Un préamplificateur à lampes stéréo Hi-Fi

Ce préampli pourra servir à attaquer notre amplificateur de puissance à lampes EV8010 (ou un autre). Les lampes donnent un son d’une chaleur incomparable avec celui des transistors bipolaires ou MOS. De conception originale et esthétique (voyez par vous-même), ce préamplificateur stéréo Hi-Fi est à quatre entrées sélectionnables par poussoirs et relais et deux sorties, moniteur et ampli.


Caractéristiques techniques

Sensibilité des entrées        : 200 mVrms
Impédance des entrées : 50 kilohms
Impédance de sortie : 10 kilohms
Impédance de sortie moniteur : 1 kilohm
Distorsion harmonique : 0,04 % (@ 1 kHz)
Séparation entre les canaux : 85 dB
Rapport signal / bruit : 100 dB
Réponse en fréquence : 7 à 150 000 Hz (–3 dB)
Gain en tension : 2
Gain en tension (+6 dB inséré) : 4
Tension d’alimentation : 230 VAC.

Ce n’est en effet plus seulement un phénomène de mode : les préamplis/amplificateurs à tubes (électroniques ou thermo-ioniques, en anglais “valves”, bref à lampes) rendent un son plus souple, plus chaud et ouaté que les transistors. Et, par bonheur, aujourd’hui on n’a plus besoin comme autrefois de découper des trous ronds dans de la tôle pliée pour fixer les supports des lampes : de grands circuits imprimés en verre-époxy font parfaitement office de châssis (voir figure 4).
Pour nous électroniciens innovateurs, un préamplificateur est l’appareil audio Hi-Fi qui se situe avant l’amplificateur de puissance pour (pré)amplifier le niveau des signaux venant du tuner FM, du lecteur de CD ou de cassettes audio et aussi pour effectuer quelques corrections de tonalité par filtres réglables (contrôle des aigus, des médiums et des basses) et fixes (“loudness”, exhausteur des basses). Nous faisons généralement en sorte que ce circuit soit si possible réalisé avec un circuit intégré à tout faire (dans ce domaine, bien sûr) et représentant le dernier cri de la technologie.
Mais ici nous avons préféré confier cette préamplification à une paire de lampes (une par canal D et G) donnant le fameux son feutré d’avant guerre !
Le préampli décrit dans cet article n’en est pas moins un véritable chaînon Hi-Fi (voir caractéristiques techniques) permettant d’attaquer n’importe quel ampli (à lampes, comme notre EV8010, ou non…mais ce serait peut-être dommage) suivi de sa paire d’enceintes (en effet, nous sommes en stéréo). Il est même bien plus remarquable que beaucoup de préamplis à transistors ou circuits intégrés dont la structure n’est pas en mesure de donner le son que seuls les tubes électroniques peuvent procurer. Cet appareil, nous l’avons voulu “essentialiste”, soit capable de satisfaire les audiophiles les plus exigeants, ceux en tout cas pour qui une chaîne d’amplification doit amplifier la composante stéréo sans lui infliger la moindre altération. Alors ici pas de “loudness” ni “bass-boost” ni autre baxandall : rassurez-vous, le signal est acheminé directement du sélecteur d’entrées aux étages préamplificateurs.

Le schéma électrique
Figure 1 vous trouvez le schéma électrique général et figure 2 celui de la platine secondaire comprenant les entrées du canal gauche (identique au canal droit, remarquez-le) : le schéma principal comprend aussi l’alimentation et la logique de commandes par relais sélectionnant les entrées (lesquelles sont d’ailleurs montées sur la grande platine principale (voir figure 5). Pourquoi deux platines ? Eh bien cela permet de superposer la petite à la grande et de gagner de la place en profondeur tout en disposant les RCA “cinch” des entrées des deux canaux sur deux lignes superposées (ce qui est esthétique et rationnel).
Nous pourrons relier au préampli jusqu’à quatre sources audio stéréo ayant des niveaux de sortie moyens ou bien capables de fournir entre 150 et 600 mVeff. Par contre pas d’entrée à préamplification RIAA pour têtes de lecture MC ou MM des disques vinyles : le cas échéant il faudra monter un module RIAA ou l’acheter tout prêt (on en trouve à tous les prix fonction des prestations offertes, voir nos annonceurs).
Le choix de la source audio à préamplifier se fait par sélecteur à relais, équivalant à un commutateur à quatre positions, à deux voies : les huit relais “reeds” sont activés deux à la fois, afin que les deux canaux D et G soient sélectionnés ensemble, à l’aide des poussoirs associés à des LED d’état (sélectionné = allumée ou non = éteinte).
L’excitation des relais est effectuée par le microcontrôleur Microchip lequel, du moins pour la sélection des signaux, joue le rôle de “latch” (bascule) à quatre entrées déclenchées par la pression des poussoirs : chaque fois que l’on agit sur l’un d’eux (SW1, SW2, SW3, SW4), le PIC commande la paire de relais correspondante ; l’activation a lieu en mode bistable en ce que les relais connectent les entrées aux sections de pré-amplification jusqu’à ce qu’un autre poussoir soit pressé.
Ces poussoirs permettent de gérer trois fonctions : celle que nous venons de décrire s’obtient en les pressant et en les relâchant ; si on presse une seconde fois le poussoir de l’entrée sélectionnée (celle que l’on est en train d’écouter), on habilite la sortie moniteur, c’est-à-dire qu’on envoie la source que l’on écoute à l’entrée de l’éventuel enregistreur branché.
Pour ce faire le micro met au niveau logique bas sa ligne RB3 (ce qui allume LD7), ce qui sature T5 et fait coller les RY5 des sections d’entrée dont les contacts relient les connecteurs MONITOR aux lignes du sélecteur. Si on presse et maintient le poussoir du canal écouté jusqu’à l’allumage de LD5 (+6 dB), on active l’exaltation de 6 dB (correspondant à un gain de tension de deux fois par rapport à la situation normale) prévue pour compenser les différences de niveaux entre les signaux des diverses entrées (cela dispense de devoir retoucher le volume quand on passe d’une source à une autre). L’exaltation est obtenue par le micro en commandant, à travers la ligne RA2, les relais RY7 et RY8 dont les contacts court-circuitent R26 et R17, ce qui réduit la valeur de la résistance cathodique et augmente ainsi le gain des étages à lampes.
En dehors des entrées, le microcontrôleur gère un cinquième poussoir permettant d’étouffer l’amplification : cette fonction est fort utile quand on doit, par exemple, répondre au téléphone (fonction généralement nommée MUTE). Ce “mute” est obtenu grâce aux RY6 des deux canaux qui, quand on presse SW5, sont activés par T6 (saturés par le niveau logique haut auquel le PIC met sa broche RB4) ; la fermeture des contacts met à la masse les sorties du préamplificateur (LINE OUT L et LINE OUT R).
Cette méthode a été choisie pour éviter d’endommager les lampes : en effet, on trouve en série avec chaque ligne, avant le relais correspondant, une résistance. Chaque activation comporte une signalisation par LD6.
Le “mute” est automatiquement activé par le PIC chaque fois que l’on passe d’une entrée à l’autre : il étouffe l’ampli pour environ trois secondes. SW5 a une double fonction : pressé et relâché, il opère un “muting” du circuit ; maintenu il met tout le préampli en “stand-by” (attente), par interruption du courant anodique.
Pour supprimer le “stand-by”, il suffit de presser un des poussoirs de sélection des entrées : la LED de veille LD6 s’allume et celle de “stand-by” reste éteinte. Notez que l’allumage au moyen des poussoirs de sélection des entrées configure le microcontrôleur pour un intervalle d’auto-extinction (cela permet de mettre automatiquement en “stand-by” le préampli au lieu de le laisser allumé pendant plus de 24 heures).
Outre la lecture des poussoirs, le PIC gère l’application du courant anodique aux lampes après un délai de 30 secondes par rapport au moment ou le circuit tout entier est mis sous tension : cela parce que les tubes électroniques ne peuvent amplifier correctement les signaux avant que leurs cathodes aient atteint leur température de régime (il faut donc d’abord alimenter les filaments et attendre l’écoulement du délai prévu pour que la cathode soit à la bonne température, sinon le son sera distordu).
Jetons à nouveau un coup d’oeil sur le schéma électrique et notons que l’alimentation est à trois sections : celle fournissant le 5 V pour le fonctionnement de la logique et des relais et celle de chauffage fournissant 12,5 Vcc aux filaments sont mises sous tension tout de suite alors que la troisième (haute tension anodique) passe par les contacts de RY9 dont l’enroulement n’est alimenté qu’après que le délai évoqué ci-dessus ne se soit écoulé et que donc les filaments n’aient suffisamment chauffé les cathodes.
La section alimentant la logique est constituée d’un pont de diodes suivi de condensateurs de lissage C25 et de filtrage C15 et d’un régulateur 7805 ; celle de chauffage est analogue sauf que le régulateur est un 7812 doté, en série avec sa patte centrale M, d’une diode au silicium (la tension stabilisée de sortie passe de ce fait à 12,6 V).
Mais pourquoi alimenter les filaments en continu ? Eh bien, c’est en vue de ne pas faire voisiner du courant alternatif à 50 Hz avec les pistes acheminant le précieux signal BF et d’éviter les pénibles ronflements caractéristiques du secteur (certes les cathodes sont blindées, afin d’éviter ce phénomène, mais excès de bien ne nuit pas et le rapport signal / bruit d’un amplificateur n’est jamais assez grand).
Passons aux étages amplificateurs, justement. À chaque canal D et G sa double triode ECC82 : on a choisi d’élaborer les signaux de chacun des deux canaux avec une lampe pour obtenir la meilleure diaphonie possible. Les deux amplificateurs sont rigoureusement identiques : les explications que nous donnons pour le canal gauche (L) sont donc valables pour le droit (R).
C’est la double triode V1, montée en cathode commune, qui reçoit sur sa grille (broche 2) la composante gauche de la source sélectionnée ; cette composante module le flux de courant anodique et détermine sur la plaque (broche 1) une composante audiofréquence d’amplitude plus importante et en opposition de phase. La BF ainsi obtenue est appliquée, à travers C18, à la grille de la seconde triode ; cette dernière est montée en plaque commune (en suiveuse, c’est-à-dire “buffer”) avec réseau d’amorce (“bootstrap”).
Elle amplifie le signal seulement en courant, en laissant les phases comme elles sont à l’entrée. La tension acheminée sur la grille (broche 7) module le flux anodique et détermine sur la cathode, en aval de C21, un signal de même amplitude qu’à la sortie de la première triode. Le volume est réglé par une section à double potentiomètre RV1 (RV1A) en amont des lampes, de façon à en éviter la saturation et à leur donner toujours un niveau audio maintenant une reproduction fidèle du signal source. La composante BF amplifiée atteint la sortie de ligne (LINE OUT L) à partir de laquelle elle pourra être amplifiée par l’amplificateur de puissance.
Notre préampli a également une sortie MONITOR destinée à un appareil enregistreur : elle est en parallèle avec la ligne du sélecteur des sources d’entrée et elle est normalement reliée à l’entrée de la platine cassettes ou de l’enregistreur CD, qui l’utilisent pour l’enregistrement. Elle est activée par les poussoirs, comme expliqué plus haut.

Figure 1 : Schéma électrique du préamplificateur (voir figure 2 les entrées canal gauche).

Une particularité de ce préamplificateur tient dans la différenciation des masses : le schéma distingue en effet quatre symboles de masses pour indiquer qu’afin d’éviter bruits et interférences, la masse du signal (soit celle des prises d’entrée et de sortie et de l’alimentation anodique des lampes) est séparée de la masse de puissance (alimentation, filaments des lampes, enroulements des relais, LED). La masse du signal est, à son tour, reliée au boîtier métallique et à la terre du cordon secteur 230 V avec une résistance assurant la connexion galvanique et un condensateur éliminant les parasites impulsionnels.

Figure 2 : Schéma électrique des entrées canal gauche.

Figure 3 : Les lampes.

Elles ont été les premiers composants actifs de l’histoire de l’électronique.
Réalisées à partir d’un tube de verre dans lequel on fait le vide, elles contiennent un certain nombre d’électrodes qui en déterminent le fonctionnement. Le type le plus simple est la diode, formée de deux électrodes nommées anode et cathode. Tous les tubes électroniques fonctionnent grâce à l’effet thermoïonique que des plaques métalliques (certains métaux plus que d’autres) manifestent fortement lorsqu’elles sont chauffées à quelques centaines de degrés. Le phénomène consiste en la production d’un flux d’électrons arrachés aux plaques sous l’effet de l’énergie calorifique reçue ; avec les matériaux utilisés pour les cathodes, ce flux est d’une telle intensité qu’avec un champ électrique relativement faible les électrons peuvent être facilement emportés et attirés vers une électrode polarisée positivement par rapport à la cathode (cette électrode est l’anode).
L’application de la tension entre l’anode et la cathode détermine dans le tube un flux de courant dit “anodique” ; c’est justement la caractéristique de bloquer ou de laisser passer le courant qui explique le nom anglais des tubes thermoïoniques : “valves”. La triode a une troisième électrode (alors que la diode n’en a que deux) : cette troisième électrode est la grille et elle se situe entre l’anode et la cathode. Une fois le flux de courant anodique établi, on peut moduler l’intensité de cette dernière en polarisant plus ou moins négativement la grille par rapport à la cathode ; exactement, plus la polarisation de la grille devient négative, plus faible est le courant car le potentiel négatif tend à repousser les électrons et à empêcher qu’ils n’atteignent l’anode.
La raison pour laquelle, après des décennies d’hégémonie des transistors et des circuits intégrés, les passionnés de Hi-Fi (les audiophiles) se tournent à nouveau vers les lampes, tient au son chaud et ouaté qu’elles seules permettent d’obtenir dans les enceintes : cela s’explique par l’absence, dans les caractéristiques de sortie, d’un point de saturation net (typique des BJT et, quoiqu’un peu moins, des FET). La triode, en outre, est la plus linéaire, car sa caractéristique tension / courant anodique est pratiquement une ligne droite.

Figure 4a : Schéma d’implantation des composants de la platine principale du préamplificateur à lampes.

Figure 4b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la platine principale du préamplificateur à lampes.

Liste des composants
R1 ..... 10 k
R2 ..... 10 k
R3 ..... 10 k
R4 ..... 1 k
R5 ..... 10 k
R6 ..... 10 k
R7 ..... 1 k
R8 ..... 10 k
R9 ..... 680
R10 .... 1 M
R11 .... 27 k 0,6 W
R12 .... 10 k
R13 .... 3,6 k 1%
R14 .... 100 k
R15 .... 5,6 k
R16 .... 680
R17 .... 3,6 k 1%
R18 .... 33 k 1%
R19 .... 10 k
R20 .... 1 M
R21 .... 27 k 0,6 W
R22 .... 10 k
R23 .... 3,6 k 1%
R24 .... 100 k
R25 .... 10 k
R26 .... 3,6 k 1%
R27 .... 33 k 1%
R28 .... 680
R29 .... 5,6 k
R30 .... 10 k
R31 .... 10 k
R32 .... 27 k 0,6 W
R33 .... 27 k 0,6 W
R34 .... 27 k 0,6 W
R35 .... 1
R36 .... 10 k
R37 .... 4,7 k
R38 .... 10 k
R39 .... 4,7 k
R40 .... 10 k
R41 .... 1 k
R42 .... 1 k
R43 .... 1 k
R44 .... 1 k
R45 .... 1 k
R46 .... 1 k
R47 .... 10 k
R48 .... 1 k
RV1 .... 50 k potentiomètre 90° pour ci
C1 ..... 220 pF 100 V polyester au pas de 5 mm
[…]
C7 ..... 220 pF 100 V polyester au pas de 5 mm
C8 ..... 100 nF multicouche
[…]
C15 .... 100 nF multicouche
C16 .... 2,2 μF 63 V polyester au pas de 15 mm
C17 .... 2,2 μF 63 V polyester au pas de 15 mm
C18 .... 68 nF 630 V polyester au pas de 15 mm
C19 .... 68 nF 630 V polyester au pas de 15 mm
C20 .... 22 nF 630 V polyester au pas de 15 mm
C21 .... 4,7 μF 160/250 V polyester au pas de 27 mm
C22 .... 4,7 μF 160/250 V polyester au pas de 27 mm
C23 .... 100 μF 16 V électrolytique
C24 .... 470 μF 16 V électrolytique
C25 .... 1000 μF 35 V électrolytique
C26 .... 1000 μF 35 V électrolytique
C27 .... 1000 μF 35 V électrolytique
C28 .... 47 μF 350 V électrolytique
C29 .... 47 μF 350 V électrolytique
C30 .... 47 μF 350 V électrolytique
C31 .... 47 μF 350 V électrolytique
C32 .... 47 μF 350 V électrolytique
C33 .... 47 μF 350 V électrolytique
C34 .... 47 μF 350 V électrolytique
D1 ..... 1N4148
[…]
D9 ..... 1N4148
D10 .... 1N4007
[…]
D20 .... 1N4007
LD1 .... LED 3 mm jaune
[…]
LD8 .... LED 3 mm jaune
RY1 .... relais “reed” 5 V normalement ouvert
[…]
RY8 .... relais “reed” 5 V normalement ouvert
RY9 .... relais double contact 12 V
T1 ..... BC557
[…]
T9 ..... BC557
T10 .... BC547
VR1 .... 7812
VR2 .... 7805
IC1..... PIC16C54-EV8020
V1...... 12AU7/ECC82
V2...... 12AU7/ECC82
SW1 .... interrupteur poussoir 90° pour ci
[…]
SW5 .... interrupteur poussoir 90° pour ci
TR1 .... transformateur 230 Vac / 18 + 18 Vac / 12 Vac 16 VA

Divers :
1 support de circuit intégré 2 x 9
2 supports de lampes noval pour ci
6 RCA “cinch” pour ci à 90°
1 barrette femelle 20 pôles
1 connecteur VDE mâle chassis pour panneau arrière
2 borniers 2 pôles 10 mm
1 bornier 3 pôles
1 boîtier métallique en aluminium spécifique

Sur le grand circuit imprimé de la platine principale prennent place les composants des deux canaux du préamplificateur, de l’alimentation et de la logique de contrôle ; au moyen du connecteur CN1 (femelle SIL au pas de 2,54 mm) le petit circuit imprimé de la platine des entrées canal gauche (voir figures 6 et 7) se superpose et se connecte à la platine principale. Avant de monter les composants, n’oubliez pas de réaliser les nombreux “straps” filaires.
Comme suppor ts des deux lampes, prenez des “noval” (neuf broches) en plastique ou, mieux, en céramique.

Figure 5 : Photo d’un des prototypes de la platine principale du préamplificateur à lampes.

Figure 6a : Schéma d’implantation des composants de la platine des entrées du canal gauche.

Figure 6b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la platine des entrées du canal gauche.

Figure 7 : Photo d’un des prototypes de la platine des entrées du canal gauche.

Liste des composants
R1 ..... 10 k
[…]
R6 ..... 10 k
R7 ..... 1 k
R8 ..... 1 k
C1 ..... 220 pF 100 V polyester au pas de 5 mm
[…]
C6 ..... 220 pF 100 V polyester au pas de 5 mm
D1 ..... 1N4148
[…]
D6 ..... 1N4148
T1 ..... BC557
[…]
T6 ..... BC557
RY1 .... relais “reed” 5 V normalement ouvert
[…]
RY6.... relais “reed” 5 V normalement ouvert

Divers :
6 RCA “cinch” pour ci à 90°
1 barrette femelle 20 pôles


La réalisation pratique
Construire un circuit à tubes n’est aujourd’hui pas très différent que préparer un montage à transistors et circuits intégrés, mais réclame encore plus d’attention : essentiellement parce que les lampes sont en verre, donc fragiles et que lorsqu’elles sont chaudes et sous tension on risque de se brûler et de prendre des secousses électriques désagréables et dangereuses (évitez donc de toucher les pistes et les composants).
Tout d’abord préparez le grand circuit imprimé de la platine principale (vous en trouverez le dessin à l’échelle 1 figure 4b) ou procurez-vous le. Faites de même avec le petit circuit imprimé des entrées canal gauche (vous en trouverez le dessin à l’échelle 1 figure 6b).
Ensuite, en suivant scrupuleusement les indications des figure 4a/5 et 6a/7 (et des listes de composants), montez tous les composants en commençant par les supports du PIC et des deux lampes (ce sont des supports “noval”, en céramique de préférence) et les barrettes à 20 pôles (femelle sur la platine de base et mâles sur la petite).
Les broches des supports de lampes sont soudées aux pastilles du circuit imprimé comme vous le feriez pour n’importe quelle autre broche. Vérifiez bien ces premières soudures (ni court-circuit entre pistes ou pastilles ni soudure froide collée). Insérez sans plus tarder et soudez les nombreux “straps” filaires sur la platine principale.
Faites bien attention à l’orientation des nombreux composants actifs (électrolytiques, diodes, transistors, LED, régulateurs).
Le transformateur d’alimentation prend place aussi sur le grand circuit imprimé, en haut à droite, où il est fixé par de petits boulons et ses broches se soudent directement en place sur ce circuit imprimé.
Terminez par les composants “encombrants” et périphériques : le potentiomètre de volume, les cinq poussoirs, les borniers, le relais électromagnétique et les RCA “cinch” (il y en a six sur chaque platine). Fixez les quatre entretoises sur la platine de base. Prenez la petite platine, composants vers le haut et dans le bon sens, enfoncez son connecteur à 20 broches dans le connecteur à 20 pôles femelle de la platine de base et vissez les quatre vis de maintien dans les quatre entretoises.
A la toute fin, insérez le PIC dans son support, repère-détrompeur en U vers R38 et enfoncez délicatement et bien à fond les lampes dans les leurs.
En ce qui concerne le transformateur, rien ne vous empêche de le monter à l’extérieur, dans un petit boîtier annexe ; ou même d’en prévoir plusieurs dans ce boîtier extérieur, pourvu qu’ils fournissent les tensions secondaires requises : 2 x 18 V 1,2 A ; 220 V 60 mA ; 12 V 150 mA.
Sinon, le panneau arrière du boîtier métallique en aluminium étant doté d’une embase chassis VDE à trois broches mâles, pensez, une fois les platines installées et fixées, à relier le bornier à trois pôles MAINS à cette embase chassis à l’aide de trois fils à visser côté bornier et souder côté embase ; n’oubliez pas non plus de visser dans l’autre bornier à quatre pôles MAINS SELECTION un “strap” reliant les deux pôles du milieu.
Du boîtier métallique en aluminium pré-percé sortent maintenant de la face avant les poussoirs et les LED et l’axe du potentiomètre que vous doterez de son bouton.
Du panneau arrière le connecteur chassis VDE avec fusible intégré et les deux lignes de RCA “cinch” ; sur le dessus les deux lampes protégées par un anneau coiffant des entretoises (voir photos de l’article).
Dernier point concernant les masses du montage (voir figure 1 et figure 4a) : celle du signal se différencie des autres, ceci afin d’éviter que le métal des fiches RCA et la masse de l’alimentation ne viennent en contact avec le boîtier métallique. Reliez donc à ce dernier la terre du cordon secteur 230 V (centre de l’embase chassis VDE) ainsi que le point du circuit intégré noté ( voir sur la figure 4a) MASSE BOÎTIER (entre CN1 et C16).

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