Filament bias

[Julien591]

Bonjour à tous,

J'aimerais avoir votre avis concernant la méthode de polarisation des tubes appelée : Filament bias
J'avais lu quelques échanges à propos du filament bias sur l'ancien forum mais je ne retrouve plus ces échanges en question.

Pour rappel :
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J'ai expérimenté cette méthode avec une B406, mon alimentation n'étant pas assez silencieuse, je n'ai pas pu vraiment apprécier le montage.

J'aimerais connaitre les points positifs et négatifs de cette méthode.

Pour l'instant, comme point négatif, je vois qu'il faut une alim filament trés bien filtrée et aussi bien régulée. la moindre fluctuation du secteur modifie le point de fonctionnement.

Aussi, je me demande s'il est possible d'appliquer la polar et le chauffage en même temps, avant la HT afin de préserver les tubes d'un démarrage à froid. Je planifie de tester le filament bias avec des SFR E130 et je ne veux pas écourter leur durée de vie..

[francis ibre]

Bonsoir Julien,

commençons par les points positifs :
- le condensateur de découplage de cathode est éliminé

- l'impédance de sortie de l'étage vue à l'anode du tube vaut Zi = Ri + (µ+1)Rk
Elle reste assez basse, puisqu'on ne rajoute qu'une faible valeur de résistance Rk

Maintenant, voyons plus profondément ce qui se passe :

- vu de l'alimentation filament, le filament est en série avec Rk.
Par exemple avec une 845 qui consomme 3,25 A au filament, et qui travaille avec une polarisation grille de l'ordre de -90 V, il nous faudrait une Rk de 27 ohms.

En effet : Uk = Rk.If = 27 x 3,25 = 87,75 V...
Et voici le premier problème : c'est If au filament et non Ik courant de repos, qui crée la tension de polarisation !
La polarisation par Rk est sensée stabiliser le point de repos, car si Ik augmente, alors Uk augmente et comme Ig reste à zéro alors le tube se trouve polarisé plus négatif et son courant Ik diminue : il est stabilisé !
Cela marche parfaitement du moment que Rk est plus grande que l'inverse de la pente du tube.

Mais ici Ik aura très peu d'influence, et ses variations ne seront pas compensées...

- regardons maintenant par où passe le courant de repos Ik.
Il existe deux chemins :
- par Rk (dans mon exemple 27 ohms)
- par l'impédance de sortie de l'alim filament, à travers la self série : si elle est régulée, elle sera inférieure à 1 ohm en continu, et la self ne fait que quelques ohms

Le courant de repos va donc passer principalement à travers l'alimentation filament : ce courant va se soustraire au courant filament : avec la 845 qui travaille sous 100 mA, l'alimentation filament ne débitera donc que 3,15 A...
Comme le courant de repos ne passe presque pas à travers la Rk, il n'est plus du tout stabilisé !

- voyons où passe le courant modulé : là aussi il y a deux chemins...
La Rk d'une part, l'alimentation filament à travers la self, mais cette fois en alternatif l'impédance de la self augmente avec la fréquence !
Le courant modulé voit donc globalement une impédance qui augmente avec la fréquence.
Cette impédance disposée dans le circuit cathode du tube, produit une contre-réaction courant-tension (ou série-série si tu préfères) elle-même variable avec la fréquence.

Une CR de ce type diminue le gain du tube : on a donc créé un étage à gain variable avec la fréquence...
Selon la triode utilisée, on aura seulement 3 dB de chute de gain entre les extrémités de la bande passante (c'est très bien) ou alors on aura 10 dB de variation, et là c'est un son bouché garanti...

- dernier point : l'alimentation filament devra fournir une tension égale à Uf + Uk, soit dans mon exemple environ 100 V.
La Rk va dissiper en gros 285 W...
Et avec son coefficient de température, sa résistance va varier de... quelques %... la tension de chauffage variera donc dans les mêmes proportions, et je n'aime pas du tout voir la tension des filaments fluctuer, c'est très mauvais pour la durée de vie des tubes...

Personnellement je ne ferai pas de polarisation de ce genre, je préfère une Rk découplée par un excellent condensateur, et une alimentation filament stabilisée, découplée aux bornes du filament par un autre excellent condensateur.

Francis

[Julien591]

Bonsoir Francis !!

Merci pour ta réponse détaillée, comme toujours.

Donc si je comprends bien ton analyse, le filament bias a pas mal d’effets négatifs.

Thomas Mayer utilise en effet une self, mais quand est-il des solutions comme celles de Coleman ou encore tentlab ?


Dernière chose, quand tu dis :

une alimentation filament stabilisée, découplée aux bornes du filament par un autre excellent condensateur.

Tu veux dire que juste après un module (par exemple tentlab), tu ajoutes un condensateur entre l’extrémité du filament vers la masse ? De quelle valeur ?

Merci !!

[francis ibre]

Bonjour Julien,

le condensateur que je mentionnais n'est pas à la masse, il est installé entre les deux extrémités du filament, afin d'éliminer le faux signal (audio) qui y apparaît, à cause du gradient de polarisation : la tension de cathode (filament...) n'est pas uniforme, car on a d'un côté la moitié de la tension filament en PLUS, et à l'autre bout c'est l'inverse, on a la moitié de la tension filament en moins...

Pour une 845 par exemple, la tension de cathode est de l'ordre de -90 V, mais on a en réalité -85 V à un bout du filament, et -95 V à l'autre bout...
On a donc des débits de courant modulés différents pour les deux "moitiés" du filament, et la conséquence est une tension modulée aux bornes de ce filament, faux-signal qui exerce une CR locale.
Il est important que ce faux-signal soit minimisé, voire éliminé, mais surtout pas de façon sélective !

Si on met par exemple un petit condensateur de quelques µF, on va éliminer ce faux-signal seulement dans le haut du spectre, et on aura donc plus de gain dans cette plage de fréquences : aigu criard...

Toutes les triodes à chauffage direct devraient avoir leur filament "découplé" correctement afin d'éliminer ce faux-signal, hélas beaucoup de concepteurs ignorent royalement ce problème.

Francis

[Julien591]

Bonjour Francis,

Excuse moi de mes multiples question, (j'aimerais bien voler ton savoir )
Il y a t'il un moyen de calculer la valeur de ce fameux condensateur ?

Ce weekend, je ferai un essai sur mon étage à base de PX25.

Pour en revenir à la méthode de polarisation, l'optimal reste finalement une résistance sur la cathode, non bypassée par un quelconque condensateur.
On perd du gain, certes, mais excepté ça, c'est parfait.

Par contre, on ne peut pas se permettre ça en étage de puissance au risque d'avoir un facteur d'amortissement faible, à moins d'ajouter une CR type hawksford par exemple.

[francis ibre]

Julien,

le calcul est très simple : si on veut court-circuiter efficacement le faux-signal du filament, il faut lui présenter une impédance la plus basse possible (idéalement zéro), dès les plus basses fréquences audio...
Il nous faut donc un condensateur de valeur infinie...

On peut "facilement" installer quelques milliers de microfarads, en électrolytique de qualité associé à un gros polypro...
Par exemple 22 000 µF Philips Co57 + 500 µF WIMA DC-Link MKP6...
On doit être à moins de 0,5 ohm dès 20 Hz.

Pour aller plus loin, ça devient compliqué et encombrant...

Francis

[Julien591]

Bonsoir
Enfaite, on veut presque une IDHT
Je ferai le test ce week-end si j’ai le temps.
Mais n’ayant pas de polypropylène sous la main, peut être que j’aurais un résultat décevant car « coloré ».

J’essaierai aussi de supprimer le condensateur de cathode et voir ce qu’il se passe

[Julien591]

Bonsoir à tous !
Finalement, suite à tes messages Francis, j’abandonne l’idée de tester le filament bias.
J’ai testé la suppression du condensateur de cathode mais cela réduit trop mon gain.

Filament la solution du bias fixe avec par exemple un petit module de Rod Coleman pourrait être ma solution afin de supprimer ce fameux condensateur de cathode !

Pour l’étage d’entrée, je devrais ajouter un transfo d’entrée ou un condensateur afin de couper le continu.

[Selkie_boy]

Bonjour Julien,
Le condensateur de cathode est une solution simple et élégante pour maximiser le gain d'un étage et diminuer l'impedance de sortie.
Il suffit de prendre un condensateur de Haute qualité.
Il y a d'autres solutions mais elles sont plus complexes et pour moi si on veux optimiser un ampli monotriode il faut rester le plus simple possible même si théoriquement ça ne paraît pas optimum.

Une autre solution simple que tu peux essayer si comme je suppose tu es en liaison par transformateur est le condensateur cathode-grille tel que ci dessous. L'avantage, le condensateur est beaucoup plus petit (1 à 2 uF) et donc tu peux mettre un condensateur de Haute qualité: Duelund, Claritycap,...

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Le condensateur de 4uf n'est pas forcément indispensable.
Cette solution est détaillées sur le site 100 amplifiers. Voir chapitre sur amplis WE32 et WE91
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Jean-Noël

[Julien591]

Bonjour Jean Noël,

Merci pour ton message. Schéma intéressant, il me semble que ce schéma était fait pour les lignes téléphoniques.
J’ai l’impression que je l’ai déjà vu sur Elektor et que Francis n’en disait pas que du bien.

Pourtant ça a l’air de bien fonctionner, vu comme ça. Je me demande pourquoi il n’est pas tant connu et utilisé que ça de nos jours ?

[Julien591]

Bonjour Francis,

commençons par les points positifs :
- le condensateur de découplage de cathode est éliminé

- l'impédance de sortie de l'étage vue à l'anode du tube vaut Zi = Ri + (µ+1)Rk
Elle reste assez basse, puisqu'on ne rajoute qu'une faible valeur de résistance Rk

Maintenant, voyons plus profondément ce qui se passe :

- vu de l'alimentation filament, le filament est en série avec Rk.
Par exemple avec une 845 qui consomme 3,25 A au filament, et qui travaille avec une polarisation grille de l'ordre de -90 V, il nous faudrait une Rk de 27 ohms.

En effet : Uk = Rk.If = 27 x 3,25 = 87,75 V...
Et voici le premier problème : c'est If au filament et non Ik courant de repos, qui crée la tension de polarisation !
La polarisation par Rk est sensée stabiliser le point de repos, car si Ik augmente, alors Uk augmente et comme Ig reste à zéro alors le tube se trouve polarisé plus négatif et son courant Ik diminue : il est stabilisé !
Cela marche parfaitement du moment que Rk est plus grande que l'inverse de la pente du tube.

Mais ici Ik aura très peu d'influence, et ses variations ne seront pas compensées...

- regardons maintenant par où passe le courant de repos Ik.
Il existe deux chemins :
- par Rk (dans mon exemple 27 ohms)
- par l'impédance de sortie de l'alim filament, à travers la self série : si elle est régulée, elle sera inférieure à 1 ohm en continu, et la self ne fait que quelques ohms

Le courant de repos va donc passer principalement à travers l'alimentation filament : ce courant va se soustraire au courant filament : avec la 845 qui travaille sous 100 mA, l'alimentation filament ne débitera donc que 3,15 A...
Comme le courant de repos ne passe presque pas à travers la Rk, il n'est plus du tout stabilisé !

- voyons où passe le courant modulé : là aussi il y a deux chemins...
La Rk d'une part, l'alimentation filament à travers la self, mais cette fois en alternatif l'impédance de la self augmente avec la fréquence !
Le courant modulé voit donc globalement une impédance qui augmente avec la fréquence.
Cette impédance disposée dans le circuit cathode du tube, produit une contre-réaction courant-tension (ou série-série si tu préfères) elle-même variable avec la fréquence.

Une CR de ce type diminue le gain du tube : on a donc créé un étage à gain variable avec la fréquence...
Selon la triode utilisée, on aura seulement 3 dB de chute de gain entre les extrémités de la bande passante (c'est très bien) ou alors on aura 10 dB de variation, et là c'est un son bouché garanti...

- dernier point : l'alimentation filament devra fournir une tension égale à Uf + Uk, soit dans mon exemple environ 100 V.
La Rk va dissiper en gros 285 W...
Et avec son coefficient de température, sa résistance va varier de... quelques %... la tension de chauffage variera donc dans les mêmes proportions, et je n'aime pas du tout voir la tension des filaments fluctuer, c'est très mauvais pour la durée de vie des tubes...

Personnellement je ne ferai pas de polarisation de ce genre, je préfère une Rk découplée par un excellent condensateur, et une alimentation filament stabilisée, découplée aux bornes du filament par un autre excellent condensateur.

Je me permets de revenir sur ton message ci dessous.
En réanalysant le problème, je rejoins tes conclusions si on utilise une self de filtrage pour le filament bias.

Cependant, si on utilise le genre de module de Rod Coleman par exemple, ou les modules utilisés par Tony, l'impédance de sortie de ces alimentations reste élevée sur toute la plage de fréquences. Nous avons donc plus de problème de gain variable en fonction de la fréquence.

Cependant, je suis conscient que ces modules existent seulement pour des tentions faibles, mais dans mon cas avec des E130, 10Y et même PX.. ça convient.

La polarisation par Rk est sensée stabiliser le point de repos, car si Ik augmente, alors Uk augmente et comme Ig reste à zéro alors le tube se trouve polarisé plus négatif et son courant Ik diminue : il est stabilisé !
Cela marche parfaitement du moment que Rk est plus grande que l'inverse de la pente du tube.

Il reste cependant le problème de stabilisation.. Par exemple la pente d'une PX25 est de 8 mA/V.
Il faudrait donc une résistance de 125 ohms minimum. Puis-je faire une combinaison de bias avec deux résistances et l'alimentation du filament entre ces deux résistances.

Dans ce cas, je résous aussi le problème de stabilité. Mais j'augmente cependant l'impédance de sortie du montage...

Qu'en penses-tu ?

Julien

[Julien591]

Bonsoir Francis,

le calcul est très simple : si on veut court-circuiter efficacement le faux-signal du filament, il faut lui présenter une impédance la plus basse possible (idéalement zéro), dès les plus basses fréquences audio...
Il nous faut donc un condensateur de valeur infinie...  

On peut "facilement" installer quelques milliers de microfarads, en électrolytique de qualité associé à un gros polypro...
Par exemple 22 000 µF Philips Co57 + 500 µF WIMA DC-Link MKP6...
On doit être à moins de 0,5 ohm dès 20 Hz.

Pour aller plus loin, ça devient compliqué et encombrant...

Je n'ai pas encore testé ce gros condensateur contre le faux signal. Si j'ai bien compris, tout le signal audio le traverse et il faut un condensateur d'excellente qualité.

Pour ces grosses valeurs, un electro chimique est obligatoire. Le gain qualitatif procuré par cette suppression du faux signal n'est il pas détruit par le chimique malgré un polypro en // ?

Je me permets de te demander car un gros polypro n'est pas donné

Il me semble que tu parlais des bénéfices de ce condensateur dans elector, mais voila.. ça a disparu

[francis ibre]

Bonjour Julien,

le "vrai" signal audio ne passe pas dans ce condensateur !
Ce n'est qu'un ersatz, une "image fantôme" du signal audio, c'est pourquoi on l'appelle faux signal.

Dans l'idéal il ne devrait pas exister... mais pour cela il faudrait que le débit de courant modulé soit exactement réparti tout au long du filament-cathode, ce qui n'est jamais le cas puisqu'il y a une différence de polarisation entre les deux extrémités !
Il faudrait donc une tension de chauffage nulle pour éliminer ce problème. D'ailleurs si les triodes chauffées en 2,5 V sonnent souvent très bien, c'est en partie parce que pour elles le gradient de polarisation est faible...
Si on prend le cas des 45 ou 2A3 par exemple, le chauffage est en 2,5 V alors que le recul de grille est de l'ordre de -45 / -50 V.

L'autre moyen d'éliminer ce faux-signal, complètement, c'est de le court-circuiter. De la même façon qu'on shunte la résistance de cathode pour supprimer son rôle en alternatif, on va "découpler" les deux extrémités du filament, pour qu'il n'ait plus aucun rôle en alternatif.

Alors bien sûr un petit courant modulé va traverser ce condo, et se refermer par l'impédance du filament-cathode, de l'ordre de 1 à 3 ohms selon la triode utilisée.
Comparée aux 1000 à 1500 ohms de la Rk, ces 3 ohms sont négligeables. Mais ils constituent quand même une impédance partagée par les deux boucles de courant : courant audio modulé par la triode d'une part, courant du faux-signal filament d'autre part...
Ces deux courants vont se superposer dans le filament, et l'effet sera justement que les deux "moitiés" du filament verront maintenant des courants égaux !

Si on veut que ça marche il faut donc que le condo de découplage filament ait une impédance négligeable devant les 3 ohms du filament, ceci jusqu'aux plus basses fréquences : pour une coupure à 5 Hz (pour être tranquille à 20) il faut donc au moins 10 000 µF... et avec une triode au filament de 1 ohms il faudra 3 fois plus...

Perso j'utilise des 22 000 µF série ALS30 de BHC-Aerovox (maintenant Kemet) choisi après écoute comparative d'une dizaine de modèles (BC, Rifa, Sprague, Aerovox, FT, Mallory, ERO) associés à un polypro WIMA.

Francis

[Julien591]

Bonjour Francis,

Merci pour ta réponse. Je vais tester et je t'en dirai des novelles
Pour la tension de claquage des condensateurs, finalement ils doivent supporter la tension du filament, donc 4V pour ma PX.

Si je fais mon test de DC pour la valve rectificative, je peux aussi employer cette technique et voir si quelque chose se passe. Mais dans cette position, j'en doute.

N'y avait-il pas une technique décrite par Jean Hiraga qui consiste à placer deux petits condensateurs de quelques uF entre les deux extrémités du filament et la masse ?

[francis ibre]

Julien,

les condensateurs chimiques sont d'autant plus mauvais que leur tension de service est basse, et qu'ils sont de petites dimensions.
Donc même si tu n'as que 4 V, tu auras de meilleurs résultats avec un condo en 40 v (minimum) et encore mieux en 63 ou 100 V.
Ici un TFRS est intéressant, ou un modèle faible impédance, comme ceux pour alim à découpage ou circuit impulsionnels.

Les 22 000 µf / 40 V que j'emploie sont donnés à Rs = 6 mO à 100 Hz et Z = 5 mO à 10 kHz.

J'ai beau chercher je ne trouve pas mieux aujourd'hui...

Francis

[Julien591]

Dacc, c'est noté

Je vais commander des 30 000uF et 10 000uF 100V si il y a, sinon 63 ou 40V.

Le filament de la PX25 est de 2 ohms et le filament de la E130 de 6 ohms.

Merci :cheers:

[Julien591]

Hello again !

Pour être sûr, c’est bien comme cela ?

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[Julien591]

Bonjour à tous et en particulier à Francis.
J’ai testé le montage avec le condensateur entre les deux bornes du filament et je ne sais pas vraiment si c’est mieux ou moins bien. Du moins, je dirai c’est à peu près pareil.

J’aurais aimé connaître ce qu’a apporté ce condensateur chez toi d’un point de vue sonore.

Peut être qu’un condensateur d’encore de meilleure qualité sera encore mieux? Mais si le signal ne passe pas dedans, à quoi bon

Merci,
Julien

[Julien591]

Bonjour à tous,
Je vais essayer d’ajouter en // sur le Chimique un très gros MKP. Peut être des SCR de 330uF.. peut être que le rendu sera encore différent..

Julien

[Jef]

Bonjour à tous

Francis semble avoir choisi ce modèle [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien] après essais.
Il faut rester sur ce principe si tu veux comparer..  mais éviter de se lancer dans une cuisine de panachage

EDIT : j'avais pris ceux-ci avant rupture de stock [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

Jef

[francis ibre]

Bonjour Julien,

sur certaines triodes à chauffage direct, le filament est en W inversé (tête en bas) et sa connexion est avec point milieu.
En clair : une broche est reliée au point milieu, l'autre broche est reliée aux deux extrémités.
On a donc en réalité deux demi-filaments alimentés en parallèle, et avec ce montage le gradient de polarisation est NUL... donc problème éliminé à la source...

Regarde bien ta PX25, elle est peut-être comme ça.
Certaines 45 le sont, mais je ne saurais pas dire si c'est général...
Pour les 845 ce n'est certes pas le cas, et j'ai pu mesurer un signal alternatif de quelques dizaines de mV quand le tube passe un signal audio.

Point de vue sonore : l'élimination du faux signal apporte de l'air, de l'air...

Mais si le signal ne passe pas dedans, à quoi bon

Je répète : il passe dedans un faux signal qu'il faut éliminer !
Comprends-tu que le courant modulé audio (le... signal) passe DANS le filament ???

Avec un tube à chauffage indirect, l'impédance de la cathode (revêtue) est à peu près nulle.
Le potentiel de la cathode est uniforme : on l'appelle d'ailleurs "unipotential cathode"...

Avec un tube à chauffage direct, c'est impossible : il faut bien que le filament (=cathode) ait une certaine résistance en continu, pour pouvoir l'alimenter...
Mais en alternatif, il faut rendre son impédance nulle : on le "court-circuite" avec un gros condo...

Francis

Edit : correction, j'avais écrit direct au lieu de indirect !

[Julien591]

Bonjour à tous,

Je pense que j’avais bien compris, seul le faux signal passe à travers ce condensateur. Et le vrai signal passe par le filament.
Le faux signal, grâce au “court circuit” vient “rejoindre” le vrai signal. Donc il faut quand même un condensateur de bonne qualité mais ce n’est pas aussi délicat qu’un condensateur de cathode.

J’espère ne pas me tromper, j’avais pas tout compris au début.


J’ai bien regardé mes E130, et le filament est en W inversé mais sa connexion est sans point milieu.

Voir la photo :

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Par contre, pour la PX25, je n’arrive pas du tout à voir.. :x
Après, j’imagine qu’un filament avec un point milieu n’est jamais parfaitement symétrique, il y a donc toujours un petit faux signal et donc c’est toujours préférable de découpler ce filament.