Convertir un ampli à transistors Germanium vers du Silicium ?

Le problème

Bon nombre des premiers amplificateurs à transistors de jukeboxes datent des années 1956-1969 et sont équipés totalement ou partiellement de transistors au germanium (Ge). Ces transistors ont été les premiers mis au point mais ont rapidement été remplacés par les transistors au silicium (Si), une fois les techniques de fabrication mieux maitrisées. Les transistors Ge sont plus fragiles, ont de grandes tolérances, et sont peu fiables (le courant de fuite peut les auto-polariser !). De plus, comme ils n'ont pas été utilisés longtemps, ils sont de plus en plus rares ... et vieux, donc encore moins fiables ! Et évidemment ils sont vendus de plus en plus chers alors que leurs performances ne le justifient pas ... Par exemple, je ne suis pas parvenu à trouver un exemplaire pour remplacer le pré-driver d'un ampli TSA1 dans un jukebox Console. Un autre cas vécu concerne les transistors de puissance, je cherche un grand classique, l'AD149, un PNP-Ge de puissance en boitier TO3, 50 Vce, 3,5A Ic. J'en trouve un petit stock à un prix raisonnable, mais dans un ampli ils ne fonctionnent pas correctement, le son est exécrable ! Voir l'explication à la fin de cette page au chapitre : gag final !

Au fil de mes dépannages, je suis de plus en plus ennuyé, car ces transistors germanium sont souvent claqués et posent les problèmes mentionnés ci-dessus, ce qui n'est pas bon pour nos clients et donc pour notre business. Alors que les transistors silicium ont des caractéristiques parfaites (pas de courant de fuite), sont robustes et fiables, faciles à trouver et pas chers ... Si je parviens à adapter les circuits pour installer des transistors silicium pour remplacer les vieux germanium, je gagne sur toute la ligne !

En principe cela ne devrait pas être si difficile car la différence principale est la tension de seuil, qui est de 0,2V pour le germanium et 0,6V pour le silicium. Ce qui demande quand même de recalculer les résistances de polarisation de la base. Étonnement, je trouve très peu d'information sur ce sujet sur internet, seul un site explique très clairement tous les aspects de cette conversion. Et il précise qu'il y a 4 différences : la tension de seuil, le gain en courant DC (habituellement 10x plus élevé !), le courant de fuite et le brochage des boitiers. L'occasion de pratiquer est vite venue ...

Test dans un circuit à faible puissance

A l'occasion de la réparation d'un jukebox Seeburg Console LPC1, je suis tombé sur un ampli TSA1 ... en panne sur un canal. C'est toujours pratique d'avoir un canal qui fonctionne, cela prouve que l'alimentation générale fonctionne et on a une excellente base de comparaison pour toutes les mesures. Comme expliqué par ailleurs, on peut, et il vaut mieux, enlever les transistors de puissance (ici Q115 et Q116) afin de ne pas risquer de les claquer bêtement pendant le dépannage. Vu que l'alimentation est de -42V (au lieu de -47V, car il est alimenté via une lampe de protection en série), le rail central doit toujours être au milieu, donc à -21V. Sur le bon canal c'est le cas, mais sur le canal défectueux je n'ai que -6V ! Il y a donc un problème de polarisation (équilibre au repos en tension continue). Je vérifie tous les composants, ils ont l'air OK, sauf le transistor Q112. Je débranche la base et mesure au multimètre en mode diode et la jonction base-collecteur est défectueuse. C'est un RCA 34573, un PNP au germanium (Vce=50V, Ic=150mA, hfe=100) ... totalement introuvable. Les tables d'équivalents Seeburg donne bien quelques autres références de transistors mais eux aussi sont introuvables. Le site alltransistors.com me donne encore 5 autres résultats ... tout aussi difficiles à trouver.

J'en ai marre, et pour toutes les autres raisons expliquées en introduction, il me faut une solution. Cela va me prendre un peu de temps, mais je vais savoir si c'est jouable. Je copie le schéma de l'ampli et efface tous les condensateurs afin de pouvoir mieux voir et comprendre les tensions continues au repos qui polarisent les transistors et équilibrent l'ensemble.

Le circuit autour du transistor PNP-Ge Q112 défectueux est calculé pour amener les 2 bases des transistors drivers Q113 et Q114 (PNP-Si !) à -21V à +-0,6V. Pour ce faire, je calcule que Ic de Q112 est de 4mA (Vc=-20,4V sur R159 + R158 + R160 + VseuilCR108). Le plan mentionne et je mesure également sur le bon canal Ve à -1,4V et Vb à -1,6V, l'écart Vbe est bien de 0,2V, la tension de seuil d'un transistor germanium. Le réseau (R155+R154)//R156 donne une résistance équivalente EqR de 32kohms, et le pont diviseur de -21V sur EqR et R157 me donne également très exactement une Vb de -1,6V. Parfait. Il me reste à recalculer le pont diviseur pour obtenir le nouveau Vb qui devra être de -2V pour polariser correctement un transistor silicium. Mes calculs m'indiquent qu'en principe il me suffit de remplacer R157 de 2,7k à 3,6k. Par contre, ce transistor doit travailler en classe A, polarisé au point de fonctionnement central et pas en classe B, polarisé à la tension de seuil. Donc Vb devrait être un peu plus haut, genre -2,3V ou -2,4V.

Il me reste à trouver un transistor silicium équivalent à l'original. En fouillant dans mon stock je prends un A92 (Vce=300V, Ic=0,5A, hfe>=100), c'est le transistor haute tension utilisé dans les afficheurs des flippers Bally ! Avec mon super testeur de composants, je choisis l'exemplaire le plus proche d'un gain DC de 100 et je monte le tout. J'allume fébrile et ça marche ... pas du tout ! Grosse distorsion ! En mesurant Vb je vois qu'il n'a pas bougé beaucoup, je suis loin des -2V. Je pense que mon calcul de EqR est très approximatif car en réalité il y a des condensateurs et les résistances du réseau ont des tolérances, il m'est impossible de mesurer EqR réel. De plus le nouveau transistor a également ses caractéristiques propres. J'augmente progressivement la valeur de R157 et lorsque j'arrive à -2,5V le signal est parfait ! J'ai finalement dû mettre 8,2k + 2,7k pour obtenir la polarisation correcte. C'est ça la différence entre la théorie et la pratique ! Mais il faut faire le calcul théorique pour bien comprendre les principes et mettre des valeurs de composants sûres, et puis en fonction des résultats on peut moduler à partir d'un bonne base.

Les transistors de puissance sont des germanium et ils sont bons, donc je les remonte tout simplement. Le résultat sonore s'entend sur la vidéo à la fin de la page sur le Console LPC1. Fort de ce succès et toujours grâce au site, j'ai ensuite attaqué la conversion sur la partie puissance d'un ampli TSA10 !

Test dans un circuit de puissance

Dans mon stock de pièces, j'ai retrouvé un ampli TSA10 que mon partenaire avait acheté au salon de Rosmalen (NL), mort de chez mort évidemment. Quelqu'un avait déjà remplacé les 4 transistors drivers (siliciums) par des BD243C/BD244C et cela avait été bien fait, car le boitier est différent des originaux mais il a été bien isolé la plaque collecteur de la masse du chassis tout en utilisant le chassis comme radiateur thermique. Les transistors sont OK. Finalement je trouve une résistance de puissance grillée et une autre qui provoque un court-circuit !

J'avais acheté un stock de transistors de puissance germanium AD149 (Vce= 50V, Ic=3,5A, hfe=50) mais après montage, les tests étaient mauvais : distorsion ! Je me suis dit que c'était sans doute les transistors drivers qui n'étaient pas adéquats, et vu que je n'avais pas de bons équivalents aux originaux et que je n'avais pas besoin directement de l'ampli, j'ai remisé cette opération à plus tard. Il faut aussi dire que remettre les drivers proches des originaux c'est beaucoup de travail, de plus il faut retrouver les radiateurs, rondelles à épaulement, disques mica, ... pour les monter correctement. Pas évident, et rien ne prouve que c'est ça le problème, car les caractéristiques des BD243/244 sont bonnes.

Il est intéressant de noter que, déjà à cette époque, Seeburg (et les autres constructeurs) avaient réalisés des designs hybrides avec des transistors germanium et silicium. Les siliciums étant bien meilleurs mais sûrement beaucoup plus chers. Après les amplis TSA, Seeburg est passé au full silicium avec les amplis SHP. En comparant les schémas de ces 2 générations d'amplis (voir ci-dessous) on constate les différences remarquables suivantes :

• alimentation unique de -46V sur TSA et alimentation symétrique + et -32V sur SHP,
• transistors de puissance germaniums PNP sur TSA et siliciums NPN sur SHP,
• résistances de base des transistors de puissance de 75 et 33 ohms sur TSA et de 100 ohms sur SHP,
• condensateurs de 10nF entre base et collecteur des transistors de puissance sur SHP.

Donc en principe, il me faut remplacer les résistances de base des transistors de puissance et y faire traverser un courant continu qui génère 0,6V à leurs bornes pour polariser les transistors au point de départ de conduction, soit 6 mA puisqu'on a une résistance de 100 ohms. Je considère que les résistances d'émetteurs sont négligeables (0,75 ohm). Le circuit de sortie des drivers donnait déjà cette gamme de courant (0,2V sur 75 ohms = 3,5mA et 0,2V sur 33 ohms = 6mA), donc le circuit de polarisation des drivers ne devrait pas être modifié outre mesure. Je remplace les résistances des bases des transistors de puissance et j'essaie de règler le bias en jouant sur le trimpot de polarisation des drivers, mais je n'arrive qu'à 1,5V (entre les points rouges du schéma). C'est insuffisant pour générer les 6mA requis en sortie, sur un ampli SHP il faut être à 1,65V entre les 2 bases des transistors drivers.

Mais une chose après l'autre, je teste déjà cette modification sans transistors de puissance ... et le rail central se place bien au centre à 0V. Le signal alternatif est pas mal déformé mais c'est normal puisque le bias n'est pas encore bon et il manque les transistors de puissance. Le principal est que tout est stable, sans échauffement.

Maintenant il me faut choisir les nouveaux transistors au silicium à greffer dans l'appareil ! Attention, au vu des alimentations, je dois garder des PNP ! Ne pas faire l'erreur de mettre des NPN comme dans les SHP, je ne convertis pas un ampli TSA en un ampli SHP ! Je convertis de Ge à Si, ce n'est pas la même chose ...

Pour un PNP, Si, >60 Vce, >60 hfe, 7A Ic et en boitier TO3 voici les résultats obtenus sur ce site, il n'y a que l'embarras du choix ! Comme tous les filtrages ne sont pas possibles directement sur le site, il suffit de copier la liste en excel et de filtrer et de trier suivant les besoins. Je vois un grand classique disponible partout, le MJ21193 (Vce=250V, Ic=16A !), il est à 6€ chez Digikey. Mais je teste sur un canal avec deux BDX64B (Vce=100V, Ic=12A) de mon stock, ce n'est pas idéal car ce sont des darlingtons (gain=1500 !), mais c'est tout ce que j'ai sous la main. Je démarre prudemment (lampe en série dans l'alimentation secteur) et tout reste bien stable, le courant de collecteur de sortie est quasi nul, logique les transistors sont "fermés" par le biais minimum. J'applique une sinusoïde en entrée et je n'en vois que des bouts en sortie :  l'ampli oscille en descente ! Logique vu le gain !

Etouffement des oscillations

Classique. Seul Seeburg avait compris l'importance d'étouffer les oscillations en ajoutant des petits condensateurs de 10nF au plus près (sous le radiateur) entre base et collecteur de tous les transistors de puissance. Wurlitzer (Wurlitzer Americana 3700) n'en n'a jamais mis et Rock-Ola (Rockola 460) un sur 2 ! J'ai déjà éliminé ces oscillations sur une bonne dizaine d'amplis avec ces simples capas. Ici le grand radiateur est complexe à retirer, on arrive juste à le soulever, l'accès n'est donc pas facile et je finis par monter des capas de 100nF (au lieu de 10nF) simplement parce qu'elles ont des fils plus longs qui me permettent de les souder en utilisant une pince à long bec ... Le résultat est immédiat, le signal est stable et net, voir oscillogramme ci-dessous.

Comme le trimpot de bias ne me permet pas de régler les 1,65V requis pour obtenir la bonne polarisation des transistors drivers ET en conséquence celle des transistors de puissance, il me faut polariser le transistor prédriver Q5106 un peu plus haut, en modifiant la tension de base fixée par le pont diviseur R5119 et R5120. Le plus simple est de diminuer la valeur R5119 de 110 kohms en testant avec diverses résistances soudées temporairement en parallèle.

Les oscillogrammes ci-dessous, à comparer avec le précédent, montrent l'onde avec R5119 de 100k, 82k et 68kohms pour monter la tension de base de 0,8V à 1,4V et induire une tension de 1,65V entre bases des drivers. L'amélioration est très claire et le son est nickel !

Petit détail à ne pas oublier : indiquer sur le chassis que les circuits ont été modifiés pour accepter des transistors siliciums !

Gag final

Pour faire fonctionner le 2^ème canal il me faut 2 autres transistors de puissance PNP ... mais je n'en ai plus en stock. Je regarde mes AD149 germanium qui fonctionnaient mal dans cet ampli, alors que l'ampli finalement était parfaitement opérationnel .... bizarre ... mes neurones s'enclenchent ... et si ces transistors n'étaient pas des AD149 malgré l'inscription ? J'ai déjà eu des contrefaçons (voir page disco 4) ... et si c'était des siliciums ? Je mesure avec mon testeur de composants et ... bingo ! Tension de seuil = 0,6 V et hfe=224 ! Incroyable, c'est bien un transistor silicium !

C'est fou de faire ça ! Mon hypothèse est que des vendeurs se retrouvent avec des tonnes de transistors de "faible" puissance que plus personne n'achète et ils essaient de les écouler. C'est logique car des transistors qui tiennent 250V et 16A sont monnaie courante de nos jours et pas plus cher que les autres. Donc les vendeurs les écoulent sous le nom d'autres anciens modèles encore demandés ... Vont-t-ils claquer ? En tous cas, ils tiennent déjà très bien la tension d'alimentation. Pour être cohérent, j'ai finalement mis des faux AD149 partout et récupéré les BDX64B. On verra à l'usage.

En conclusion, le vendeur a essayé de me rouler, mais finalement ce sont peut-être de bons transistors au silicium pour cette application-ci, je me demande si je ne vais pas aller lui en racheter ! Ahaha, c'est marrant ! Bref, j'ai testé et mis au point une méthode simple pour convertir les amplis qui utilisent des transistors germanium et les rendre fiables et robustes à prix réduit. Génial, non ? Voici le résultat sonore :

Et finalement, le résultat sonore !

A propos des condensateurs d'étouffement des oscillations

Quand on souhaite étouffer les oscillations avec un condensateur de 10nF entre base et collecteur des transistors de puissance, il vaut toujours mieux les installer au plus près, c'est à dire sous le radiateur de refroidissement. Sur les amplis TSA, les fils sont courts et l'accès est vraiment difficile, et dessouder les fils vers les transistors de puissance est tout aussi délicat voire risqué, car la moindre erreur serait fatale pour l'ampli.

Lors de la réparation d'un autre ampli TSA (non adapté aux transistors silicium), il oscillait et j'ai tenté de monter les 4 condensateurs à un endroit plus éloigné des transistors de puissance mais bien plus accessible : sur les barrettes sous châssis où sont soudés les drivers. Et bien ça marche sans problème ! C'est tellement plus simple ...