Le principe même d’amplification acoustique existe depuis très longtemps. L’architecture intérieure des théâtres et des cathédrales était pensée pour amplifier le son par exemple. Les instruments de musique également fonctionnent sur ce même principe de résonance, étant toujours constitués d’une manière ou d’une autre d’une « caisse de résonance ». L’amplification en électronique est apparu avec l’invention du tube, ou lampe, par Lee de Forest en 1907. Les premiers amplificateurs furent créés à base de tubes, puis l'utilisation à partir de 1948 de transistors bipolaires et de transistors à effet de champ (MOSFET) les démocratisa.
Apres l’établissement du cahier des charges de l'ampli, nous déciderons du circuit à réaliser. Sa conception fait l’objet d’une partie informatique, pour tracer le typon, et d’une partie pratique (gravure des pistes et soudures). Nous finirons par les tests et la vérification du cahier des charges de l'ampli
Cahier des charges de l'ampli guitare 50W
Puissance de l'ampli : 20 à 50 Wrms. (la puissance supportée par le haut parleur est de 75 Wrms). Si l’on veut une puissance de 50 Wrms par exemple, l’impédance nominale de l’enceinte étant de 8 Ohms, il nous faut une tension de sortie de 20 Veff. La tension de sortie du préamplificateur étant de l’ordre du volt, le gain Av doit être d’environ : Av ~ 20
Impédance de sortie : aussi faible que possible pour avoir un meilleur facteur d’amortissement (impédance de l’enceinte / impédance de sortie), ce qui aura pour effet d’avoir un meilleur contrôle de la membrane, d’où un son plus «ferme». Un facteur d'amortissement de 100 à 2000 est typique.
Bande passate souhaitée : 50-18000 Hz (-3 dB).
Budget : 40 euros pour la réalisation de l'ampli de puissance.
Cet article présente la conception de l'ampli de puissance. Il ne s'agit ni du préampli, ni de l'enceinte acoustique.
Etage de sortie de l'ampli guitare 50W
La distorsion harmonique que produit une lampe est supérieure à celle d’un transistor, ce qui paradoxalement est apprécié des musiciens car il confère un son moins neutre. Le préamplificateur garantissant la qualité sonore recherchée, et compte tenu des problèmes d’encombrement, de surchauffe, de faible puissance, et de coût inhérents aux lampes, l'ampli de puissance est basé sur des transistors bipolaires.
Détails du schéma de l'ampli de guitare 50W : partie puissance
Cherchant un circuit pouvant délivrer une puissance d’environ 50 watts efficaces, nous avons trouvé une solution attractive par sa simplicité. Il fonctionne avec une tension d'alimentation simple (+70VDC) et un condensateur de liaison relie le haut parleur à l'ampli.
Amplificateur de puissance complet
Dorénavant les tensions statiques seront données en MAJUSCULES tandis que les tensions dynamiques seront en minuscules.
On peut représenter les différents étagesde l'ampli par le schéma bloc suivant :
Ici, le bloc A est l‘ amplification en tension, et B représente la contre-réaction
(B = R12 / (R12+R5)). A est de l'ordre de 100 000.
Etage d'entrée de l'ampli
Etage d'entrée de l'ampli
L'étage d'entrée (Q1) est un étage différentiel. Il ne s'agit pas d'une paire de transistors identiques et appariés, mais d'un unique transistor. L'entrée non inverseuse correspond à la base, l'entrée inverseuse à l'émetteur et la sortie est prise sur le collecteur de Q1. La tension de sortie (analyse en petit signal) intermédiaire v1 (aux bornes de R4) dépend ainsi de vbe par la relation suivante :
v1 = (R4 * β_Q1 / hie_Q1) * vbe
hie_Q1 est la résistance base-émetteur de Q1 (=26mV/Ib)
Le diviseur R1/R2 donne une tension à la base de Q1 de Vcc/2, ici 35V. C2 permet de créer une masse dynamique en ce point milieu. L'impédance d'entrée est donnée par R3 (100k), et C1 constitue avec R3 un filtre passe haut.
Etant donné que R5=R4, et supposant le courant de base de Q2 faible devant celui traversant R4, la tension aux bornes de R5 vaut environ celle aux bornes de R4, c'est à dire 0.7V (Vbe de Q2). L'offset total est donc de l'ordre de 1.4V. Ici, ce n'est pas un problème parce que le haut parleur est découplé par C5. La tension statique au point milieu de R10-R11 est donc d'environ 35-1.4=33.6V.
La contre-réaction prend la forme de R5-C4-R12 et génère une atténuation du gain qui tend vers un gain unitaire aux fréquences très basses. Le gain dans la bande de fréquences à reproduire est donné par : Gain = 1+R5/R12.
Etage amplificateur en tension
Etage amplificateur en tension
Cet étage a pour but d'amplifier en tension avec un gain aussi grand que possible (ici, le gain s'exprime par vce / vbe de Q2). Il est basé sur Q2. Q2 fonctionne en classe A en émetteur commun, ce qui est habituel dans les amplificateurs, et le collecteur est relié à une source de courant (impédance de sortie très grande) pour un gain en tension dynamique plus élevé (|Av| = gm.Rc). Cette source de courant est constituée d'un condensateur C5 (bootstrap) et d'une résistance R6 qui fixe la valeur du courant statique, la particularité de ce montage est que le condensateur de bootstrap et celui de liaison ne forment qu'un seul et même composant !
Montage Bootstrap reprenant astucieusement le condensateur de liaison
R7 permet l'écoulement d'un courant si le haut parleur n'est pas branché.
R13 et C6 est un réseau de Boucherot classique pour la stabilité de l'ampli (éviter les oscillations haute fréquence).
D1, D2 et D3 réduisent la distorsion de croisement de l'étage de sortie de l'ampli. Elles sont polarisées en direct et il se trouve aux bornes de cet ensemble 3x0.7V=2.1V. Il faudra veiller à ce que les diodes soient en contact thermique avec les transistors de puissance pour éviter un emballement thermique : en effet, la tension Vbe décroissant de 2mV/°C environ pour un courant collecteur donné, lorsque les transistors s'échauffent, le courant collecteur augmenterait et produirait un échauffement supplémentaire, ce qui mènerait à une destruction des composants.
Etage de sortie de l'ampli : quasi complémentaire des années 1970
Etage de sortie n'utilisant que des NPN de puissance : structure quasi complémentaire
L'étage de sortie prend la forme d'un Darlington (Q3-Q4) et d'un pseudo Darlington (Q5-Q6). Presque tous les amplis conçus il y a une trentaine d'années utilisaient le transistor de puissance NPN 2N3055, un modèle ancien très connu et qui n'avait pas de complémentaire PNP de puissance équivalent, même à un prix supérieur. C'est pourquoi il était fréquent d'utiliser un étage de sortie "quasi complémentaire", jusqu'à ce que des transistors PNP de puissance soient devenus monnaie plus courante. On a pourtant démontré dans les années 1970 que le rendu sonore des étages "quasi complémentaires" était meilleur que celui des étages tout à fait complémentaires, avec deux Darlington. C'est cette solution qui a été retenue.
Transistors de puissance 2N3055
Les résistances R8 et R9 permettent une commutation plus rapide des transistors de puissance et un blocage fiable, autrement dit un meilleur fonctionnement. Les résistances d'émetteur R10 et R11 permettent de réguler le courant de repos circulant dans les transistors de sortie pour limiter les risques d'emballement thermique.
Les tensions statiques théoriques sont donc comme indiquées ci dessous :
Amplificateur complet avec tensions statiques théoriques
Dimensionnement des deux radiateurs : résistance thermique
Les transistors utilisés étant en boîtier métal TO3, il n'est pas commode de les fixer au circuit imprimé, ce qui incite à les placer sur deux radiateurs distincts, évitant ainsi l'isolant électrique (mica) entre le boîtier et le radiateur. Chaque radiateur est au potentiel du collecteur du transisor. Les deux radiateurs ne doivent jamais se toucher électriquement. On réduit la résistance thermique de 0.2 à 0.5°C/W, la résistance thermique de contact (avec pâte conductrice sans mica) n'excède pas 0.1°C/W. Quelques marques d'amplificateurs de grande puissance pour sonorisation utilisent ce principe, en prenant soin d'isoler électriquement les radiateurs.
La tension d'alimentation de l'ampli vaut +70V, c'est à dire qu'il se trouve 36.4 V aux bornes de Q4 (NPN) au repos. Sa dissipation instantanée sera maximale lorsque Vce = 36.4/2=18.2V, ce qui correspond à 18.2V aux bornes de la charge (8 Ohms), ce qui donne 2.3A. On a négligé la chute de tension dans R10 (ou R11) et la variation de tension aux bornes de C5. La puissance est donc 18.2x2.3 = 41W.
Le constructeur donne une résistance thermique de 1.5°C/W et une température de jonction de 200°C pour le 2N3055.
Tj - Tamb = Pmax * (Rrad + Rcontact + Rjc)
Rrad = (Tj - Tamb) / Pmax - Rcontact – Rjc
La température ambiante pourra monter jusqu'à 50°C dans des conditions défavorables comme un éclairage venant de puissants projecteurs de scène.
Rrad= (200-50) / 41 - 0.1 - 1.5
Rrad= 2.06°C/W
On aurait pu tenir compte de l'impédance thermique transitoire, mais on ne connaît pas à l'avance la fréquence audio à reproduire. Nous avons donc choisi le cas le plus défavorable (régime continu et non puissance impulsionnelle). Par ailleurs, la dissipation thermique des transistors dépend de l'impédance du haut parleur, elle varie fortement avec la fréquence et crée un déphasage courant / tension.
Les radiateurs pourront être montés à l'intérieur de l'ampli de guitare. En pratique, deux grandes plaques en alu de 10 x 40 cm et 2 ou 3mm d'épaisseur font très bien l'affaire !
Alimentation de l'ampli
Pour obtenir 60 à 70V continus, on peut utiliser un transformateur de 40V à 50V au secondaire. La puissance du transfo doit être de 50 à 100VA. Un pont de diode redresse la tension secondaire lissée par un condensateur 4700uF de 80V ou 100V. Une valeur minimale de 2200uF est souhaitable.
Transfo torique 50VA 2x24V (mettre en série les 2 enroulements)
Merci pour toutes ces infos.
RépondreSupprimerMerci beaucoup je peux avoir un chema multifilaire de puissance ?
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