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Electronique > Réalisations > Amplificateurs > Ampli BF 011

Dernière mise à jour : 14/05/2023

Caractéristiques principales

Puissance : 10 W
Tension : +/-20 V à +/-24 V
Technologie : Transistors

Présentation

Ce module amplificateur est capable de délivrer une dizaine de watts efficaces dans une charge de 8 ohms.

 

A l'origine, cet ampli a été conçu pour des signaux sinus très basse fréquences qui n'avaient pas grand chose à voir avec l'audio. L'objectif était de disposer d'une bande passante qui s'étendait de 0,1 Hz (autant dire le continu) à 100 Hz. Non, je ne vous dirai pas pourquoi c'était faire, car ça n'a pas fonctionné comme je le souhaitais, et j'ai trop honte (tellement honte que j'en ai été réduit à transformer le circuit en question en ampli audio). Le taux de distorsion n'était pas un critère problématique, quelques pourcents ne posaient pas de problème. Malheureusement, la distorsion ne dépasse pas 1% si on s'en tient aux 10 W annoncés, et du coup je ne sais plus où poser les pieds.

Avertissements

Malgré tout ce qu'on peut lire à gauche ou à droite (surtout sur ce site), cet ampli BF n'a pas été utilisé pour un usage audio.

Schéma 001 (version d'origine)

Bon, je ne vais pas vous mentir, je me suis basé sur un schéma existant que j'ai un peu modifié.



J'ai retiré des trucs (transistors et résistances en trop), en ai ajouté d'autres (condensateurs et diodes en pas assez) et j'en ai modifié certains (éléments actifs dont les références ne me plaisaient pas). C'est comme ça.

Principe général

Il consiste à faire (presque) comme tout le monde. Un AOP est alimenté sous une tension pas trop proche de ses limites supérieures critiques, et est épaulé par des transistors complémentaires qui se complètent bien puisqu'ils sont complémentaires. La moitié supérieure (Q1 et Q2) s'occupe des alternances positives du signal BF (ou audio) appliqué à l'entrée In, et la moitié inférieure (Q3 et Q4) se contente de ce qui reste, à savoir les alternances négatives. Quel scoop ! L'étage de sortie est composé de deux paires de transistors qui semblent montés en darlington (en tout cas ça y ressemble beaucoup, il ne manque pas grand chose) et ces pauvres petits ne commencent à conduire que quand on leur applique une tension de 2,4 Vcac (2 fois 2 x 0,6 V en crête-à-crête). Du coup, le rendu sonore est très bizarre quand le signal d'entrée est faible (pianissimo). Cela explique la nécessaire présence des diodes D3 à D6 polarisées (et rendues passantes) par les résistances R8 et R11 : ces diodes permettent de faire entrer les transistors de puissance en "début de conduction" et ainsi de ne rien louper de la finesse des signaux de faible amplitude. Ceci dit, je me questionne encore sur cette belle théorie qui consiste à réduire la distorsion dite de croisement (transitions alternances négatives/positives). En effet, quand on remplace les quatre diodes par des straps (court-circuits), le son délivré en sortie semble ne pas souffrir tant que ça. Mon oreille tendrait-elle à s'habituer aux travaux de cochon qu'on entend de plus en plus souvent sur les ondes et sur la toile ? Ou alors mon esprit de provocation est resté intact sans que j'en ai conscience. Peut-être après tout cela est-il simplement lié à la présence de l' AOP qui précède et que le tout à un gain donné (j'ai un doute). A ce propos, le gain de l'amplificateur est fixé par la résistance R3, ici de 330 kO. Vous pouvez diminuer sa valeur (jusqu'à 22 kO) pour diminuer le gain, ou l'augmenter (jusqu'à 820 kO) pour un gain plus élevé. Avec un gain plus élevé, la sensibilité d'entrée augmente, ce qui signifie qu'un signal d'entrée de moindre amplitude suffit pour obtenir la pleine puissance de sortie. Il n'est pas exclu que sans les diodes D3 à D6 et avec un gain plus faible, le taux de distorsion augmente. Mais on s'en fiche car on laisse les diodes en place, finalement.

Expérience amusante

Retirez Q2 (TIP31) et observez la forme du signal de sortie (la méthode est plus rigoureuse si vous utilisez un signal test de fréquence et d'amplitude constante, mais c'est plus rigolo à l'écoute s'il s'agit de votre disque préféré). Maintenant, sans rien changer, observez la forme du signal en sortie de l'AOP. Marrant, hein ? Figurez-vous qu'on observe la même chose si on retire Q4 (TIP32), mais avec les alternances opposées (on pouvait s'en douter un peu). A quoi cela est-il dû ? hum... réflechissons un peu. L'AOP et les transistors forment un amplificateur différentiel de puissance. Une partie du signal de sortie (de puissance) est réinjecté sur l'entrée inverseuse de l'AOP (c'est ce qu'on appelle une contre-réaction, ici assurée par la résistance R3 dont la valeur, pour rappel, définit le gain de l'ensemble). Si on retire Q2, on ampute le signal de sortie de ses alternances positives. Dans ce cas, l'AOP se dit "tient, il n'y a pas grand chose en sortie" et il a raison puisque la tension de sortie est proche de 0 V. Du coup, il pense qu'il n'a pas bien fait son travail et se dit qu'il faut faire un effort supplémentaire : il pousse l'amplitude de son signal de sortie. "Mais que diable se passe-t-il... la sortie reste encore bien basse ! Eh bien poussons encore un peu". Il insiste tant que son signal de sortie vient buter à son maximum, et on a droit à une belle saturation. C'est un effet tout bête, mais songez à ceci en cas de panne car la première fois ça peut surprendre - au moins autant que quand on met la pointe de touche d'un oscilloscope sur les entrées inverseuse et non-inverseuse de l'AOP et qu'on constate que... Surprise ! Je vous laisse faire.

Alimentation

L'alimentation de cet ampli est de type symétrique (double), on doit disposer d'un +20 V et d'un -20 V par rapport à la masse, valeurs qui peuvent grimper sans problème à +/-24 V mais sans pour autant apporter plus de puissance. Normal, l'AOP sature avant d'arriver aux "rails" +/-20 V, alors qu'on alimente l'étage de sortie sous 20 V ou 24 V n'y change pas grand chose. Ici, on peut se contenter d'un classique pont redresseur (il doit supporter au minimum 3 A en régime permanent) suivi de deux gros condensateurs de filtrage dont la valeur minimale sera de 4700 uF (10000 uF pour chacune des deux branches positive et négative est même conseillé, le résultat sonore dépend beaucoup de la valeur de ces condensateur et du volume d'écoute).



Le transformateur d'alimentation est un modèle 2 x 15 V ou 2 x 18 V de 22 VA au minimum. Après redressement et filtrage, et en tenant compte d'une chute de tension de 2 V environ dans le pont de diodes, les tensions continues en sortie sont d'environ +/-19 V (si transfo 2 x 15 V) ou +/-23 V (si transfo 2 x 18 V). Dans la pratique, ça peut être un peu plus ou un peu moins, en fonction du transfo choisi et de la tension réelle sur l'arrivée secteur 230 V. La varistance (MOV) câblée en parallèle sur le primaire du transfo est facultative, si vous en mettez une choisissez un modèle 250 Vac / 20 A ou plus. Le fusible est également "accessoire" mais c'est un bon réflexe d'en prévoir un (ici, un modèle 300 mA retardé convient).

Dissipateur thermique obligatoire ?

Ah, vous croyiez pouvoir y échapper ! C'est normal, tout le monde aujourd'hui cherche à réduire les coûts. C'est une mode qui rapporte, paraît-il. Mon dissipateur est montré debout sur la vue 3D, mais vous pouvez bien sûr le coucher (transistors Q2 et Q4 en position horizontale) pour une mise en boîte dans un coffret pas trop épais. Un déport des transistors à quelques centimètres du circuit imprimé peut être envisagé, mais attention aux fils trop longs qui peuvent entraîner une certaine instabilité...

Brochage du TDA7293

On s'en fiche, il n'y en a pas.

Schéma 001a (version simplifiée)

Dans cette version suggérée et essayée par Alain P., quelques composants ont été retirés ou remplacés.



Modifications apportées par Alain P. par rapport à la version d'origine :

• remplacement de l'AOP NE5534 (AOP simple) par un LF412 (AOP double, une seule moitié est utilisée). Le LF412 accepte une tension d'alimentation plus élevée (44 V contre 36 V), ce qui permet de gagner environ 2 V sur l'amplitude du signal de sortie
• suppression des diodes zener limitant à +/-15V l'alimentation de l'AOP
• abaissement de la valeur de la résistance R7, qui passe de 560R à 100R
• suppression d'une diode dans les branches de polarisation des transistors finaux (compensation Vbe). Cette modification pourrait avoir pour conséquence une remontée du taux de distorsion de croisement (surtout audible aux faibles niveaux), mais selon l'auteur de cette modification, la dégradation apportée est infime et totalement inaudible.

   

Prototype

Réalisé pour la première version avant simplification (001), sur plaque sans soudure avec des pastilles à souder.



Les essais ont été réalisés avec deux résistances de puissance, une de 10 ohms et l'autre de 4,7 ohms. Les dissipateurs thermiques que j'ai utilisés sont assez petits mais ont suffit le temps des tests. Au bout de cinq minutes à pleine puissance (une dizaine de watts en sortie), ils étaient bien chauds mais pas bouillants. Sans leur présence (j'ai essayé car j'aime ça aussi), les transistors deviennent bouillants au bout de quelques secondes et ça sent très vite le chaud (phénomène 100% normal) !



La photo de l'oscilloscope montre une sinus de sortie qui se porte très bien, elle possède une amplitude de 25 Vcac (amplitude crête de 12,5 V) sur charge de 10 ohms (alim ampli de +/-20 V, calibre oscillo 5 V/div). Cela nous donne une puissance "efficace" de :
P = (U x U) / R
P = (12,5 / 1,41) x (12,5 / 1,41) / 10 = 7,8 Weff
Avec la résistance de charge de 4,7 ohms, l'amplitude de la sinus en sortie atteint 18 Vcac (amplitude crête de 9 V), ce qui donne une puissance efficace de :
P = (9 / 1,41) x (9 / 1,41) / 4,7 = 8,6 W
L'écrêtage se produit d'abord sur les alternances négatives et les transistors (tout comme la grosse résistance câblée en sortie), chauffent bien. C'est important, pour survivre dans un garage pas chauffé en hiver.

   

Circuits imprimés (PCB)

Réalisés en double face "compatible simple face".

Version d'origine 001

Version correspondant au prototype que j'ai réalisé.
 

   

Version simplifiée 001a

Version suggérée et essayée (avec succès) par Alain P..
   

   
Typons au format PDF (versions 001 et 001a) - 14/05/2023
   

Compatibilité "simple face" : oubliez la trace rouge en face supérieure (top) qui fait le lien entre le connecteur J3/HP et les deux résistances R10 et R13. A la place, reliez un fil entre les deux points marqués "HP" (pastilles de cuivre carrées). Dans le même esprit, placer un pont conducteur (strap) à droite de Q4.

Si utilisation d'un double face, s'assurer que le dissipateur thermique posé sur Q2 et Q4 ne touche pas la piste de cuivre qui relie les deux pastilles "HP" (méfiance, même si le circuit imprimé comporte du vernis épargne a priori isolant).

   

Historique

14/05/2023
- Ajout version simplifiée 001a, suggérée et essayée par Alain P., que je remercie pour ses retours.

07/05/2023
- Modification légère du tracé du circuit imprimé.

28/06/2015
- Correction erreur concernant la puissance annoncée pour cet ampli (valeur gonflée par erreur). Merci à Antoine M. de m'avoir rappelé à l'ordre. Il ne manquerait plus que l'on me prenne pour un de ces chers vendeurs de matériel audio peu scrupuleux... Sans rire, j'ai simplement oublié d'appliquer correctement les formules que je rappelle à la page Ces watts qui nous sont si chers.

12/01/2014
- Première mise à 10 positions.