareil de 10 mm. Les cartes préampli et alimentation sont fixées par des entretoises de 5 mm sur deux profilés aluminium ‘’U’’ de 10 x 10 x 1 mm.  Ces profilés sont fixés sous les cornières du boîtier par des entretoises de 10 mm (
figure 7).
La carte interface est fixée au panneau arrière (
figure 8 et photo 4) et les deux transformateurs sont superposés et fixés sur le capot inférieur.
Les potentiomètres sont espacés de 58 mm. Nous commencerons par positionner la carte d’interface sur le panneau arrière, ceci fixe le premier perçage pour le passage de l’axe du combinateur.
On procèdera au marquage du panneau avant (
figure 9 et photo 5)en positionnant la carte préampli de manière à espacer le potentiomètre P3 (Aigus) à 58 mm de l’axe du combinateur. Nous avons utilisé des fourreaux de passage et des manchons coupleurs pour maintenir les axes (photo 2 et photo 6).

Les masses

On notera que le raccordement de masse de l’ensemble est pris sur la carte interface (photo 8). Les deux cotés du châssis sont reliés électriquement par vis auto-taraudeuse (
photo 10). De plus il faut gratter la peinture des deux capots aux trous de fixation situés près de l’entrée à l’aide d’un foret et remplacer deux vis fournies par deux vis à tête conique.  On s’assurera que sans ce raccordement à la masse, l’ensemble des circuits est bien ‘’flottant’’. Si ce n’est le cas, il faudra chercher et lever la fuite coupable.


LES CIRCUITS IMPRIMES

Les  circuits imprimés supportent tous les éléments à l’exception des deux transformateurs. Les interconnexions se font par picots et cosses, de sorte que les cartes sont libres de tout fil.

La Carte Préamplificateur

NovoTone - Préamplificateur SRPP - 5 entrées - Contrôle de Tonalité
Typon à l’échelle 1

Le montage de la carte (
photo 7 et figure 10) ne présente pas de difficultés. Les 20 picots de 1,3 mm sont sertis en premier lieu : 10 côté composants et 10 côté cuivre (filaments), ensuite on soudera les 4 supports noval. Le reste sera assemblé par ordre croissant de grandeur en terminant par les 3 potentiomètres.
Les résistances R4 et R18 sont soudées du côté cuivre. Les résistances R17 et R19 sont montées à 10 mm de la surface de la carte. Les condensateurs C10 sont limités à 8 mm en hauteur.  Les straps qui véhiculent le +250 Vdc sont gainés en rouge.

La Carte Interface

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Typon à l’échelle 1

La première opération consistera à insérer les huit picots de 1,3 mm, suivie de l’insertion des pontages et des résistances, en terminant par le combinateur (
photo 8 et figure 11).  


La Carte Alimentation

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Typon à l’échelle 1

La carte alimentation (
photo 9 et figure 12) sert de relais pour l’interconnexion des deux transformateurs.
Les fils de ces derniers seront tous équipés de cosses 1,3 mm à l’exception des deux fils du primaire du premier transfo qui seront soudés sur une des broches du socle secteur et du support de fusible F1.  La self choke est directement vissée sur la carte. De dimensions restreintes : 52 x 32 mm elle ne pèse que 100 gr et peut être supportée par le seul CI.


MISE SOUS TENSION

La première mise sous tension se fait de préférence à l’aide d’un auto-transformateur.
Vérifier la montée progressive des tensions jusqu’à obtenir les 12,6 / 6,3 Vac de chauffage et les 250 Vdc de HT.
Vérifier la tension de polarisation de 27 Vdc sur R13 et les tensions d’anode des quatre  triodes en  V1-broche 1 et V2-broche 6.
La haute tension suit directement les aléas de la tension secteur. Elle peut varier entre +230 et +260 Vdc sans affecter le fonctionnement du préampli.

QUELQUES MESURES

Les mesures classiques sur notre prototype vous ont présentées aux figures 13 à 17.
La réponse aux signaux carrés (
figure 13) est mesurée avec les deux correcteurs de tonalité à mi-course. Le dépassement est nul et le temps de montée est de 6 µSec. La fréquence de coupure se situe vers 60 kHz à – 3 dB.
Le taux de distorsion (
figure 14) pour 1 Veff en sortie mesuré au distorsiomètre est de 0,03%. La représentation spectrale montre la seule présence de H2 située 70 dB sous la fondamentale, de quoi ravir nos lecteurs audiophiles… 
La distorsion d’intermodulation est de –76 dB ou 0,02%.  A noter la présence des battements à 50 Hz de part et d’autre de la porteuse, ils sont générés par le set-up de mesure.  L’écrêtage en sortie se produit pour des tensions supérieures à 30 Veff (100 Vpp), la DHT à 30 Veff est encore de 2 %.
En l’absence d’alimentations stabilisées pour les filaments et la HT, nous nous attendions à des résultas médiocres concernant le bruit. Au millivoltmètre AC, le bruit total en sortie est de l’ordre de 100 µV, ce qui nous donne un rapport de 80 dB pour 1 Veff en sortie.
La représentation spectrale (
figure 15) analyse le signal entre 0 et 100 Hz. Les battements à 50 et 100 Hz sont à – 86 dBV. Le niveau de référence est placé à –40 dBV: à gauche du graphe on distingue bien l’effet de l’alimentation non-stabilisée. Le bruit décroissant de 0 à 10 Hz est celui des instabilités de la tension secteur. Pour confirmation, nous avons alimenté l’ampli avec une alimentation stabilisée et ce bruit disparaît complètement.
La courbe de réponse présentée en
figure 16 montre l’effet des corrections de tonalité sur une échelle de 40 dB. La mesure en position neutre présentée en figure 17 est légèrement affectée par l’influence résiduelle du Baxandall. La réponse entre 20 Hz et  30 kHz reste inférieure à 1 dB. La réponse mesurée à la sortie du SRPP est de l’ordre de 0,1 dB. 
En
figure 18 vous trouverez les caractéristiques techniques relevées sur notre prototype.

Nomenclature:
Liste des composants


CONCLUSION

Au test d’écoute, les deux réglages de tonalité à mi-course, le préamplificateur se révèle absolument transparent, sans ajouter aucune coloration tout en apportant un gain programmable de 20 dB.  La correction permet de relever les parties extrêmes du spectre audio afin de compenser un manque de graves du à environnement trop exigu ou un manque d’aigus probablement du à une … réduction de nos facultés auditives.


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Récapitulatif des photos (Haute définition)

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