Ce schéma de limiteur audio ne comporte aucun transistor Mosfet ou Jfet ou ampli à transconductance délicat à comprendre et à utiliser. Sa variation de gain ne repose que sur des diodes.
Pour éviter une saturation excessive de l'ampli audio qu'on utilise, on souhaite avoir une amplitude de sortie qui varie avec l'amplitude d'entrée comme sur le graphique ci dessous :
Il ne s'agit pas de la tension instantanée, mais de la valeur efficace. Le limiteur n'écrête pas le signal d'entrée, mais l'atténue dans sa globalité, comme si on tournait le bouton de volume de l'ampli pour "baisser le son".
Principe du limiteur audio
Le limiteur repose sur un pont diviseur à 2 résistances. La résistance commandée agit sur l'atténuation de la sortie. Plus cette résistance est faible, plus la sortie est atténuée. Le but est de garantir une atténuation variable qui s'adapte à la tension d'entrée.
La résistance commandée se base sur la variation de résistance dynamique d'une diode dans le "coude" de sa caractéristique. La résistance dynamique Rd (en Ohms) d'une diode est donnée par la relation :
Rd = 0.026V / I (à 25°C)
I est le courant (en Ampères) qui circule dans la diode (en sens passant).
La plupart des limiteurs décalent la valeur moyenne du signal (par une capacité de liaison pour polariser un transistor) , ce qui peut créer un gênant "ploc" ou "toup" dans les enceintes lorsqu'ils entrent en action. Un montage symétrique basé sur 2 diodes permet d'éviter cela. Chaque diode est connectée à une tension variable de façon symétrique : +Vc et -Vc.
Schéma et étude du limiteur de puissance audio simple
Voici le schéma du limiteur audio (tant attendu) :
Tout d'abord, on constate qu'il y a 5 diodes en série. Ceci garantit une faible distortion du signal jusqu'à une amplitude de 1.5V à 2V crête. On a une marge par rapport à une sortie de lecteur CD (1V crête max) ou de PC portable (encore plus faible).
Le schéma du limiteur audio se décompose en blocs.
La tension Vref est une tension continue réglable. C'est le seuil du limiteur audio. Si on le règle à 1.5V, le signal audio sera limité en sortie entre 1.5V et -1.5V (amplitude crête à crête).
Fonctionnement du limiteur audio :
Si le signal audio d'entrée ne dépasse jamais (en crête) la tension Vref, la sortie du comparateur IC1 est toujours au niveau bas. Pour la simplicité, il n'y a pas d'hystérésis sur IC1. La tension de commande Vc issue du détecteur de crête est nulle. Les diodes sont bloquées et il n'y a pas d'atténuation. En fait, il y a un peu d'atténuation parce que l'impédance d'entrée de l'ampli branché au limiteur forme un pont diviseur avec R1+R2 (11kOhms).
Si le signal audio d'entrée dépasse Vref, le comparateur bascule au niveau haut, et charge C1 via R3 et D1 (détecteur de crête). La tension Vc monte à quelques Volts(2 à 5V typiques). Symétriquement, l'ampli inverseur (IC2) crée une tension -Vc. L'atténuation variable entre en action (encadré orange) et réduit l'amplitude du signal de sortie jusqu'à ce que l'entrée non inverseuse atteigne tout juste Vref.
Lorsque le signal audio d'entrée rediminue, C1 se décharge à travers R4 (impédance d'entrée de l'inverseur) et R7 en série avec les 5 diodes. La constante de temps doit être choisie assez faible pour que l'atténuation cesse assez vite (0.2 à 0.5s environ = "temps de relâchement" = "release time") si le niveau audio d'entrée redescend à une valeur convenable. Mais elle doit être assez grande pour que sur une fréquence de 20Hz, Vc varie peu et que l'atténuation soit constante sur une période (50ms). Sinon, il y aurait une forte distortion du signal audio.
La régulation de la tension crête maximale a lieu au point milieu entre R1 et R2. Cela signifie qu'une fois le limiteur entré en action, plus le niveau d'entrée augmente, plus le niveau de sortie baisse, de telle sorte qu'entre R1 et R2, le niveau reste constant. Avec le rapport R1/R2, une augmentation de 1V du niveau d'entrée entraîne une diminution de 0.1V du niveau de sortie. C'est à dire que si on continue à "augmenter le son" sur la table de mixage par exemple, le son réduira légèrement d'intensité au fur et à mesure. C'est un choix de prudence. R2 peut être remplacée par un fil.
LED du limiteur audio (en option !)
Une LED peut indiquer que le limiteur est en action. R9 définit le courant maxi dans la LED. La LED est reliée au - de l'alim de l'ampli de puissance pour éviter de consommer du courant sur l'alim négative des ampli op. Tout l'encadré violet peut être supprimé si on ne souhaite pas cette option !
Atténuation maximale
L'atténuation maximale est obtenue avec une tension Vc élevée (5V environ), il reste toujours R7 et R8 si la résistance dynamique des diodes tend vers zéro. Le modèle équivalent est alors R7//R8 connectées à la masse.
Le gain vaut alors : 1.65/(1.65+11) = 0.13
L'atténuation maximale vaut -18dB (=20log(0.13)). Cette valeur est largement suffisante. En pratique, on obtient -15 ou -16dB d'atténuation maximale.
Si on continue à augmenter le niveau audio d'entrée, le niveau audio de sortie sera proportionnel à l'entrée. Le limiteur ne limitera "pas plus".
Ampli op du limiteur audio
On peut choisir un TL072 qui a l'avantage de contenir 2 ampli op en un boitier. Le choix n'est pas critique. Remarquons que le signal audio ne passe pas par les amplis op !
Alimentation du limiteur audio
Il faut alimenter les ampli op (ou le TL072) et créer la tension de seuil Vref
La mise en cascade de 2 diodes zener fournit une tension très stable (6.73V à 25V d'alim, 6.75V à 50V d'alim).
Vref se règle par potentiomètre en fonction de la tension maxi que l'ampli peut envoyer aux haut parleurs). La tension +25...50V correspond à l'alimentation de l'ampli de puissance qu'on utilise (eh oui, il faut ouvrir l'ampli). On peut aussi utiliser une petite alim externe de 2 VA.
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