Les radios à 5 tubes

Hier dimanche le 15 février c'était la journée de la radio. Le premier emplois que j'ai occupé en sortant du CÉGEP était justement dans un atelier de réparation d'appareil électronique et en 1978 il y avait encore beaucoup d'appareils qui fonctionnaient avec des tubes électroniques; triode, tétrode, pentode. Comme je suis un babyboomer, les premiers appareils électroniques que j'ai connu fonctionnaient avec de tels tubes. Je me rappelle encore ce récepteur AM dans son boitier en bois trônant sur le comptoir de la cuisine/salle à manger.

un circuit typique

À cet époque il y avait, peu importe le manufacturier, un circuit typique pour ces récepteurs radio conçus autour de 5 tubes électroniques. Quelques détails varaient d'un fabriquant à l'autre mais cette standardisation permettait la fabrication à grande échelle à faible coût.

Si on regarde le numéro de modèle des tubes on voit 12SA7, 12SK7, 12SQ7, 50L6GY et 35Z5GT. Le premier nombre indique le voltage de fonctionnement du filament du tube. Si on additionne ces 5 nombres on arrive à 121 volt c'est à dire le voltage d'alimentation secteur en amérique du nord (120VAC). Si on regarde dans le bas du schéma électronique on voit que les 5 filaments sont branchés en série. Cette configuration évitait d'utiliser un coûteux, lourd et volumineux transformateur pour abaisser la tension. Tout était penser pour réduire le coût de fabrication. L'inconvénient était que si un filament brulait il fallait vérifier les 5 tubes pour savoir lequel avait flanché.

Juste au dessus des filaments on aperçoit le tube redresseur de tension 35Z5GT. Encore là en raison du coût on se contentait d'une rectification demi-phase. La filtration était assurée par condensateur double de 50µF. Ce condensateur se présentait dans un seul boitier d'aluminium cylindrique d'environ 15mm de diamètre par environ 50mm de hauteur avec 3 fils qui sortaient à une extrémité dans le genre de ceux-ci:

On voit qu'il y avait 2 tensions DC la première à 119VDC pour alimenter l'amplicateur audio-fréquence. Il s'agit d'une pentode 50L6GT. Puisque l'impédance de sortie des tubes électronique est élevée il fallait utiliser un transformateur pour réduire l'impédance entre la sortie de l'amplificateur et le haut-parleur. Cependant de type de transformateur est plus petit et plus léger qu'un transformateur d'alimentation.

Parti radio-fréquence

À cette époque c'est la radio AM qui dominait le marché et les récepteurs à 5 tubes étaient conçu pour la réception dans la bande 540 à 1600 Khertz. Il n'y avait pas de barre de ferrite pour le bobinage d'antenne, ça n'existait pas encore. À la place sur le panneau arrière du récepteur, côté intérieur était collée une bobine plate qui couvrait la surface. Cette bobine était fabriquée avec un fil spécial appellé Litz. Ce genre de fil est constitué de nombreux fils plus petits et isolés les uns des autres. Ce type de fil augmente la sélectivité du circuit d'accord, je n'entrerai pas dans les détails. Complètement à gauche du schéma cette boucle de fil est identifiée par loop.

Le tube électronique identifié 12SA7 est une pentode qui joue 3 rôles. Amplification du signal reçu, oscillateur local et mélangeur de fréquences. Le signal radio est amplifié par contrôle de la grille branché à la broche 8 tandis que l'oscillatuer local est branché sur la grille à la broche 5. La double grille sur la broche 4 est ce qu'on appelle une grille de supression et sert à réduire le couplage entre les différentes électrodes du tube. L'accord de la fréquence de réception se fait par un condensateur variable à double section dans le genre de celui-ci:

Un récepteur superhétérodyne fonctionne par réduction de la fréquence reçu vers une fréquence intermédiaire constante. Dans le cas des récepteurs AM cette fréquence intermédiaire était de 455Khz. Une fréquence plus basse permet une meilleur sélectivitée. Cette fréquence intermédiaire est la différence entre celle de l'oscillateur local et la fréquence reçu. Puisque cette différence doit-être constante à 455Khz il faut que l'oscillateur local suive l'accord. C'est le rôle du condensateur variable d'assurer cette constance. L'oscillateur local fonctionne à 455Khz plus haut que la fréquence de réception de sorte que FRif=FRosc-FRrec. la capacitance des 2 sections varie ensemble. La ligne pointillée identifié var. con. sur le schéma représente ce lien mécanique entre les 2 sections du condensateur. Puisque la grille en 5 varie à la fréquence de l'oscillateur local alors que celle branchée sur 8 varie à la fréquence de réception on retrouve à l'anode du tube sur la broche 3 à la fois la somme et la différence de ces 2 fréquences. Mais le transformateur qui est branchée sur l'anode est un circuit accordé à la fréquence de 455Khz et ne laisse passer que la différence de fréquence.

Le tube 12SK7 est encore une pentode qui sert à amplifier la fréquence intermédiaire et sa sortie est aussi branchée sur un transformateur accordé sur 455Khz. Ces 2 filtres augmentent la sélectivité et permettent de réduire l'interférence des stations voisines en fréquence.

Le tube 12SQ7 comprend un double diode de détection et une triode amplificatrice. Sur les broches 4 et 5 on a les anodes des rectificatrices de démodulation. La démodulation d'un signal AM, c'est à dire la récupération du signal audio qui module la porteuse radio-fréquence, est simple. Il suffit de redresser le signal radio avec une diode et d'éliminer la radio-fréquence en la court-circuitant avec un condensateur. Dans ce circuit on voit que la filtration est à l'intérieur du boitier du transformateur IF et branché au bornes d'une résistance de 50Kohms. Ce signal audio résultant est acheminé vers la triode amplificatrice en passant par le contrôle de volume et un condensateur de 0.01µF relié à la grille sur la broche 2. La sortie de la triode contrôle la grille (broche 5) de la pentode 50L6GT qui est l'étage d'amplification audio final.

Contrôle de gain automatique

Notez la résistance de 3Mohms branchée sur le contrôle de volume. En ce point il y a un voltage DC négatif résultant de la rectification et de la filtration. Si vous suivez le fil qui part de là et s'en va vers la gauche on voit qu'il y a un condensateur de 0.05µF qui filtre encore plus. Celui-là élimine les fréquences audios. On ne veut pas que ce voltage varie avec le signal audio mais plus lentement selon l'amplitude du signal radio fréquence reçu. Plus le le signal de la station sous écoute est fort plus ce voltage est négatif. Notez que ce voltage est branché sur les grilles des 12SK7 et 12SA7 en passant à travers les bobines. Ce voltage contrôle le gain du tube pour garder autant que possible le volume audio constant lorsqu'on change de station ou que la réception d'une même station fluctue. C'est ce qu'on appelle le contrôle de gain automatique.

En conclusion

Il s'agit d'un circuit simple et facile à comprendre. Je ne vous décriré pas le fonctionnement d'un téléviseur de cette époque, au CÉGEP le cours sur la télévision prenait une session complète et était accompagné d'un bouquin de quelques centaines de pages.

Vidéo

sonde hygrométrique

Si vous possédez un thermomètre électronique qui donne aussi le pourcentage d'humidité de l'air, vous vous êtes peut-être demander comment ça fonctionne.

Voici à quoi peut ressembler un capteur hygrométrique. Je dis, peut, car certains capteurs sont enfermés à l'intérieur d'une coquille en plastique.

Il s'agit en fait d'un condensateur dont la valeur varie avec le taux d'humidité dans l'air. En effet la capacitance d'un condensateur est proportionnelle à un facteur qu'on appelle la permittivité. La permittivité est une propriété de l'isolant qui sépare les armatures du condensateur. Sur la photo on voit que les armatures sont imprimées sur un rectangle de céramique. Hors la permittivité de cette céramique varie en absorbant l'humidité qui est dans l'air. Donc l'appareil mesure la capacitance de la sonde et calcul le taux d'humidité à partir de cette valeur. Les spécifications du capteur donne la courbe de cette capacitance en fonction du taux d'humidité.

circuit des ampoules DEL

Circuit typique d'une ampoule DEL

J'ai démonté une ampoule DEL défectueuse et analysé le circuit. Voici une explication du fonctionnement du circuit.

Le circuit était cellé dans la base.
J'ai endommagé BL2 (marqué BL1 par erreur sur la photo) lors de l'extraction forcée.
Les composants montés en trous passants sont sur cette face.

Le circuit imprimé est cuivré sur une seule face.
Les composants montés en surface sont de ce côté.

En amérique du nord l'alimentation domestique fonctionne à 120 volt alternatif noté 120VAC. Cependant les DELs sont des composants semi-conducteur fonctionnant en courant continue à bas voltage. Par exemple la tension aux bornes d'une DEL blanche se situe entre 3.2 et 3.6 Volt. Donc il faut convertir la tension 120VAC en voltage DC. dans l'ampoule que j'ai démonté il y a 12 DELs en série, il faut donc une alimentation de 38 à 43 VDC pour alimenter la chaîne de DELs.

L'alimentation 120VAC arrive sur RF1 et FR2 qui sont des résistances bobinées qui font 15 ohms en résistance et 8µH en inductance. J'ai représenté ces résistances comme 2 composants dans une boite alors qu'en fait il ne s'agit que d'un composant qui ressemble en tout point à une résistance ordinaire. C'est l'indication RF* au lieu de simplement R* qui indique qu'il s'agit d'une résitance bobinée sur une ferrite pour ajouter un effet inductif. Ces inductances bloquent le passage des radiofréquences qui sont présentent sur l'alimentation secteur.

Le composant RV1 est un varistor. Ce composant sert à écrêter les surtensions transitoires qui se superposent à l'alimentation 120VAC.BD1 est un pont redresseur de tension, il s'agit de 4 diodes dans un seul boitier. Le redresseur ne supprime pas les ondulations. Sans le filtreur qui suit le voltage aux bornes -|+ du pont ressemblerait à ceci.

Les condensateurs C1, C2, C3 ainsi que la résistance R3 et l'inductance L3 servent à supprimer ces ondulations. Le voltage de crête aux bornes de C3 doit être d'environ 120*√2=170VDC.

Puisqu'on ne peut appliquer 170VDC directement sur la chaîne de DELs sans provoquer une destruction rapide, il faut contrôler le courant qui passe à travers. C'est le rôle du circuit intégré marqué régulateur sur la deuxième photo. Même si je n'ai pu trouver le feuillet de spécifications pour ce circuit intégré le principe de fonctionnement est le même de façon générale. Il s'agit d'une régulation par largeur d'impulsion. Le régulateur génère un train d'impulsion de fréquence fixe, de l'ordre de 100 à 200KHertz, mais de rapport cyclique variable.

Je dois dire que ce circuit m'a laissé perplexe au point où j'ai vérifié le schéma à partir du circuit imprimé 3 fois plutôt qu'une. Ça ne ressemble pas à un convertisseur abaisseur de tension habituel (buck converter). La chaîne de DELs est branchée en parrallèle avec BL2 et la diode D1 de sorte que la cathode de la chaîne de DELs se retrouve sur le positif de l'alimentation et l'anode est connectée sur la cathode de D1. La chaîne de DELs n'est pas connectée directement au moins de l'alimentation.

fonctionnement du circuit

Lorsque la tension du secteur est appliquée à l'ampoule le condensateur C3 se charge rapidement vers 170VDC en même temps que le condensateur C6 se charge à travers BL2 et D1 la diode DS2 de type TVS protège le condensateur C5 et la chaîne de DELs contre une tension inversée. Puisque le seul chemin entre le plus et le moins de l'alimentation est à travers C6, une fois celui-ci chargé le courant cesse de circuler à travers BL2 et D1. Le champ magnétique de BL2 s'effondre et génère une tension inversée à ses bornes. C'est là que la diode DS2 joue son rôle le plus important, protéger C3 et la chaîne de DELs contre les surtension. Ces diodes absorbent les transitoires en sens inverse de leur conduction normale lorsque la tension dépasse le seuil de protection. Cependant le seuil de protection de DS2 doit-être suffisamment élevé pour permettre à C5 de se charger au voltage de fonctionnement de la chaîne de DELS, soit environ 40 volts.

Le contrôleur 1S96-3GS commece à fonctionner et commute son transistor NFET par impulsion. Ce transistor de puissance pendant sa phase active connecte directement BL2 entre le plus et le moins de l'alimentation. l'inductance commence à laisser passer du courant et accumule de l'énergie dans son champ magnétique. Lorsque le transistor coupe encore une fois l'effondrement du champ magnétique de BL2 inverse la tension aux bornes de celle-ci et l'énergie se transfert dans C5.

Le voltage aux bornes de C5 est proportionnel à la durée des impulsions. Le 1S96-3GS contrôle le courant qui circule dans BL2 en mesurant le voltage aux bornes de R5 et R6 qui sont branchées en parralèle entre les broches 3 et 4. Si le voltage est trop bas la largeur des impulsions envoyé sur le gate du NFET est augmentée et vice-versa. C'est ainsi que la bonne valeur de l'alimentation des DELs est maintenue.

J'ai mesuré le courant d'une de ces DEL à une tension d'alimentation de 3.2 volt il est d'environ 250mA.

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