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Logique Floue

Le iPot

Amplificateur à tubes 6SN7 pour iPod

Après être tombé tout à fait par hasard (le hasard est si influençable !) sur quelques photos d'amplificateurs à tubes pour iPod faits par des électroniciens amateurs (un exemple par Kurtis Berry), je me sentais inexorablement attiré par la réalisation d'un tel projet. En effet, l'ironie de faire fonctionner ensemble un iPod, exemple typique de l'avancement de la technologie à semi-conducteurs, et des tubes à vides, qui en étaient le précurseur encombrant, me semblait suffisament importante pour mettre mon fer à souder à l'oeuvre et, éventuellement, sortir un produit fini.

Mes objectifs

Le design

Premier schéma

Comme je dispose de beaucoup de 6SN7 et que je veux développer un circuit qui sort un peu des sentiers battus, je décide d'utiliser ce tube à la fois à l'étage de préamplification et à l'étage de puissance. C'est encore une fois JSN (Boozhound Labs) qui me met sur la piste, lui qui a réalisé un amplificateur pour guitare à faible puissance qui utilise justement la 12SN7 (cousine germaine de la 6SN7, voir mon petit classAction pour les détails) en configuration de tube de puissance, le 12SN7 Geetar.

Comme j'ai déjà les transformateurs de sortie, je dois adapter l'étage de puissance en conséquence. Pour obtenir une puissance raisonnable pour piloter le haut-parleur, je décide de mettre à profit la méthode du push-pull parallèle pour tirer le maximum de Watts de la petite 6SN7, qui n'est pas tellement prévue pour cet usage. Comme ce tube contient 2 triodes, j'ai donc besoin de 4 unités pour l'étage de puissance, à raison de 2 par canal.

Pour produire le signal en opposition de phase requis pour piloter l'étage de sortie push-pull, je décide de recourir à un circuit déphaseur à résistance de cathode commune. Étant donné que l'étage de sortie est censé avoir un gain de 20, je devine qu'un étage de préamplification additionnel n'est pas tellement pertinent : le signal d'entrée est de niveau ligne et possède de ce fait une amplitude de crête d'un volt. S'il était amplifié par un étage préliminaire possédant lui aussi un gain de 20, j'aurais donc besoin de mon alimentation de 400 volts pour laisser passer la crête sans saturation et ainsi fonctionner en classe B. Mon but, en utilisant des tubes à vide, est évidemment de fonctionner en classe A ! Pour ce faire, j'aurais donc besoin d'un minimum de 800 volts sur l'anode de la 6SN7 pour faire passer également la crête négative...

C'est décidé : je vais envoyer le signal d'entrée directement sur la grille de la première triode du déphaseur et me contenter de la puissance maximale que pourra produire l'ampli avec son gain de 40.

Pour faire encore plus original, je décide tant qu'à y être de profiter de la marge de manoeuvre que me procure mon alimentation de 400 volts pour utiliser un couplage direct entre le déphaseur et l'étage de puissance. J'y parviens en soulevant la cathode des tubes de puissance de 125 volts par rapport à la masse et en reliant directement leur grille à l'anode de la triode du déphaseur.

Le nom

Je me rappelle d'un appareil de test électrique, le Hi-Pot, qui utilise une haute tension continue pour tester l'isolation des matériaux et j'ai un éclair de génie. Comme je considère 400 volts comme une haute tension, je vois aussitôt un parallèle entre cet instrument et mon ampli.

En retirant le H, j'obtiens i-Pot. Une suppression de caractère supplémentaire m'amène à iPot. L'amplificateur est prévu pour fonctionner avec un iPod. Besoin d'en dire plus ?

Le prototype

Cablage du prototype

Après le fiasco du Meltin Pot, que j'ai recommencé 3 fois avant de commencer à être satisfait, je décide de prototyper cet ampli avant de le construire pour éviter les mauvaises surprises.

J'ai deux boîtes de bonne taille qui ne demandent qu'à être utilisées, mais elles ont le défaut de provenir du Cégep, donc elles ont déjà servi et sont pleines de trous. C'est parfait pour fabriquer un prototype, mais j'aspire à utiliser un meilleur châssis pour le produit fini ! Je décide de me fabriquer quelques couvercles supplémentaires pour la boîte qui abritera le prototype dans le but de ne pas avoir à tout démonter si je décide de tester un autre circuit en cours de route !

Je prends ma scie sauteuse et taille en pièces des anciens boîtiers d'ordinateurs que j'avais eu la prévoyance de conserver. Je perçe les trous pour les supports octaux pour les tubes à l'aide de mon fidèle emporte-pièces et met une quantité industrielle de tourelles de montage.

A prototype is born !

La Source magique

Je câble de façon sommaire une alimentation CC pour les tubes et les filaments, que je place dans une autre boîte. Ainsi, je n'ai pas à me préoccuper outre-mesure de l'interférence causée par le courant alternatif pour la construction du prototype. J'utilise la boîte du défunt projet de l'ampli 6L6 SE et y installe le transformateur PA-774 sans effort. En effet, tous les trous avaient déjà été faits pour accomoder ce modèle particulier; l'idée de récupérer les transformateurs du Meltin Pot ne date pas d'hier, de toute évidence !

Je termine le câblage du canal gauche de l'ampli un dimanche après-midi et relie directement le haut-parleur aux transformateurs de sortie. Je mets mes lunettes de sécurité – encore ma peur irrationnelle des condensateurs électrolytiques – et j'applique l'alimentation sur les filaments pour réchauffer les tubes.

Une minute passe, puis j'enfonce le bouton-poussoir qui commande l'application de la haute-tension. J'entends un léger plop! qui provient du haut-parleur, ce qui me fait croire dans un premier temps que le circuit fonctionne. Heureux, je décide de vérifier mes points d'opération avec mon voltmètre. C'est là que tout se gâte ! Alors que je devrais retrouver une tension de 115 volts sur l'anode des tubes du préampli, ceux-ci sont inexplicablement référencés à la masse, ce qui fout évidemment le bordel dans la polarisation des tubes de sortie...

Je considère le circuit un instant et trouve en un éclair la source du problème : de toute évidence, j'ai estimé que les grilles des tubes de sortie pouvaient inexplicablement fournir du courant à l'anode de la triode du préampli en dépit de leur grande impédance ! En effet, j'ai confondu le circuit Monkey et le couplage direct et j'ai omis de référencer les tubes de préampli à l'alimentation par des résistances d'anode !

Je calcule la valeur des résistances requises et retourne au magasin d'électronique pour en acheter quelques-unes. Je les ajoute en quelques minutes, et le prototype est prêt à passer le test de la première écoute.

iPod+iPot

La première chanson à passer du iPod au iPot s'avère 2+2=5 (Lukewarm) du groupe britannique Radiohead. Le refrain me rappelle un peu mon erreur flagrante dans la conception de mon circuit :

You've not been
Paying attention
Paying attention
Paying att-ten-tion !

Je suis étonné par la qualité du son, même si la puissance de sortie est un peu plus faible que ce que j'aurais pensé. Cependant, avec des hauts-parleurs plus efficaces (mes Celestion ont un mince 89 dB/W/m...) et avec le câblage du canal de droite, il est évident que ce problème qui n'en est pas un devrait se régler !

J'apprécie mieux la linéarité de la 6SN7 lorsque je sélectionne la chanson Diva's Song de la bande sonore du film The Fifth Element.

La voix de Inva Mulla Tchako, la chanteuse derrière le personnage de la Diva Plavalaguna, est rendue de façon sublime par mon ampli. Que demander de plus ? Je crois pour une fois avoir un design qui tient la route ! Il ne reste plus qu'à réaliser le produit fini !

La conception du châssis

Première version du châssis Version révisée, degré de satisfaction insuffisant

Depuis quelques mois, plusieurs idées quant à la disposition des pièces sur le châssis me trottaient dans la tête. Après avoir exploré une avenue minimaliste (4 tubes disposés en trapèze sur une boîte blanche), je décide finalement de recourir au push-pull parallèle, ce qui ajoute 2 lampes au design.

Pour mettre de l'emphase sur l'évolution de la technologie entre le lecteur de musique miniature et les éléments d'amplification gigantesques, je décide de mettre celui-ci en évidence au milieu et de disposer les 6 tubes autour. Je suis toutefois craintif à l'idée de poser mon précieux iPod si près de l'étage de puissance, qui produira énormément de chaleur du fait de sa polarisation en classe A. De plus, je fais l'erreur d'aligner mes transformateurs de sortie dans la même direction que le transformateur d'alimentation, ce qui ne manquera pas d'induire un bourdonnement peu agréable dans les hauts-parleurs. Je retourne à ma planche à dessin en espérant arriver à un meilleur compromis entre l'esthétique et l'efficacité !

Depuis le début, je renonce volontairement à AutoCAD pour faire mes esquisses, parce que j'ai besoin avant tout d'un logiciel qui me permet d'apprécier immédiatement mon design et, idéalement, le voir en 3 dimensions. Malheureusement, je ne suis pas très à l'aise avec le moteur de rendu 3D d'AutoCAD et je n'ai pas l'intention de passer des heures à en figurer le fonctionnement !

Par chance, je suis un expert de PowerPoint, qui propose des fonctions de dessin élémentaires et des blocs pré-existants en pseudo-3D. Je commence donc à créer une librairie rudimentaire de symboles à partir des formes de base existantes et peuple un châssis virtuel avec. Le résultat de cette démarche peu orthodoxe ne vaut évidemment pas un dessin isométrique en bonne et due forme, mais me satisfait néanmoins !

Un matin où mon alter-ego poétique, le Docteur Jalibert, brille par son absence et où j'ai besoin de me changer les idées de toute urgence, je décide de prendre le taureau par les cornes (certains puristes diront prendre l'ampli par les lampes) et de trouver une disposition décente pour les diverses composantes sur le châssis. Ma première priorité est d'isoler l'étage d'alimentation dans un coin afin de minimiser l'effet de la haute-tension sur le signal de faible amplitude en entrée. J'en profite pour ajouter deux transformateurs Triad F-13X (6.3 V, 600 mA) en série afin de produire la tension de 12 volts qui me servira à charger l'iPod.

Finalement, après une heure passée à schématiser mes pensées avec PowerPoint et à répondre mentalement à des questions aussi triviales que devrais-je décaler les tubes centraux vers l'arrière pour rendre l'ampli plus esthétique ?, je passe aux choses sérieuses et ouvre AutoCAD.

L'AutoCAD-isation du châssis

Troisième version - ô miracle, je suis satisfait !

Je ne veux pas me casser la tête trop longtemps, donc je récupère illico ma librairie de symboles du projet de l'ampli Rockstar et dispose les divers transformateurs sur un rectangle de 11" x 12" (27.5 x 30 cm) censé représenter mon châssis en taille réelle.

J'ai quelques difficultés à dessiner mes transformateurs Triad à partir de la fiche technique du manufacturier. Je me rassure en me disant que tant que les trous prévus s'avèrent correctement disposés sur le plan, l'apparence du symbole est tout à fait secondaire.

En ce qui concerne les supports des tubes, je les représente sommairement par des cercles de 30 mm (1 3/16 ") de diamètre, ce qui correspond à la taille de mon emporte-pièces. Je ne me soucie guère de dessiner aussi les trous destinés aux deux vis requises pour chaque support; je les perçerai au fur et à mesure. Après tout, de cette manière, l'alignement avec le support sera parfait à tout coup : pas question qu'une déviation de l'emporte-pièces vienne jouer les trouble-fêtes !

De retour à la maison, je mets ma «grosse câlice» (une imprimante laser monolithique reconnue pour son fonctionnement intermittant que j'ai depuis mis à la retraite) à contribution pour réaliser la copie en taille réelle du plan du châssis.

Pour une construction plus rapide, je prévois coller le plan directement sur le métal et percer les trous à travers. Je trouve mon bonheur après avoir gaspillé une seule feuille et passe à l'atelier.

Enfin, la construction !

Le châssis, à une quelconque étape de sa fabrication

La première étape de la construction, soit le perçage de tous les trous du dessus du châssis, est l'affaire de quelques heures réparties en deux séances de travail.

Dans l'intervalle, je commande directement du site Web de Apple un paquet de trois supports universels pour mon modèle de iPod (Vidéo, 30 gigaoctets). Je prévois en encastrer un dans mon châssis et y coller un Dock Connector (connecteur permettant de réaliser une interface avec le iPod) modifié selon mes soins.

En raison de sa forme particulière, le support universel demande un trou particulier : un rectangle large chevauché par un autre plus petit pour faire une forme de T aplati. Je mets ma fidèle scie sauteuse à l'oeuvre et découpe la forme grossière, que j'agrandis millimètre par millimètre avec une lime jusqu'à ce que le support y entre parfaitement.

Je fais le ménage et le projet dort sur mon bureau pendant quelques semaines. En effet, j'hésite quant à la méthode de finition appropriée : peindre avec un aérosol (ce qui s'est avéré désastreux avec le MelTin Pot et passable avec le classAction), coller un panneau mince imitation bois sur le métal (ce qui a ruiné pour de bon l'ampli 6L6 SE qui ne mérite même pas que je fasse une page à son sujet) ou encore peindre au pinceau. J'opte sans trop de surprises pour la dernière option !

Auparavant, je dois doter mon châssis, alors en forme de U, de ses faces avant et arrière, qui comporteront la connectique et les interrupteurs.

Je songe brièvement à tailler deux feuilles de métal aux dimensions adéquates et à les fixer au moyen d'équerres et de vis, mais j'ai un éclair de génie. J'utilise le même modèle de boîte que pour le classAction, mais j'ai décidé d'utiliser le dessous, de forme standard, pour y monter mes composantes et le dessus, à la forme irrégulière, est à deux doigts de prendre le chemin du dépotoir.

Pas si vite ! J'en découpe les extrémités afin d'en faire des profilés en forme de C, y perce des trous filetés et les visse sur le dessous-rendu-dessus. Me voilà avec une boîte à cinq côtés extrêmement résistante. Pour ne pas être en reste, je façonne le sixième côté, qui ira en dessous, avec une retaille d'acrylique transparent très mince. Ainsi, je vais pouvoir montrer les entrailles de mon amplificateur à qui bon me semble sans craindre pour leur sécurité avec des bornes alimentées à 450 volts à portée de leurs doigts aventureux.

Finalement, après toute cette métallurgie, je brandis finalement mon pinceau dans un geste de fierté et appose la première couche de peinture, choisie spécialement pour être similaire au fini des hauts-parleurs avec lesquels l'ampli est prévu pour être utilisé.

Les premiers branchements

Le châssis, peuplé de quelques composantes

Je décide d'utiliser un interrupteur rotatif à 4 positions pour choisir les différents modes de fonctionnement de l'amplificateur, en l'occurence :

  1. Amplificateur éteint
  2. Chargement du iPod
  3. Préchauffage des lampes
  4. Amplificateur en fonctionnement

Cependant, comme je dispose d'un interrupteur 4P5T (4 pôles, 5 positions), je décide d'utiliser la position supplémentaire qui m'est offerte pour ajouter un mode :

  1. Amplificateur éteint
  2. Chargement du iPod
  3. Préchauffage des lampes
  4. Amplificateur en fonctionnement
  5. Éclairage du châssis

Cette nouvelle fonction servira à illuminer l'intérieur du châssis au moyen de quelques DEL disposées sur le périmètre intérieur. De cette façon, plus besoin de chercher une source de lumière si l'envie me prend de retourner l'amplificateur pour montrer ses entrailles à quelqu'un : l'ampli fournira son propre éclairage pour le mettre en valeur !

Je décide de commencer la construction avec ce qui s'avère le plus difficile : relier des fils au Dock Connector (que je me suis procuré en 3 exemplaires chez Ridax). En effet, celui-ci est vital pour la suite du projet, car il fait le pont entre le iPod et l'amplificateur. Cependant, après avoir raté les 3 essais en arrachant notamment des pattes requises par accident et en faisant un pont de soudure indélogeable entre une patte de sortie audio et la masse, je suis contraint à commander d'autres connecteurs et à repousser cette étape à plus tard.

Alimentation basse tension et interrupteur rotatif

Installation de l'interrupteur rotatif 4P5T

Pour compenser les essais désastreux de l'assemblage du Dock Connector, je choisis de travailler sur l'alimentation 12 Vcc, qui est un modeste circuit à 4 composantes : un pont de diodes, deux condensateurs de filtrage et un régulateur de tension LM7812.

L'assemblage des pièces sur un circuit imprimé me prend environ une heure et me prouve que je suis encore capable de souder convenablement. Plein d'entrain, je décide de continuer sur ma lancée en câblant l'interrupteur rotatif à 5 positions.

Je prépare tout d'abord deux petites plaquettes qui supporteront les DEL montées sur le panneau frontal : une DEL de couleur bleue à gauche (mode Chargement du iPod) et une DEL bicolore à droite (mode Préchauffage des lampes et Amplificateur en fonctionnement).

À l'exception du circuit commandant la DEL verte, les plaquettes sont extrêmement simples à réaliser : elles ne contiennent en effet que la DEL voulue et une résistance de 1.2 kΩ en série avec celle-ci afin de limiter le courant qu'elle consomme à un peu moins de 10 mA.

Par la suite, je passe à l'interrupteur lui-même. Deux pôles serviront à commander les divers transformateurs, un pôle commandera l'allumage des DEL et le dernier servira à appliquer la tension B+ de 350 V sur les anodes des tubes. Tout un programme en perspective !

Moyennant une heure de travail, l'interrupteur est lui aussi prêt à fonctionner. Je teste chacune des 5 positions et suis satisfait de constater que le projet est sur la bonne voie.

Je demeure fidèle à moi-même (ou presque) !

Même si je suis pourtant bien parti, les circonstances (dont mon déménagement) me contraignent à mettre le projet de côté de début janvier 2008 à fin novembre de la même année.

Cependant, même si le projet dort dans une boîte, j'ai toujours dans l'idée de le terminer un jour, ce qui constitue en soi un exploit : rares sont mes projets abandonnés qui se voient ainsi ressucités.

Un bon jour de novembre, pourtant connu comme le mois des morts, je déballe donc l'amplificateur et mets mon fer à souder en marche. Je veux terminer le iPot, coûte que coûte !

Fonctionnement en Push-... (ou comment apprendre à tester convenablement)

Enfin prêt ! Enfin, presque...

Je passe quelques soirées à travailler sur le projet et je réalise la dernière soudure un vendredi après-midi. Je branche l'amplificateur à une des prises protégées par un disjoncteur de mon atelier et fais chauffer les tubes à vide. Je suis prêt confiant.

Après une trentaine de secondes de préchauffage, le moment est finalement venu d'entendre le son du iPot ! Je tourne l'interrupteur d'un cran vers la droite : PAF ! et une odeur d'ozone qui n'annonce rien de bon. Pendant qu'une partie de mon cerveau est occupée à faire grimper mon rythme cardiaque en flèche, une autre s'occupe heureusement de diriger ma main vers l'interrupteur qui commande la prise où est branché mon montage et le basculer en position éteinte. Qu'est-ce que c'était que ça ?!

Après une investigation du côté des spécifications techniques de l'interrupteur rotatif, je me rends compte que j'ai surestimé ses capacités : alors qu'il est certifié pour une utilisation à 120 Vac au maximum, je lui impose de commander près de 400 V. Hum... Mais où avais-je la tête ?

Je conçois un circuit de commande utilisant un transistor MOSFET à canal P, le NTE5381, pour appliquer la haute tension sur les tubes et réduis la tension maximale aux bornes de l'interrupteur rotatif à un banal 10 volts. Cependant, faute d'avoir en ma possession ce transistor quasi-introuvable, je suis contraint de laisser l'interrupteur en position Amplificateur en fonctionnement et le commander directement avec l'interrupteur de la prise de courant.

Les tubes ne semblent pas se plaindre de ce mode de fonctionnement plutôt cavalier, où la pleine tension est appliquée sur leur anode avant que le tube soit chaud.

Encore une fois, Épisode à suivre.

Quelques photos

Phase conception

AutoCAD et plan imprimé
Plan Autocad
iPod et support universel

Phase finition

Boîtier avant la peinture
Boîtier peint
Installation des composantes
Installation des transformateurs
Trempeur à vis
Vis peintes

Phase métallurgie

Boîte à cinq côtés
Connecteur IEC du paresseux
Connecteur IEC en place
Distance sécuritaire
Découpage des gros trous
Découpage du couvercle (1 de 2)
Découpage du couvercle (2 de 2)
Le iPod est en avance
Trou du support universel

Phase prototype

Alimentation CC précaire
Détail d'un support
Intérieur du prototype
Plaquette vierge
Test de la première écoute

Schémas électriques

Alimentation 12V
Schéma 120 V

© Simon Turcotte-Langevin, 2017

Licence CC BY-NC

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