Comment fonctionne un ampli à lampes : explications simples

Pourquoi diantre des lampes interviennent-elles dans l’amplification du son ? C’est une excellente question à laquelle nous allons tâcher de répondre. Suivez les étapes pas à pas et tout devrait bien se passer.

Attention : cet article tente d’expliquer en terme simples les bases pratiques du fonctionnement de l’amplification à lampes. Il comporte des simplifications et des raccourcis dont il faudra tenir compte dans le cadre de tout travail d’approfondissement.

1- De quoi se compose une lampe d’amplification

Un tube à vide (une triode en l’occurrence, par souci de simplicité) ressemble à une ampoule à 5 pattes (d’où l’appellation de « lampe ») :
– 2 pattes pour le filament chauffant;
– une patte pour la cathode;
– une patte pour l’anode, appelée « plaque »;
– une patte pour la grille.

2- L’amplification à lampes pour les nuls

Voilà le processus qui conduit pas à pas à l’amplification du son produit par votre guitare :

1- La guitare produit un signal électrique grâce à ses micros magnétiques. Ce signal est une tension alternative constituée de plusieurs cycles positifs-négatifs très rapides. Cette alternance dépend de la fréquence de la note jouée. Par exemple un La à une fréquence de 440 Hz, la tension oscille donc 440 fois du plus au moins à chaque seconde.

2- La cathode – constituée d’un métal entouré d’oxydes qui favorisent l’émission d’électrons – est chauffée par le filament soumis à une tension. C’est pour cette raison que l’ensemble du dispositif est enfermé dans une ampoule contenant un gaz spécial et inerte empêchant le filament de se consumer instantanément, comme pour une ampoule classique du reste. La température élevée va exciter les électrons qui seront attirés par la plaque de l’anode chargée négativement.

3- Entre la cathode et l’anode se trouve la grille qui, portée à sa propre tension continue et fixe, est chargée négativement, juste un peu plus négativement que la cathode. Elle en repousse donc les électrons comme 2 pôles négatifs de 2 aimants. Il se trouve que cette grille est reliée à votre guitare. Le signal de la guitare – même très léger – va donc modifier la charge électrique de la grille qui du coup va laisser passer un énorme flux électrique (l’énorme masse des électrons de la cathode qui rêvent d’aller rejoindre l’anode). Et boum ! C’est une amplification car il se trouve que cet énorme flux électrique est à la même fréquence (plus/moins/plus/moins etc.) que le signal émis par votre guitare qui laisse passer plus/moins/plus/moins de flux. En quelque sorte, le signal de faible tension (quelques volts) issu de votre guitare va servir à définir un « schéma » qui sera traversé et reproduit à l’identique mais en plus grand par l’énorme flux électrique issue de votre prise 220 Volts.

Note : il est important de noter que en l’absence de sollicitation électrique chaque électrode (anode, cathode ou grille) de chaque tube, reste portée à une tension continue fixe déterminée, dite sa propre tension de polarisation. On dit que c’est l’état de « fonctionnement à vide ».

En cas de sollicitation effective, chaque électrode est portée à une tension qui est la somme :
–  de la tension sollicitatrice (non constante, souvent alternative)
– et de sa propre tension de polarisation (contante continue fixée).

On dit que c’est l’état de ¨ fonctionnement dynamique ¨.

4- Un second étage d’amplification – dit de puissance – est appliqué au signal ainsi pré-amplifié par la première lampe. En toute logique, la plaque de la lampe de pré-amplification est reliée à la grille de la lampe d’amplification. Le même processus décrit au point 3 se reproduit alors, mais avec encore plus de puissance. Suffisamment de puissance (exprimé en Watts, Puissance = Voltage (la « pression ») x Intensité (le « débit ») pour alimenter un haut-parleur.

5- En vibrant, le haut-parleur imprime aux molécules d’air les mêmes fréquences électriques qu’il reçoit et vos oreilles se délectent du magnifique son rond et chaud de ce bel ampli à lampe.

Voilà, à ce stade, vous savez comment fonctionne un ampli à lampe. Vous pouvez soit vous arrêter là, ce qui est déjà bien, soit aller plus loin dans la prise de tête en continuant à lire ci-dessous pour découvrir les différents modes de fonctionnement de ces amplis et l’impact que cela à sur le timbre du son :-)

Classe A, classe A/B… Quelle différence ?

Vous avez probablement déjà vu sur des amplis à lampe la mention de 2 classes : la Classe A et/ou la Classe A/B. Voyons de quoi il s’agit en commençant par la Classe A.

Pour cerner la question, il faut remonter à l’étape 3 décrite ci-dessus. On y disait que la grille qui sépare la cathode de l’anode était suffisamment chargée négativement pour repousser tel un aimant le flux négatif émanant de la cathode.

Imaginons que la charge dans la grille soit fixée à 0. Que ce passerait-il alors ?
Vous jouez une note. Le signal arrive à la grille de la lampe. Il est d’abord positif. La grille laisse donc passer plus de flux électrique jusqu’à atteindre 100%. Puis vient ensuite la phase négative. Sauf que la grille ne peut pas se charger encore plus négativement, elle est déjà à 0% de ses capacités physiques. La partie de la phase négative du signal de la guitare n’est donc pas reproduite. Résultat : le son est moche (forte distorsion) puisque seule une partie du signal est amplifié. C’est en fait un ampli de classe B… et il n’est pas utilisé pour amplifier la musique puisqu’il ne peut reproduire qu’une partie du signal sonore.


Représentation du signal amplifié en classe B

Par contre, en Classe A, la tension dans la grille est réglée de façon à ce que quand on ne joue pas, 50% du flux puisse tout de même passer. Pourquoi 50 % ? Et bien parce que 50% est à mi-chemin entre 0% et 100% dirait Monsieur de La Palisse. Plus explicitement, rappelez-vous que le signal qui arrive de la guitare est alternatif. Ainsi dans la phase négative du signal, la polarisation de la grille va grimper de 50% vers 100% puisque le flux négatif de la guitare va se cumuler au flux déjà négatif de la grille. Réciproquement, dans la phase positive : le flux positif de la guitare va se soustraire au flux négatif de la grille et descendre vers 0%.

En fixant une polarisation à 50% on permet au signal d’exprimer toute son amplitude aussi bien en phase montante que descendante. C’est idéal pour la musique mais cela a tout de même des inconvénients :
– la plage exploitable est peu large (50% vers le haut, 50% vers le bas) donc le son à tendance à saturer rapidement, c’est à dire que le signal ne pouvant dépasser 50% de variation, le sommet de la courbe du signal sera écrêté.
– ce type de lampe produit énormément de chaleur et use rapidement le matériel.

La classe AB est un compromis entre la classe A et la classe B. Il est souvent associé à une configuration dite push-pull. En push-pull, 2 lampes sont utilisées plutôt qu’une seule. Chacune ne va traiter d’une phase du signal (positif ou négatif). Le travail est donc réparti entre les 2 lampes et l’amplitude du signal s’en trouve doublée sans risque de distorsion trop importante ou de saturation.

Représentation du signal amplifié en classe AB et en configuration push-pull

Sources :
Wikipedia
http://fr.wikipedia.org/wiki/Classes_de_fonctionnement_d’un_amplificateur_%C3%A9lectronique

Théorie de l’électricité
http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM23/RM23.HTM

Travail de synthèse de Gabriel Legrand
L’amplification par tubes à vide appliquée à l’audio.
http://www.wupload.com/file/1847848116/Travail_Bibliographique.doc

Remerciements chaleureux pour leur validation technique : 
Shahor – Son Twitter 

Jean-Pierre Bourgeois, le Guitar Doctorshahor twitter

 

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