Building an amp from scratch

Stewart s'est procuré un châssis déjà utilisé auparavant, qui a assez de trous pour 6 lampes de préamplification et 4 lampes de puissance ! Avec ça, il a aussi récupéré cet énorme transformateur de puissance sur un Peavey Valve King 100W.

On a commencé par mettre en place une embase pour le câble d'alimentation et le transfo, et mit le tout à la masse pour travailler en sécurité. On a branché le transfo pour mesurer les tensions au bout des fils en sortant, et déduire à quoi ils servent. Les fils orange correspondent à une basse tension de 25 V, l'alimentation des filaments des lampes. Les violets ont aussi une basse tension de 80 V, sûrement l'alimentation des circuits intégrés de l'ampli d'origine. Enfin, les fils rouges correspondent à l'alimentation en haute tension, de 365 V ! C'est l'alimentation du circuit.

Une fois l'alimentation en haute tension identifiée, sachant qu'elle est alternative, il faut la redresser grâce à un pont redresseur de tension constitué de quatre diodes.

Avec le redresseur de tension en place, il ne nous restait plus qu'a connecter les fils rouges au circuit et à ajouter un condensateur pour lisser la tension. On lui a connecté une résistance en parallèle pour qu'il puisse se décharger correctement. Après re-vérification du montage, nous l'avons mis sous tension et mesuré 513 V continus aux bornes du condensateur !

La photo ci-dessus montre le condensateur et sa résistance de charge, les fils rouges qui alimentent le circuit en haute tension à travers un fusible, et le "ground buss" où l'on branchera tous les éléments du circuit qui doivent être reliés à la masse (c'est le fil de cuivre soudé à la vis en bas de l'image).

Aujourd'hui nous avons travaillé sur la préparation des lampes, c'est-à-dire installer les embases et les alimenter en tension pour chauffer les filaments. Pour cela, nous avons utilisé un nouveau transfo qui convertit 250 V en 6.3 V (AC). Il a fallu modifier légèrement le câblage d'hier, en amenant l'alimentation générale du transfo principal sur la plaque et en la répartissant à partir de là.

Ce nouveau transfo fournit donc 6.3 V qui servent à chauffer les filaments des lampes. Si on veut que chacune reçoive la même tension, il faut les connecter en parallèle. En série, la tension baisserait après chaque lampe et ce n'est pas ce qu'on souhaite !

Le câblage est prêt ! Stewart a sélectionné des lampes dans sa collection particulière, 2 EL34 pour l'étage de puissance et 3 ECC83 pour l'étage de préamplification. Après vérification de mon câblage et allumage de l'ampli... Les lampes se sont mises à briller, résultat attendu bien sûr mais très gratifiant !

La tension qu'on a mesurée entre deux filaments est de 7.2 V sans lampe branchée.

On utilise une ECC83/12AX7, c'est une lampe à 3 fois 3 éléments (double triode) : deux anodes (plaques), deux grilles (qui contrôlent le courant qui passe dans la lampe et sur lesquelles on applique le signal) et deux cathodes. Voilà un joli petit dessin pour décrire rapidement ce qui se passe dans une lampe (une simple triode).

L'anode est le pôle positif de la triode, et la cathode son pôle négatif. Le curant se déplace du positif au négatif, c'est-à-dire de l'anode à la cathode. Par contre, les électrons se déplacent du pôle négatif au pôle positif.

On doit mettre une charge sur la cathode. Pour calculer cette résistance, on utilise la loi d'Ohm. Pour une ECC83, le courant I est de 1mA et la tension V est de 1.5 V.

R=V/I=1.5/0.001=1.5 kOhms de résistance de charge, connectée au châssis.

De cette manière, avec 0 V sur la grille, celle ci semble négative du point de vue de la cathode (elle est 1.5 V plus négative). Plus il y a de courant qui passe à travers la résistance, plus la grille devient "négative", donc une partie du courant est bloquée par la grille. Au contraire, si peu de courant passe à travers la résistance la grille paraît moins négative, le courant est donc peu bloqué par celle-ci et peut rejoindre la plaque. C'est ce qu'on appelle un "cathode bias"

Occupons-nous de l'alimentation de la plaque. Le transformateur de puissance fournit 500 V après l'étage de lissage de tension. On a besoin de seulement 250 V pour alimenter la plaque, il faut donc construire un pont diviseur de tension, comme celui de ce schéma.

R1 et R2 sont en parallèle et forment un pont diviseur, et doivent avoir la même valeur car on veut que la tension soit divisée par 2.

On décide de manière arbitraire que 5mA traversent R2. Avec la loi d'Ohm, R2=250/0.005=50K, dont la valeur standard la plus proche est 56K.

Si on calcule rapidement la puissance dissipée par R2, on obtient P=V.I=250x0.005=1.1W, c'est bien trop. Si on double la valeur de la résistance on peut dissiper deux fois plus de puissance, on choisit alors une 110K. Facile, non ?

Le condensateur quant à lui est un 16µF.

Le premier étage de gain n'utilise qu'une demi-lampe, c'est pourquoi seulement 3 broches sont connectées sur l'embase.

Nous avons branché l'ampli à l'oscilloscope pour observer l'entrée et la sortie de cet étage d'amplification. A la sortie, le signal est bien amplifié, mais aussi en opposition de phase. La phase sera rétablie après le second étage d'amplification.

Nous avons aussi mesuré la tension sur la plaque, 210 V au lieu de 250 V. Quand nous avons estimé le pont diviseur de tension, nous avons négligé la "résistance de plaque" de la lampe, en parallèle avec R1 et R2. La résistance totale est est plus importante, nous avons donc une tension plus basse.

Maintenant qu'on a amplifié un peu le signal, on peut le manipuler un peu. Le réglage de tonalité du Fender Princeton consiste en un potentiomètre de volume et un potentiomètre de tonalité interactifs. Avec le schéma ci-dessous, on peut voir qu'avec le volume à 50% et le tone à fond, on obtient 100% des hautes fréquences à travers le petit condensateur. Si le baisse complètement, le son sera bien plus grave car les hautes fréquences auront été filtrées par le condensateur le plus gros.

Mais si on joue avec le volume à 100%, on ne pourra pas obtenir plus d'aigus... On ne peut pas aller au-delà de 100% n'est-ce pas ? Ce réglage n'est pas un boost d'aigus, mais plutôt un filtre passe-bas.

Voilà à quoi ça ressemble en vrai :

Le condensateur de gauche est le condensateur de couplage, qui ne devrait pas être suspendu ainsi mais être posé sur une plaque. On a besoin de condensateurs de couplage car avec les lampes on ne peut pas tolérer de courant continu dans le signal utile, qu'on filtre grâce à eux.

Ensuite il y a le condensateur de 470pF qui laisse passer les hautes fréquences.

En dessous, il y a deux condensateurs de 10nF en série, la capacité équivalente est 10/2=5nF.

La sortie de cet étage est reliée à la grille de la seconde demi-lampe.

Après avoir ajouté une résistance de charge de 100k sur la deuxième plaque et biaisé la seconde cathode de la même manière que pour le premier étage de gain, nous avons regardé le signal à l'oscilloscope.

Le signal est de nouveau en phase et a plus de gain. l'amplification est ajustable avec le potentiomètre de volume. On a pu voir les hautes fréquences apparaître en modifiant le contrôle de tonalité.

La tension sur la plaque est descendue à 170 V, ce qui est plutôt très bas. Nous allons devoir modifier l'étage d'alimentation.

Avec une telle baisse de tension sur les plaques, on a repensé l'alimentation selon un schéma plus courant, selon le schéma ci-dessous. Les tensions ont été mesurées au voltmètre

Pour cette étape on utilise une deuxième lampe. Elle agit comme inverseur de phase et n'ajoute pas de gain car on a une contre-réaction sur la cathode. On appelle ce montage "inverseur cathodyne".

L'inversion de phase deviendra utile au moment de la construction de l'étage de puissance "push-pull" (deux lampes travaillent en alternance, une amplifie le signal positif et l'autre le signal négatif).

Pour visualiser l'effet de chaque étage construit jusqu'à maintenant, on a branché un générateur de fréquence à l'ampli et nous avons observé un signal à 1000 Hz sur l'oscilloscope. De bas en haut, on voit le signal d'entrée et l'effet du premier étage de gain. Sur le second oscilloscope, on voit le second étage de gain et l'inversion de phase du troisième étage.

Ebay est une mine d'or pour toutes sortes de choses plus ou moins neuves. Stewart a déniché le transformateur idéal pour ce projet.

Celui-ci mis en place et avec son code couleur en tête, on peut commencer à câbler les lampes comme il faut. On a choisi des EL84.

Il faut biaiser la cathode, comme pour les lampes de préampli. Il faut aussi protéger les écrans avec des résistances, disons de 120 ohms. Enfin, il faut créer ce petit réseau sur les grilles d'entrée du signal. Le condensateur sert à coupler les lampes entre elles et à filtrer tout courant continu. On y branche le signal venant du préampli.

Dernières vérifications avant allumage!

-Vérifier que les deux sorties jack sont connectées et laquelle est la 8ohms (c'est celle avec l'impédance mesurée la plus basse)

-Vérifier que les plaques ne sont pas reliées, ni les grilles, et que les plaques sont alimentées par le point milieu du transfo.

Maintenant on peut allumer la bête et mesurer quelques tensions :

-La tension aux bornes de la cathode est de 36.6 V à travers une résistance de 680 Ohms. On en déduit le courant qui parcourt la lampe, I=V/R=54mA. 

-La tension de plaque est la différence entre la haute tension (485V) et la tension de la cathode, environ 450V.

On peut estimer la puissance dissipée par la plaque P=VI=24W.

Côté son, ça ronfle un peu trop... Mais le son est très clair, pas de bruits suspects. Cependant, il manque un peu de gain, il faut beaucoup monter le volume pour que ça commence à être fort. Ce problème peut être résolu en rajoutant des condensateurs pour "découpler" les cathodes, en parallèle avec les résistances.

La ronflette peut venir des lampes si elles sont mal appairées, ou, vu que la fréquence est plus haute qu'un 50Hz typique, des condensateurs de lissages trop petits.

Un switch de stand-by serait aussi pas mal !

Après avoir changé les condensateurs pour des plus gros, on a fait sauter le fusible à l'allumage... Celui-ci était sous dimensionné comparé à la charge de courant qui passe dans les condensateurs à l'allumage. Avec un fusible de 2A, l'ampli s'est allumé et est resté silencieux. Le hum a été réduit à néant par ce nouvel étage de lissage.

On a d'abord essayé l'ampli avec des EL34, essayons des 6L6.

Les 6L6 peuvent supporter plus de courant. On a mesuré 40 V au lieu de 36.6 V avec les EL34. Cela indique un courant de 60mA dans la lampe !

Côté son, on s'attendrait à avoir plus de basses, mais en fait les EL34 ont plus de graves et overdrivent un peu plus tôt que les 6L6, qui offrent un son clean et beaucoup de headroom avant distorsion.

En ajoutant un potentiomètre de volume général (master volume) après l'inversion de phase (IP), on pourra n'écouter que le préampli et la distorsion de l'IP. Il  s'insère entre celui-ci et les lampes de puissance.

On utilise un potentiomètre double qui nous permet d'ajuster les deux sorties de l'IP de la même manière.

Le préampli a un chouette overdrive quand on atteint le point critique avant distorsion !

Il y a différentes façons de  câbler l'étage de sortie. Ce switch permet de passer d'une position à l'autre et donc de change le son de l'ampli.

Le transformateur de sortie est ultra-linéaire, ce qui veut dire qu'on applique une contre-réaction, depuis le milieu du transfo sur les écrans des lampes pour aider la régulation du courant à travers elles. Le son est très propre, comme décrit plus haut.

La position "normale", non ultra-linéaire, n'a pas de contre-réaction sur les écrans qui sont reliés directement à la haute tension via des résistances de 470 ohms. C'est la position qui a le plus de gain grâce à l'absence de contre-réaction, mais moins de headroom.

La position "mi-puissance" branche les écrans directement sur les anodes (plaques) des lampes. C'est la position "sale" (dirty), où il y a peu de de distance entre le son clair et la distorsion des lampes. Il y a aussi moins de gain (car il n'y a pas de régulation du courant), ce qui n'empêche pas de jouer fort.

Retour sur l'ampli le lendemain avec de nouvelles oreilles !

Les 6l6 ont un son assez creusé, avec peu de basses mais pas mal de médiums et hauts médiums, alors que les EL34 sont plus chaudes.

Mais les deux types de lampes fonctionnent à la perfection avec l'ampli, pourquoi ne pas utiliser une de chaque ? Eh bien on a essayé, mais ça ne vaut pas le coup : le son n'a pas de graves du tout, semble éteint, comme si une seule des deux lampes travaillait.

On a éssayé cet ampli avec une Stratocaster, qui n'est pas la guitare la plus réputée pour ses basses. On essayera prochainement avec une guitare type Les Paul.

Ce matin, on a fait trembler l'atelier avec du bon gros son de réplique de Les Paul. Plein de sustain, plein de basses, tout ce qu'il faut pour se réveiller !

Maintenant qu'on est bien réveillé, Stewart a proposé qu'on ajoute plus de gain. Pour ça, on utilise un montage inverseur de phase différent, le "long pair tail" (littéralement "longue paire de queues", personne ne sait pourquoi). Cet étage utilise une lampe complète, comparée à l'inverseur cathodyne utilisé avant.

J'ai installé ce circuit sur l'embase libre.

Principe : quand la tension augmente d'un cöté de la lampe, elle augmente aussi sur la cathode, ce qui crée une baisse de courant mais aussi une baisse de tension de l'autre côté.

Ce montage n'a pas de contre-réaction donc il amplifie le signal en plus de l'inverser.

Quand on a branché la guitare pour essayer ce nouvel IP, on s'est rendu compte qu'un potard du master a lâché, sans raison particulière. Ce qui nous a donné une bonne raison d'installer un master pré-IP, au lieu de post précédemment.

On a changé le double potard contre un simple, ajouté un condensateur de couplage à sa sortie, et inséré le tout entre le condensateur de 1nF et la grille de la lampe (même broche que la résitance de 1 Mohm)

Avec ça, si on monte le gain à fond (première lampe) et qu'on a peu de master volume, on écoute la distorsion du préampli. Avec peu de gain et le master à fond, on entend la distorsion de l'IP. Elles sont différentes, mais l'impression globale est que l'ampli a plus de gain et sonne plus "brillant". La position mi-puissance du dirty switch a un son très crémeux et chaud.

Qu'est-ce que cette boucle ? La contre-réaction, à ce niveau, consiste à prélever une petite partie du signal au niveau de la sortie haut-parleur et la réinsérer au niveau de l'inverseur de phase.

Pourquoi l'utilise-t-on ? En gros, la contre-réaction linéarise la réponse en fréquence de l'ampli. Il réduit aussi sa dynamique, par exemple il n'y a que peu de différence en terme de gain entre les positions ultra-linéaire et 1/2 puissance du dirty switch. L'ampli sonne plus "propre". Cependant, la position 1/2 puissance est toujours la plus "sale".

Comment a-t-on fait ? On a créé une contre-réaction switchable via un sélecteur 3 positions. D'un côté, on a la sortie HP 16 Ohms, de l'autre, la 8 Ohms et au centre, pas de contre-réaction. On a pu remarquer que plus l'impédance de la sortie est haute, plus on obtient de contre'réaction. On perd du gain à travers cette boucle, et le son global est plus brillant et tranchant, plus ramassé. Ce qui est un bon moyen de faire sortir une guitare du mix.

Cette modification consiste à remplacer la résistance de 5K de l'inverseur de phase par un potentiomètre de même valeur. Il agit comme un réglage de tonalité générale, qui donne beaucoup d'aigus à l'ampli. C'est un réglage qui rend le rend assez agressif, ce qui peut aider une guitare à se détacher davantage du reste du mix.

Les classes d'amplification dépendent de la manière dont est biaisé l'étage de puissance. En classe A, les lampes sont "cathode biased" et sont traversées par la totalité du courant. En classe AB, le bias est fixe et on utilise une alimentation négative pour rendre les grilles négatives par rapport aux cathodes. Bien que ce montage s'appelle "bias fixe", on peut ajuster le courant avec un potentiomètre.

En classe AB, le courant de bias est faible quand il n'y a pas de signal, mais varie beaucoup selon la dynamique de jeu.

Voilà le schéma du montage.

Pour mesurer le courant qui traverse la lampe, on a connecté une résistance d'1 Ohm entre la cathode et la masse. D'un côté, on a mesuré 12mA, qu'on a ajusté à 30mA (valeur standard). De l'autre côté on a mesuré 42mA, trop pour un ampli de classe AB où on n'acceptera que 70% de dissipation. En classe A on peut avoir une dissipation de 100%.

On peut conclure que ces 6L6 ne sont pas bien appairées, une bonne raison pour passer à un montage avec deux potentiomètres indépendants pour ajuster chaque lampe. Voilà comment :

Les deux potentiomètres sont branchés en parallèle, il équivalent à 5K. Pour garder le même ratio, on réduit les autres résistances de moitié. On mesure donc des tensions très proches des précédentes.

Cette fois, on a 20mA sur la première lampe, qu'on a ajustés à 30mA. On a 3mA sur la seconde lampe. Si on voulait pouvoir réduire davantage le courant à travers la lampe (bias "plus froid"), on utiliserait une résistance de 3.3K au lieu de 3.9K. Cela nous offrirait plus d'amplitude pour ajuster la tension de bias.

Je trouve le son en classe AB moins agréable, plus dur avec plus d'aigus, et une distorsion moins chaude qu'en classe A. Voilà un petit extrait enregistré avec mon téléphone, peut-être que vous pourrez entendre la différence avec les extraits précédents malgré tout !

Soyons enfin au clair : quelle est la puissance de l'ampli ? Pour savoir, on a utilisé l'oscilloscope pour regarder la forme d'onde à la sortie de l'étage de puissance, sur la prise jack 16 Ohm, chargée (simulation de haut-parleur). Nous sommes en mode "fixed-bias", soi-disant en classe AB.

Comme entrée, on a utilisé un 1000 Hz produit par un générateur de signal, d'amplitude équivalente à la sortie d'une guitare.

Pour mesurer le signal de sortie, on a réglé l'oscillo sur 10 V/division.

La puissance est l'amplitude maximale atteinte par le signal avant distorsion. Ici, l'onde remplit l'écran, soit 8 divisions. Son amplitude est de 80 V crête à crête.

Pour calculer la puissance, il nous faut la valeur RMS du signal. Une crête a une amplitude de 40V, la valeur RMS est 40/1.4=28.5Vrms

L'impédance de sortie est 16 Ohms, la puissance vaut alors P=28.5²/16=50.76W.

En mode 1/2 puissance, l'amplitude crête-à-crête est de 60V, la puissance est environ 28W.

En mode cathode bias, soi-disant classe A, l'onde a une amplitude de 60V crête à crête, soit une puissance de 28W et environ 13W en 1/2 puissance.

Avec le mode cathode-bias, nous avons remarqué une importante distorsion de recoupement. Pourquoi, alors que c'est sensé être un problème de classe B ou AB, et que ce bias est typiquement de classe A ?

Qu'est-ce que la classe A alors, C'est quand le bias est réglé "de manière à ce que le courant de plaque dans tous les éléments de sortie s'écoule pendant la totalité des 360 degrés que dure un cycle d'entrée, à pleine puissance et sans distorsion de la sortie de l'amplificateur". C'est-à-dire exactement entre les points de saturation haute et basse.

La distorsion de recoupement apparaît car le courant ne circule pas pendant une partie des 360 degrés d'un cycle.

En fait, cet amplificateur ne pourra jamais fonctionner en classe A, car son alimentation est trop importante. Il est préférable d'avoir un fixed-bias qu'on peut régler, pour éviter que les lampes de puissance soient utilisées à plus de 100% de leur capacité de dissipation (elles se sont mises à fumer après 5 minutes à pleine puissance en cathode bias !)

Plus d'infos sur les classes d'amplification ici (article en anglais).

On a donc conclu que, comme l'alimentation est trop importante, on utiliserait un bias fixe.

Après avoir essayé les designs les plus simples, il est temps de créer un réglage de tonalité à deux potentiomètres, basses et aigus. J'ai choisi d'utiliser le tone stack des Fender Brownface, décrit sur le site Adam's Amps.

Et voilà qu'un nouveau problème survient :  un horrible souffle dans le préampli.

Au cas où la première lampe de préampli capte des interférences en provenance de l'étage de puissance, j'ai défait mon montage pour l'installer sur une plaque, au passage j'ai ajouté un deuxième étage de gain sur l'embase non utilisée. Le tone stack est entre cet étage de gain et l'inversion de phase.

Cette nouvelle disposition n'a pas réglé le problème du souffle. On a changé les lampes du préampli plusieurs fois, sans succès. On a mesuré les tensions en plusieurs points critiques et en avons conclu que d'un point de vue continu, l'ampli fonctionne. Cependant, on a remarqué que j'avais connecté le potentiomètre "basses" à l'envers et que le "treble" était un peu douteux.

Remplacer ce potentiomètre n'a pas arrangé les choses, on a donc regardé le signal à l'oscilloscope... Pour voir que le nouveau potard est aussi douteux ! Mais, même avec un potentiomètre fonctionnel, on avait toujours ce fichu souffle.

J'ai ajouté un master volume pre-IP, pour définir si le problème se trouve avant ou après l'inversion de phase. Il se trouve que le condensateur de couplage entre le potentiomètre et l'IP était mort ! Stewart n'avait jamais rencontré de Mullard mustard défectueux... Problème rare, donc. 

Problèmes résolus, l'ampli fonctionne super bien. Le Presence Control a pris de l'importance avec ce tone stack quand on enclenche la boucle de contre-réaction. Voilà un extrait sonore pour vous permettre de vous faire une idée, ça vous plaît ou pas ?

Je suis de plus en plus satisfaite de cet ampli, on commence à pouvoir travailler avec.

La dernière fois, le potard d'aigus était logarithmique... Ce qui veut dire qu'au début de sa course on a beaucoup d'aigus d'un coup et que le reste de la course n'a pas beaucoup d'effet. Donc la première chose à faire pour ce nouveau tone stack, typique des amplis Fender/Marshall, c'est utiliser un potard linéaire.

Voilà le schéma.

Je pense que le plus difficile à propos des tone stacks c'est de réussir à les visualiser pour les construire. Cette fois encore, j'avais connecté le potentiomètre de basses à l'envers ! Je m'étais dit que, comme le design n'est pas si différent du précédent, le Brownface, j'allais utiliser cette base-là... Perdu!

Et en plus, la meilleure... C'est que le souffle est revenu. Comment est-ce possible alors que je n'ai pas travaillé du côté de l'inversion de phase ? Après plusieurs tentatives de bidouillages, Stewart a pensé que ça pouvait venir de contrôle de présence, puisque le potentiomètre faisait le même genre de bruits et de craquements quand on le tourne. Hop, on l'a remplacé par un montage standard des amplis Marshall, avec un potard de 25K linéaire connecté directement à la masse. Schéma ci-dessous.

Avec ça, le problème est enfin résolu ! L'égalisation se comporte exactement comme elle devrait, bien qu'on aimerait un peu plus de basses, et un peu plus de gain quand on utilise la boucle de contre-réaction. On a donc augmenté la valeur du condensateur de couplage à la sortie du tone stack, ce qui a eu un peu d'effet. On a remplacé le condensateur de couplage par un plus gros entre le premier étage de gain et le potard de volume. C'est tout ce qu'il fallait.

Le manque de gain avec la contre-réaction a été amélioré par l'ajout d'un condensateur en parallèle avec la cathode du deuxième étage de gain.

Cet ampli sonne comme un ampli que j'achèterais. Il faut qu'il ait l'air plus vendable. J'ai disposé tout l'inverseur de phase sur une plaque à part, en prenant mon temps pour faire les bons choix de disposition... Et ça a presque marché du premier coup ! Une moitié de l'IP ne marchait pas à cause d'une mauvaise soudure, ce qui a pour effets "moins de gain" et "overdrive plus tôt". Et la boucle de contre-réaction s'est mise à osciller, comme il y a quelques semaines, problème résolu en inversant deux fils.

Alors, maintenant que c'est terminé, ça vous plaît ou pas ?