1 l'amplificateur est l'un des éléments les plus importants dans une chaîne hi-fi. ses...
TRANSCRIPT
1
Formation BAC SEN
DOSSIER : CLASSES D’AMPLIFICATIONS
OBJECTIF : LES DIFFERENTES CLASSES DE FONCTIONNEMENT
P.SEN 2006 / 2007
L'amplificateur est l'un des éléments les plus importants dans une chaîne hi-fi. Ses caractéristiques, son comportement influent de manière très sensible sur le rendu sonore final d'un système.
L'amplificateur Hi-Fi peut se présenter sous une forme intégrée, ou en éléments séparés, avec le préamplificateur et l'unité de puissance qui constituent deux appareils distincts.
Il existe plusieurs catégories d'amplificateurs qui utilisent, selon le cas, des étages actifs à tubes, à transistors, ou à commutation pour les systèmes numériques.
Dans les grandes lignes, le fonctionnement "de base" de tous ces appareils est identique, un amplificateur remplit toujours la même fonction.
Les étages de gain
Les étages de gain d'un amplificateur constituent la section de puissance de l'appareil (étages à tubes, à transistors ou numériques). Ces étages de sorties transmettent au signal audio l'énergie fournie par le circuit d'alimentation de l'appareil.
Gain en courant, gain en tensionSur les amplificateurs analogiques, la puissance du signal audio, en sortie, est obtenue par des étages distincts de gain en tension et de gain en courant (on rencontre le plus souvent deux, trois ou quatre étages différents).
2
CLASSES D’AMPLIFICATEURS
Pour rester simple, un ampli Classe A reproduit de façon très fidèle et très chaude le son, possède la meilleure linéarité, la distorsion la plus basse mais à pour inconvénient de dégager une chaleur énorme. Ainsi les amplis classe A sont peu puissant (30 à 50W Max), énormes, chauffent et consomment énormément et puis sont très chers. Ils sont rares sur le
marché.
. L'étage de sortie classe A est néanmoins utilisé systématiquement sur les étages de sortie bas niveau comme la sortie CD, sortie Préampli... car sa
mise en place est simple pour des signaux faibles.
AMPLI CLASSE A
Un étage amplificateur appartient à la classe A si l’élément actif qui le constitue conduit pendant toute la période du signal à amplifier.
Figure 1
3
AMPLI CLASSE B
Les amplificateurs de classe B sont constitués de deux éléments actifs (structure push-pull) conduisant pendant une demi-période chacun.
Les amplis de classe B sont rarement utilisés en audio, sauf peut-être sur le très bas de gamme comme les minichaînes et la majorité des autoradios.
Une amplification en classe B va amplifier séparément la partie positive et la partie négative du signal, un transistor pour chaque partie. Pendant que
l'un amplifie, l'autre est off et vice versa. Il n'y a pas de polarisation, le transistor chauffe beaucoup moins qu'en classe A.Le désavantage majeur des amplis Classe B est qu'il réalise une distorsion, appelée distorsion de croisement ou de raccordement, générée au croisement du signal positif et négatif.Cette distorsion est très audible sur les signaux faibles et est insignifiante sur les signaux élevés.
En pratique, ce type de fonctionnement entraîne une distorsion de raccordement que l’on peut réduire en augmentant légèrement le temps de conduction (classe AB).
Figure 2
4
AMPLI CLASSE AB
Les amplis classe AB représentent l'énorme majorité des amplis autant en Hi-Fi haut de gamme, home-cinéma que les minichaînes.
Ils utilisent moins de puissance que les classes A, sont moins cher, chauffent
moins, et peuvent s'en rapprocher à l'écoute. AMPLI CLASSE C
On parle d'amplificateur classe C lorsque le temps de conduction est inférieur à la demi-période du signal d’entrée.
Le fonctionnement passe alors en classe C. Le signal de sortie contient alors de nombreux harmoniques qui sont généralement filtrés par un circuit de
charge très sélectif accordé à la fréquence centrale du signal à amplifier. AMPLI CLASSE D
Appartiennent à la classe D les amplificateurs dans lesquels les éléments actifs
de puissance fonctionnent en régime bloqué ou saturé. Ce type d’amplificateur utilise un principe différent: les composants actifs de puissance génèrent un signal rectangulaire de fréquence élevée par rapport au signal d’entrée et dont le rapport cyclique est proportionnel au signal à amplifier.
Un filtre passe-bas placé en sortie ou la simple inertie de la charge permet de ne conserver que les composantes spectrales correspondant aux basses
fréquences du signal. Pour résumer, les amplis classe D fonctionnent un peu comme un hacheur, en tout ou rien. La valeur de sortie possède donc soit la valeur maximum, soit 0V.
La puissance moyenne représente le signal audio.
Il suffit de mettre un filtre passif passe-bas pour enlever les hautes fréquences.
Le problème est que la commutation, pour être inaudible, doit se faire au-dessus de 40kHz.
5
Les amplis classe D sont souvent utilisés pour les subwoofers car la bande passante est faible (120Hz maximum), ils sont petit et chauffe moins. En fait, l'efficacité de la classe D est supérieure à la classe A, B, et AB. La qualité peut-être excellente, mais cela implique une fréquence de commutation élevée et un très bon filtre.
AMPLI CLASSE G
Les ampli classe G possèdent 2 alimentations, une avec un faible voltage et un autre avec une plus forte tension.
Lorsque les signaux sont de faibles amplitudes, l'ampli (de classe A) est connecté à la petite alimentation et lorsque le signal est fort, l'ampli est
connecté à la grosse alimentation. AMPLI CLASSE H
Un ampli classe H se sert d'un ampli classe D pour faire varier la tension de l'alimentation.
La partie amplification de l'ampli est en classe A ou AB.
Les amplis classe H sont souvent utilisés dans les amplis professionnels.
6
PRESENTATION DES AMPLIFICATEURS
Alimentation
Source Amplificateur ChargePe
Pf
Ps
Pe = puissance d ’entrée Pf = puissance fournie Ps = puissance de sortie
CARACTERISTIQUES :
Amplification en puissance :
Gain en puissance :
Rendement :
Distorsion harmonique :
Pe
PsAp
Aplog10dBGp
Pf
Ps
1S
...²Sk...²3S²2Sd
Sk est la valeur de l ’harmonique de rang k du signal de sortie de l ’amplificateur. « le signal d ’entrée étant un signal sinusoïdale »
7
AMPLIFICATION DE PUISSANCE EN CLASSE A
A) Polarisation de base
Vbe0
Vcc
Vce0
I bI R1
R1
R2
RC1IR
0VbeVcc1R
0Ib10
6.0Vcc1R
0Ib9
6.0
0Ib1IR
0Vbe2R
B) Droite de charge
RC
Vcc
VccVce
0Ic
0Vce
0P
Droite de charge de pente = RC
1
Rc
VceVccIcetRcIcVceVcc
Le courant de repos est défini par :
Rc
0VceVcc0Ic
0Ic0Ib
V6.00Vbe
Ic
0Ib
8
B) Position optimale du point de repos
Pour obtenir une dynamique maximale aux bornes de la charge il faut :
2
Vcc0Vce et
Rc2
Vcc0Ic
Rc
0VceVcc0Ic
Ainsi l ’amplitude maximale du signal de sortie est 2
Vcc en tension
en courant.0Icet
C) Étude énergétique en liaison directe
Liaison directe signifie que la charge Rcharge est reliée directement
à la sortie du transistor.
Précisons aussi que la droite de charge dynamique varie autour du point de
repos et se confond avec la droite de charge statique.
1) Puissance en statique (sans signal à l ’entrée)
* Puissance fournie par l ’alimentation : Pf0
0VccIc0Pf
et
Rc2
Vcc0Ic
Rc2
²Vcc0Pf
9
* Puissance dissipée dans le transistor : Pdt0
0Ic0Vce0Pt
mais2
Vcc0Vce
etRc2
Vcc0Ic
Rc4
²Vcc0Pdt
* Puissance dissipé dans la charge : Pdc0
0Ic2
Vcc0Pdc
et
Rc2
Vcc0Ic
Rc4
²Vcc0Pdc
REMARQUE: La puissance dissipée dans le transistor +
la puissance dissipée dans la charge =
la puissance fournie par l ’alimentation.
10
* Puissance utile dissipée dans la charge : Pudc
2) Puissance en dynamique
* Puissance fournie par l ’alimentation : Pf
dtticVccT
1PoudtticVcc
T
1PRappel
TT
Mais Ic(t) = Ic0 + ic et comme ic est la composante sinusoïdale dont la valeur
moyenne est nulle.On peut écrire :0Pf0IcVccPf
On remarque que l ’alimentation fournie toujours la même puissance.
Pour éviter les calcul d ’intégrale nous admettrons les résultats suivant :
4
0IcVccPudc
* Puissance dissipée dans le transistor : Pdt
0Pt2
1Pdt
Paradoxalement, le transistor dissipe
deux fois moins de puissance
à signal maximum qu ’à vide.
* Rendement :
%254
1
Pf
Pudc
Ce type de liaison (direct) est
rarement utilisé en amplification
de puissance.
11
3) Pour améliorer le rendement, dans certains cas, une liaison
par transformateur est utilisée.
y RuL1
n1
L2
n2
Vce0
Vbe0
Ib0
Ic0
Dans ce cas le rendement peut s ’écrire sous la forme :
%50soit2
1
0IcVcc
0IcVcc21
Pf
Pu
« LE DOUBLE »
4) Bilan de la classe A
La classe A est mal adaptée pour fournir un maximum de puissance à la �charge.
Le rendement est faible (25% en liaison directe et 50% en liaison par �transformateur).
Le transistor doit être capable de dissiper une puissance au moins deux fois �supérieure à la puissance utile.
L ’alimentation fournit une puissance importante même en l ’absence de �signal.
12
AMPLIFICATION DE PUISSANCE EN CLASSE B
T1
+Vcc
T2
-Vcc
RchargeVsVe
1) schéma de base : montage push-pull.
Deux alimentations symétriques fournissent de l ’énergie à deux transistors complémentaires NPN et PNP montés en série.
T1 conduit quand Ve > 0.6V
T2 conduit quand Ve < - 0.6V
T1 et T2 conduisent l ’un après l ’autre.
Si Ve est sinusoïdale, le raccordement des deux alternances est incorrect et entraîne une distorsion de recouvrement ou « cross-over ».
13
Quand un transistor est saturé, l ’autre est bloqué et voit à ses bornes une tension égale à 2xVcc. Il faut donc prévoir des transistor qui supportent un Vce > 2xVcc.
Chaque transistor est monté en collecteur commun dont les caractéristiques sont:
Gain en tension : 1Av Résistance d ’entrée : eargRchRe Résistance de sortie : 0Rs
Si le générateur d ’entrée présente une résistance Rg, la résistance de sortie devient :
RgRs
2) Étude énergétique
Pour l ’étude énergétique, on suppose que l ’on se trouve en classe B sans recouvrement.
Pour un signal d ’entrée sinusoïdal, le gain en tension étant de 1, le signal de sortie est de la forme : tsinVêVs
* Puissance utile dissipée dans la charge : Pudc
eargRch2
²VccmaxPudc
La dynamique maximale pour chaque alternance est Vcc.
La puissance maximale est atteinte pour Ve = Vcc
14
* Puissance fournie par l ’alimentation : Pf
- En l ’absence de signal : 0Pf
- Pour Ve = Vcc : eargRch
²Vcc2maxPf
* Puissance dissipée dans le transistor : Pdt
eargRch²
²VccPdt
* Rendement :
%5.784
eargRch²Vcc2
eargRch2²Vcc
maxPf
maxPudc
REMARQUE:
Le rendement est indépendant de la tension d ’alimentation et de la charge.
3) Bilan de la classe B
Le montage push-pull est bien adapté pour fournir une puissance �importante.
Son rendement est bon.� Lorsque le signal d ’entrée est nul, Pf = 0 : les alimentations continues ne �fournissent plus de puissance.
La puissance dissipée dans chaque transistor est faible : 20% de la �puissance utile.
15
4) Exemple numérique
Un amplificateur de puissance en classe B doit fournir 100W à une charge de 8
Calculons la tension d ’alimentation.
eargRch2
²VccmaxPu
V40Vcc
1600Vcc
160082100²Vcc
Chaque transistor doit être capable de dissiper
et doit pouvoir supporter une tension de 80V (2xVcc) avec un courant de 5A.
W201002.0Pudc2.0Pt
5) Suppression de la distorsion de recouvrement
La polarisation est réalisée par deux diodes D1 et D2 parcourues par un courant fourni par l ’alimentation à travers une résistance R.
T1
+Vcc
T2
-Vcc
Rcharge VsVe
R
R
D1
D2
0.6V
0.6V
16
AUTRES MONTAGES
1) Montage push-pull utilisant une seule alimentation
Lorsque T1 conduit, l ’ensemble Rcharge et C est alimenté par la source Vcc.
Lorsque T2 conduit, c ’est le condensateur C qui sert d ’alimentation pour Rcharge.
Le dispositif est limité pour les basses fréquences et C doit être calculé pour que la tension à ses bornes reste maintenue à à la fréquence minimale d ’utilisation. 2
Vcc
La dynamique de sortie est limitée à et la puissance de sortie maximale est : 2
Vcc
CONCLUSION : La puissance de sortie est quatre fois plus faible que celle obtenue avec deux alimentations symétriques.
eargRch8
²Vcc
eargRch
²22
Vcc
Pudc
T1
T2 Rcharge
+Vcc
Vs
C
17
2) Montage Booster
Dans le montage push-pull vu précédemment :
Pour une alimentation imposée (batterie 12V) et une charge de 4ohm (haut parleur); la puissance de sortie est limitée à :
W5.4
48
144
Rc8
²VccPudc
Afin d ’augmenter artificiellement cette puissance, on a recours à des montages appelés « Booster ».
-1
+Vcc
Ve -Ve
Rcharge
une des solutions les plus utilisées est le montage représenté ci-dessus.
La charge Rcharge est placée entre les sorties de deux push-pull attaqués
en opposition de phase.
La tension dynamique aux bornes de la charge à pour amplitude Vcc au lieu de
La puissance est multipliée par 4. Si Vcc = 12V :
Pu = 4.5 x 4 = 18W
2
Vcc
18
Une autre solution est l ’utilisation d ’une alimentation à découpage, élévatrice de tension.
AMPLIFICATION DE PUISSANCE EN CLASSE C
En classe C, le transistor est polarisé par une tension Vbe0 < 0.6V.
Le transistor conduit pendant moins d ’une demie période.
Dans ces conditions, après amplification, la reconstitution de la forme idéale de la sinusoïde présentée à l ’entrée n ’est plus possible et la distorsion est considérable.
Ce fonctionnement est inacceptable aux fréquences audio mais peut être utilisé dans l ’amplificateur classe C accordé dont la charge est un circuit résonant.
+Vcc
_
Ve
Vs
Le
Vbe0
_
Ce
C1
19
TABLEAU RECAPITULATIF DES PRINCIPALES CLASSES DE FONCTIONNEMENT
RENDEMENT MAXIMAL
THEORIQUE
BANDE PASSANTE
CLASSE A Un seul transistor qui conduit
pendant toute une période.
Liaison directe : 25% Liaison transfo : 50%
Large bande
CLASSE B Deux transistors conduisent chacun pendant une demie
période.
%5.784
Large bande
CLASSE C Un transistor qui conduit pendant
une durée inférieure à une demie période.
100%
Sélectif
CLASSE D Les transistors fonctionnent en bloqué/saturé
<90%
Passe bas
Les autres classes sont des mélanges de ces quatre principales.