Un impédancemètre pour haut-parleur

 Pour mesurer l’impédance d’un haut-parleur, il faut un générateur BF capable de fournir une onde parfaitement sinusoïdale de fréquence allant de 20 Hz à 20 kHz : en faisant passer un courant constant entre les bornes du haut-parleur, on peut alors en connaître l’impédance. C’est ce que se propose de faire l’inpédancemètre pour HP que nous vous invitons à réaliser.

On ne trouve guère d’impédancemètre pour haut-parleur ou casque à écouteurs dans un labo d’électronique et beaucoup s’imaginent que, pour effectuer une telle mesure, un ohm-mètre suffit. Or, ce n’est pas le cas, votre ohm-mètre n’indique pas l’impédance de votre haut-parleur et, sil’étiquette la mentionnant a disparu, l’impédance reste inconnue : 4 ohms, 8 ohms ? Comment savoir ? En effet, pour mesurer l’impédance d’un haut-parleur, il faut un générateur BF capable de fournir une onde parfaitement sinusoïdale à la fréquence de 1 kHz, car c’est là la fréquence pour laquelle le constructeur a établil’impédance caractéristique du haut-parleur.

Notre réalisation
Notre générateur peut fournir des ondes sinusoïdales de fréquences allant de 20 Hz à 20 kHz environ : cela afin de vous permettre de voir comment varie l’impédance d’un haut-parleur en fonction de la fréquence, mais aussi de déterminer la fréquence de résonance de la membrane. La demie gamme allant de 20 Hz à 1 kHz sert à trouver la valeur de l’impédance d’un haut-parleur “inconnu” (à tester), mais aussi sa fréquence de résonance en air libre et en enceinte acoustique (voir figure 1), la demie gamme allant de 1 kHz à 20 kHz pour voir comment varie l’impédance en fonction de la fréquence de travail. Connaître la valeur de l’impédance d’un haut-parleur est fort utile car, sinous relions un haut-parleur de 8 ohms à la sortie d’un étage final BF de puissance réclamant une charge de 4 ohms, la puissance sonore obtenue sera moindre. Siau contraire nous relions un haut-parleur de 4 ohms à la sortie d’un étage final nécessitant une impédance de charge de 8 ohms, nous encourrons le risque d’endommager les transistors finaux car nous obligerons l’amplificateur à fournir un courant plus élevé que prévu. Par exemple, sinous avons un étage final de 60 W conçu pour une charge de 8 ohms, les transistors finaux devront fournir un courant maximal de : ampère = racine carrée de watt : ohm ce quidonne :
racine carrée de 60 : 8 = 2,73 ASià la sortie de cet étage final nous relions une charge de 4 ohms, les transistors finaux devront fournir un courant nettement supérieur :
racine carrée de 60 : 4 = 3,87 ACet exemple démontre qu’en changeant la valeur de l’impédance d’un haut-parleur on change aussi sa consommation de courant, donc le courant que l’étage final doit luifournir, ainsique la puissance sonore. Mais vous vous demandez peut-être dans quelle mesure l’impédance d’un haut-parleur peut varier : en luireliant notre appareil, vous vous rendrez compte que sa fréquence de résonance peut augmenter, même nettement, par rapport à l’impédance caractéristique inscrite dessus (voir figure 1) et cela parce que le cône, à cette fréquence précise, présente une inertie mécanique augmen tant pendant son mouvement d’avant en arrière. Quand ensuite on insère le hautparleur dans une enceinte acoustique, la valeur de sa fréquence de résonance augmente de quelques dizaines de Hz et, pour la réduire, dans les enceintes acoustiques de type “bass-refl ex” se trouve un tube résonateur réglé de façon à diminuer le plus possible cette fréquence, afin d’augmenter ainsile rendement des basses et des super-basses. Pour mesurer la valeur de l’impédance de n’importe quel haut-parleur ou casque, ainsique pour savoir comment varie l’impédance en fonction de la fréquence, nous avons conçu cet instrument de mesure simple.

 Figure 1 : L’air exerce sur le cône du haut-parleur une force qui, à une certaine fréquence produit une “résonance mécanique”. Le pic A du dessin est la valeur de la fréquence de résonance d’un haut-parleur en air libre, le pic B la fréquence de résonance de ce même haut-parleur lorsqu’il est monté dans une enceinte acoustique. En A, nous avons une impédance de 100 ohms à une fréquence d’environ 50 Hz et en B une impédance de 40 ohms à une fréquence d’environ 70 Hz.

Schéma électrique
La figure 2 donne le schéma électrique complet de ce générateur d’ondes sinusoïdales BF. Commençons la description par le circuit intégré IC1, un générateur à pont de Wien TDA7052 ou TDA7052B, capable de fournir en sortie un signal à très faible distorsion : ce circuit intégré est un petit étage final BF et nous l’utilisons comme oscillateur BF (voir figure 4 son schéma synoptique et son brochage). Pour obtenir le pont de Wien, nous nous servons d’un double potentiomètre R1/R3 et d’un double inverseur S1-A/S1-B lequel, insérant dans le circuit diverses valeurs de capacité, permet d’obtenir les différentes gammes de fréquences : - quand, dans le circuit, sont insérés C1 et C3 de 1 μF (position A), le circuit intégré fournit en sortie la gamme de fréquences comprise entre 20 Hz et 1 kHz environ, - quand, dans le circuit, sont insérés C2 et C4 de 39 nF (position B), le circuit intégré fournit en sortie la gamme de fréquences comprise entre 500 Hz et 20 kHz environ. Des broches de sortie 8 et 5 de IC1 sortent deux signaux parfaitement identiques, mais en opposition de phase, que nous exploitons ainsi: - sur la broche 8 nous prélevons, à travers le condensateur polyester C11, le signal sinusoïdal produit en l’appliquant à l’entrée inverseuse du premier amplificateur opérationnel IC2-A, - sur la broche 5 nous prélevons le signal sinusoïdal opposé à travers le condensateur électrolytique C10 et nous l’appliquons sur la prise de sortie vers le fréquencemètre, que nous utiliserons pour connaître la valeur de la fréquence produite. Ensuite, à travers le second condensateur électrolytique C9, le même signal est envoyé aux diodes redresseuses DS1 et DS2 et la tension continue obtenue est utilisée pour piloter la base de TR1, dont le collecteur est relié à la broche 4 de IC1 laquelle, comme le montre la figure 2, est la broche de contrôle de volume. Donc, une fois le trimmer R9 réglé sur la valeur d’amplitude requise, sicette dernière augmentait, TR1 réduirait l’amplification de IC1. Siau contraire l’amplitude diminuait, TR1 augmenterait l’amplification : nous obtenons ainsien sortie un signal d’amplitude constante sur toute la gamme des fréquences produites. Cecidit, revenons au premier amplificateur opérationnel IC2-A, utilisé comme générateur de courant constant en alternatif, capable de fournir en sortie un courant fixe de 10 mA. Ce courant est appliqué par deux prises croco aux bornes du haut-parleur à tester. Étant donné qu’à travers le haut-parleur passe un courant constant, à ses bornes est disponible une tension dont nous pouvons trouver la valeur avec la formule :
mV = mA x ohmDonc, aux bornes d’un haut-parleur de 8 ohms, nous trouverons une tension alternative de :
10 x 8 = 80 mVEt aux bornes d’un haut-parleur de 4 ohms une tension alternative de :
10 x 4 = 40 mVAlors qu’aux bornes d’un casque de 32 ohms, nous trouverons une tension alternative de :
10 x 32 = 320 mV soit 0,32 VLa valeur de la tension alternative présente sur ces douilles est prélevée par l’électrolytique C13 et appliqué sur la broche d’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel IC3-A, utilisé comme redresseur idéal double alternance capable de redresser avec précision même les plus petites variations de tension. Note : R18 et R19, de 10 k et 56 k, sont en parallèle pour obtenir une valeur résistive de 8,485 k. La tension continue présente à la sortie de IC3-A, est appliquée à l’entrée non inverseuse du troisième amplificateur opérationnel IC3-B, utilisé seulement comme étage séparateur. Cet amplificateur opérationnel n’amplifie aucun signal et n’est utilisé que pour transformer l’impédance élevée du signal fournipar IC3-A en un signal basse impédance permettant d’utiliser tout type de multimètre, numérique ou analogique. Le dernier amplificateur opérationnel IC2-B est utilisé pour obtenir une masse virtuelle égale à la moitié de la tension fournie par la pile de 9 V.

 Figure 2 : Schéma électrique du générateur BF capable de fournir des ondes parfaitement sinusoïdales. Sil’on place l’inverseur S1-A/S1-B en position A, on obtient en sortie toutes les fréquences comprises entre 20 Hz et 1 kHz environ, sion le place en B, on obtient toutes les fréquences comprises entre 500 Hz et 20 kHz environ. Le haut-parleur à mesurer est à relier aux deux fils partant des bornes “Entrée haut-parleur” et le multimètre aux deux douilles de droite.

 Liste des composants
R1 = 10 kΩ pot. lin.
R2 = 180 Ω
R3 = 10 kΩ pot. lin.
R4 = 180 Ω
R5 = 47 Ω
R6 = 1 Ω
R7 = 47 kΩ
R8 = 22 kΩ
R9 = 50 kΩ trimmer 10 t.
R10 = 1 kΩ
R11 = 100 kΩ
R12 = 100 kΩ
R13 = 100 kΩ
R14 = 100 kΩ
R15 = 100 ohm
R16 = 50 kΩ trimmer 10 g.
R17 = 1 MΩ
R18 = 10 kΩ
R19 = 56 kΩ
R20 = 10 kΩ
R21 = 22 kΩ
R22 = 1 kΩ
R23 = 1 kΩ
R24 = 10 kΩ
R25 = 10 kΩ
C1 = 1 μF polyester
C2 = 39 nF polyester
C3 = 1 μF polyester
C4 = 39 nF polyester
C5 = 10 μF électrolytique
C6 = 100 μF électrolytique
C7 = 4,7 μF électrolytique
C8 = 100 μF électrolytique
C9 = 10 μF électrolytique
C10 = 10 μF électrolytique
C11 = 1 μF polyester
C12 = 100 nF polyester
C13 = 10 μF électrolytique
C14 = 100 nF polyester
C15 = 10 μF électrolytique
C16 = 10 μF électrolytique
C17 = 100 nF polyester
C18 = 10 μF électrolytique
C19 = 10 μF électrolytique
DS1 = 1N4148
DS2 = 1N4148
DS3 = 1N4148
DS4 = 1N4148
DL1 = LED
TR1 = NPN BC547
IC1 = intégré TDA7052B
IC2 = intégré NE5532
IC3 = intégré NE5532
S1 = double inverseur
S2 = interrupteur

Divers
1 douille banane noire
1 douille banane rouge
1 prise pour pile 9 V
1 boîtier avec face avant alu Sauf spécification contraire,

Toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.

 Figure 3 : Nous pouvons appliquer à la sortie de notre impédancemètre un multimètre numérique réglé sur la portée 200 mVcc ou un multimètre analogique réglé sur la portée 0,3 Vcc.

 La réalisation pratique
Sivous suivez avec attention les figures 8a, 7 et 9, vous ne devriez pas rencontrer de problème pour monter cet impédancemètre : procédez par ordre, afin de ne rien oublier, de ne pas intervertir les composants se ressemblant, de ne pas inverser la polarité des composants polarisés et de ne faire en soudant nicourt-circuit entre pistes et pastilles nisoudure froide collée. Quand vous êtes en possession du circuit imprimé double face à trous métallisés (dessins, à l’échelle 1, des deux faces figure 8b-1 et 2), montez tous les composants comme le montre la figure 8a. Placez d’abord les huit picots d’interconnexions puis les trois supports des circuits intégrés et vérifiez que vous n’avez oublié de souder aucune broche. Là encore, nicourt-circuit entre pistes ou pastilles nisoudure froide collée. Ôtez l’éventuel excès de fl ux décapant avec un solvant approprié. Montez alors les résistances, en contrôlant soigneusement leurs valeurs (classez-les d’abord) : appuyez-les bien contre la surface du circuit imprimé. Continuez par les diodes DS1 et DS2, en bas à gauche : bagues noires repèredétrompeurs orientées toutes les deux vers TR1, puis par DS3 et DS4, près de IC3 : bagues vers la droite. Montez alors tous les condensateurs polyesters, puis les électrolytiques en respectant bien la polarité +/– de ces derniers (la patte la plus longue est le + et le – est inscrit sur le côté du boîtier cylindrique). Insérez les deux trimmers multitour R9 et R16 et le transistor TR1, méplat repère-détrompeur tourné vers C8. Montez ensuite l’interrupteur S2 et le double inverseur S1, ainsique le double potentiomètre R1/R3. Tous trois sont fixés au circuit imprimé par soudure des broches et, en plus, par la carcasse de R3, comme le montre la figure 6 : pour souder la carcasse du potentiomètre et les trois cosses supérieures de R1, utilisez des morceaux de fil de cuivre dénudé (avant de souder R1/R3, raccourcissez son axe à 9 mm). Près de S2, insérez la LED rouge en respectant bien sa polarité +/– (la patte la plus longue est l’anode + et la plus courte est la cathode –).

 Figure 4 : Schéma synoptique et brochage vu de dessus du circuit intégré TDA7052 utilisé dans ce montage comme étage oscillateur IC1.

  Figure 5 : Brochages du circuit intégré double amplificateur opérationnel NE5532 vu de dessus (repère-détrompeur en U vers la gauche) et du transistor NPN BC547 vu de dessous.

 Figure 6 : Raccourcissez l’axe du double potentiomètre R1/R3 et fixez ce composant sur le circuit imprimé en soudant la carcasse métallique de R3 à la masse à l’aide d’un morceau de fil de cuivre dénudé.

 Figure 7 : Photo d’un des prototypes de la platine de l’impédancemètre pour haut-parleur.

 Figure 8a : Schéma d’implantation des composants de l’impédancemètre pour haut-parleur ou casque. Le réglage commence en tournant le curseur du trimmer multitour R16, près de IC3, jusqu’à ce que l’aiguille d’un simple multimètre analogique arrive à 0, ou bien jusqu’à lire sur un multimètre numérique 00,0 mV. Ensuite, tournez le curseur du trimmer multitour R9, en bas à gauche, jusqu’à ce que l’aiguille d’un multimètre analogique arrive à 100 mV, ou bien qu’un multimètre numérique indique 100,0 mV. Quand vous insérez la LED DL1, enfilez la patte la plus longue (anode +) dans le trou A et la plus courte (cathode –) dans le trou K (voir figure 6).

Figure 8b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de l’impédancemètre pour haut-parleur, côté composants.

  Figure 8b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de l’impédancemètre pour haut-parleur, côté soudures.

 Le montage dans le boîtier
Ouvrez les deux demi-coques du boîtier en plastique noir, comme le montre la figure 9 et percez deux trous dans la demi-coque inférieure, dans le petit côté opposé au compartiment de la pile, pour le passage des deux paires de fils rouge/noir allant au fréquencemètre et au haut-parleur à tester. Fixez-y la platine au fond à l’aide de quatre vis autotaraudeuses. Soudez les deux paires de fils rouge/noir, mentionnés ci-dessus, aux quatre picots correspondants (à l’autre bout, vous pouvez monter deux paires de pinces croco rouges/noires). Enfilez, à partir du compartiment de la pile, les deux fils rouge/noir de la prise de pile et soudez-les aux deux picots en haut à gauche. Respectez bien la polarité de ces trois paires de fils rouge/noir en vous basant sur les couleurs (rouge+, noir–). Prenez maintenant la seconde demicoque (supérieure ou couvercle), posez à l’extérieur la face avant en aluminium percée et sérigraphiée et servez-vous d’elle comme d’un gabarit de perçage. Une fois les six trous percés, collez la face avant en aluminium sur le couvercle et montez les deux douilles rouge/noire de sortie vers le multimètre, comme le montre la figure 10. Retournez-la et mettez-la à côté de l’autre, comme le montre la figure 9 et soudez la paire de fils rouge/noir entre ces douilles et les picots restants (en haut à droite), toujours en respectant la polarité à l’aide des couleurs. Les autres composants de la face avant sont fixés au circuit imprimé et ils traversent le couvercle et la face avant quand vous fermez le boîtier. Il reste à enfoncer dans leurs supports les trois circuits intégrés, repère-détrompeurs en U orientés vers le haut, c’est-à-dire le compartiment de la pile. Placez la pile de 9 V 6F22 dans son compartiment (par l’extérieur) et reliez-la à sa prise. Ne fermez pas le boîtier avant d’avoir effectué les réglages.

 Figure 9 : Montage dans le boîtier plastique. La platine de l’impédancemètre pour haut-parleur est fixée au fond de la demi-coque inférieure par quatre vis autotaraudeuses (deux seulement sont montées sur la photo). Un compartiment pour la pile de 9 V 6F22 est prévu. Sur la demie coque supérieure (face avant) sont montées les deux douilles rouge/noire allant au multimètre. La face avant reçoit aussi la LED, le double potentiomètre, l’interrupteur M/A et l’inverseur.

 Figure 10 : La face avant en aluminium, percée et sérigraphiée, sert de gabarit pour le perçage du couvercle plastique.

 Les réglages
Il s’agit de régler les trimmers ainsi:
1 - court-circuiter les pinces croco des fils allant au haut-parleur à tester,
2 - reliez les douilles rouge/noire au multimètre, numérique ou analogique, portée tension continue : sile multimètre est analogique, réglez-le sur la portée la plus faible, 0,3 V fond d’échelle par exemple, sile multimètre est numérique, réglez-le sur 200 mV fond d’échelle,
3 - tournez le curseur du trimmer multitour R16 de 50 k, près de IC3, jusqu’à ce que l’aiguille vienne en face du 0 ou que l’afficheur indique 00,0,
4 - sivous utilisez un multimètre analogique, vous devez le débrancher avant de débrancher les prises croco des bornes du haut-parleur examiné, afin d’éviter un choc en fond d’échelle et d’endommager l’aiguille ou l’équipage mobile, sien revanche vous utilisez un multimètre numérique, vous pouvez le laisser branché car il ne risque rien de tel,
5 - débranchez les deux prises croco court-circuitées et reliez-les aux extrémités de la résistance de précision de 10 ohms que vous avez acquise, ses bagues de couleurs sont : marron-noir-noir-or-marron-rouge,
6 - rebranchez aux douilles de sortie le multimètre puis, avec un petit tournevis, tournez le curseur du trimmer R9 de 50 k, près de la Sortie fréquencemètre, jusqu’à ce que l’aiguille, ou l’afficheur, indique 100 mV,
7 - si, en appliquant une résistance de 10 ohms sur le multimètre, vous lisez une tension de 100 mV, il va de soiqu’en utilisant un hautparleur de 8 ohms d’impédance vous lirez 80 mV, en utilisant un haut-parleur de 4 ohms 40 mV et un casque de 32 ohms 320 mV.

Note : sile multimètre est analogique, n’oubliez pas de le débrancher avant de débrancher le haut-parleur en examen.

Fermez le couvercle du boîtier, montez le bouton du double potentiomètre et solidarisez les deux demi-coques à l’aide de quatre vis. Comment utiliser l’instrument L’impédance caractéristique d’un hautparleur est toujours mesurée à 1 kHz. Placez S1-A/S1-B en position A (20 Hz à 20 kHz) et tournez le double potentiomètre R1/R3 dans le sens horaire de façon à ce que l’appareil produise une fréquence de 1 kHz environ. Une sortie, en bas à gauche, est prévue pour relier un fréquencemètre permettant de lire la fréquence produite, mais le 1 kHz n’est pas du tout critique et 1,1 kHz ou 900 Hz feront aussi bien l’affaire (la différence d’impédance sera dérisoire). Après avoir lu la valeur de l’impédance, tournez le double potentiomètre R1/R3 dans le sens antihoraire, vers 20 Hz, afin de trouver la valeur de la fréquence de résonance. Si, par exemple, vous avez inséré un hautparleur dont l’impédance à 1 kHz est de 8 ohms, en descendant vers 20 Hz vous verrez que son impédance monte brutalement à 90 ou 100 ohms : ce pic correspond à la fréquence de résonance du haut-parleur. Celle-civarie d’un haut-parleur à un autre : elle est plus basse sur les “woofers” (haut-parleurs pour les basses) que sur les “mid-range” (media). D’autre part, cette fréquence change quand on insère le haut-parleur dans une enceinte acoustique avec des filtres “cross-over” adéquats. Sil’on place S1-A/S1-B sur la portée de 500 Hz à 20 kHz et sil’on tourne R1/R3 vers 20 kHz, l’impédance augmente lentement et dépasse 8 ohms : comme le montre le graphique de la figure 1, l’impédance d’un haut-parleur varie selon les fréquences appliquées. Sur ce graphique, il s’agit d’un hautparleur pour les media (les fréquences moyennes), sivous testez un autre type de haut-parleur, vous trouverez des graphiques bien différents. Avec votre impédancemètre pour haut-parleur et casque pourvu d’une sortie vers fréquencemètre numérique, vous pouvez facilement contrôler la valeur de la fréquence de résonance de n’importe quel haut-parleur et voir comment varie son impédance quand on fait varier la fréquence appliquée entre 20 Hz et 20 kHz. Vous allez découvrir comment une enceinte acoustique peut modifier la fréquence de résonance d’un haut-parleur : sivous vous consacrez à la Hi-Fi, vous verrez combien est utile cet instrument de mesure qu’on ne trouve pourtant nulle part dans le commerce.

Figure 11 : La tension à appliquer au multimètre est prélevée sur les deux douilles rouge/noire de la face avant. Pour mesurer l’impédance d’un haut-parleur, vous devez relier ses bornes aux deux fils rouge/noir sortant du trou de droite.