Electronique - Realisations - Boite de direct 002

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Dernière mise à jour : 14/01/2018

Présentation

Cette page présente un exemple de réalisation d'une boîte de direct active (en fait deux versions légèrement différentes 002 et 002b).

Cette "DI-Box" (Direct Injection Box) présente une entrée asymétrique haute impédance pour instrument sur jack mono 6,35 mm (un commutateur permet d'utiliser cette entrée sur une sortie HP) et une sortie symétrique basse impédance sur XLR mâle. Elle peut tirer son alimentation d'un couple de piles 9 V, ou d'une alimentation Phantom (provenant d'une console de mélange par exemple).

Plusieurs schémas ont été étudiés sur la base "DI 002" :

- Schéma 002 : version complète avec entrée HP et choix alim pile / alim phantom.
- Schéma 002b : version simplifiée sans entrée HP et alim phantom uniquement.
- Schéma 002c : variante conçue pour élèves en cursus Son école ESIS ; non décrite ici
- Schéma 002d : variante conçue pour élèves en cursus Son école Studio-M ; non décrite ici
- Schéma 002db : version pro, identique aux deux précédentes, mais avec un AOP "audio haut de gamme" en boîtier CMS
- Schéma 002e : version conçue exclusimenent pour tests avec différents AOP
- Schéma 002f : variante conçue pour élèves en cursus Son école IFTIS ; non décrite ici
- Schéma 002g : variante conçue pour élèves en cursus Son école 3IS ; non décrite ici
- Schéma 002h : variante pour usage avec alimentation phantom 48V ou 18V uniquement ; non décrite ici

Pour plus d'informations concernant l'utilité de ce type d'accessoire, merci de vous reportez à la page de Présentation de la boîte de direct. Une version à base de transformateur BF est présentée à la page Boîte de directe passive 001.

Schéma 002

Cette boîte de direct est basée sur l'emploi d'amplificateurs opérationnels (AOP) pour assurer une impédance d'entrée élevée tout en permettant une sortie symétrique.

Alimentation

Le fait que cette boîte de direct soit active impose la présence d'une alimentation. Bien qu'il est possible d'utiliser une alimentation secteur dédiée, le choix s'est porté ici sur l'utilisation de deux piles 9V standards (piles rectangulaires format 6F22), ou sur l'utilisation d'une alimentation phantom. Le choix entre les deux sources d'alimentation s'effectue à l'aide de l'inverseur simple SW2, qui fait également office d'interrupteur général d'alimentation (en position alim phantom, la pile est totalement déconnectée). Les amplificateurs opérationnels utilisés nécessitent une alimentation symétrique pour fonctionner normalement. Une astuce consiste ici à utiliser une alimentation simple et à créer une tension de référence (VREF sur le schéma), qui servira de masse virtuelle. Cette tension de référence est élaborée à partir d'un banal pont diviseur constitué des deux résistances R11 et R12, d'égales valeurs. Une stabilisation par condensateurs (C9 à C12) permet à cette tension de référence de conserver une valeur qui fluctue le moins possible. Notez la présence d'un bouton poussoir SW3 "Test Alim" permettant en un coup d'oeil de s'assurer de la présence d'une tension d'alimentation suffisante pour le montage, en allumant la LED D4 (de type faible consommation de préférence). Le câblage en continu de cette LED n'est pas souhaitable pour économiser les piles, ou pour ne pas trop "tirer" sur l'alimentation phantom. La diode Zener D1 de 24 V permet de limiter la valeur de la tension générale lorsque l'inverseur du choix d'alim est en position Alim phantom (48 V). Le courant circulant dans cette diode Zener est limité à environ 3,5 mA par les résistances R9 et R10 de 6K8 chacune (il faut penser qu'il y a aussi deux résistances de 6K81 côté prise micro, voir page Utilisation alim phantom pour plus de détails). Le courant consommé par le TL072 est compris entre 1 et 2 mA, donc l'ensemble consomme grosso-modo 5 mA sans la led.
Remarque : vous pouvez retirer C3 et C6 si l'alimentation du montage se fait uniquement via une alim phantom. Dans ce cas, les deux condensateurs C2 et C5 (valeur 100 uF) doivent avoir le pôle + tourné côté sortie XLR

Entrée

L'entrée permet, selon la position de l'inverseur double SW1, de recevoir des signaux BF provenant d'une source haute impédance dont le niveau se situe entre niveau micro et niveau ligne (SW1 en position haute sur le schéma) ou de recevoir des signaux BF provenant d'une source basse impédance de niveau élevé telle qu'une sortie amplifiée HP d'un ampli de sono (SW1 en position basse sur le schéma), avec un potentiomètre de réglage de niveau d'entrée (RV1) pour atténuer si nécessaire l'amplitude du signal d'entrée, qui pourrait être trop élevée et saturer l'étage d'entrée. Ici le pont diviseur constitué par R5 et RV1 apporte une atténuation minimale de 26 dB (potentiomètre au max de sa course) qui convient pour une puissance BF de quelques watts. Il est sage de ne pas raccorder cette boite de directe en sortie d'un ampli qui délivre une puissance supérieure à 100 W sur 8 ohms ou 200 W sur 4 ohms (amplitude électrique du signal d'environ 30 Veff dans les deux cas). Par la suite, un condensateur (C1) permet d'empêcher la tension continue provenant de VREF et passant par R1, de remonter vers la source. En même temps, ce condensateur évite toute tension continue éventuelle présente à la source, de venir décaler le point de fonctionnement du montage. L'impédance d'entrée est ici quasiment fixée par la valeur de R1, et avoisine ici les 700 KO.

Sortie

Le signal BF, après avoir traversé C1, arrive ensuite sur l'entrée non inverseuse de U1:A, monté en suiveur de tension : la sortie de cet AOP restitue en sortie la même chose que ce qu'il reçoit en entrée, mais sous basse impédance. Cette sortie constitue la première moitié de la sortie symétrique, la sortie "positive" (polarité d'origine). En même temps, cette sortie est routée vers un second AOP, U1:B, qui lui non plus n'apporte aucun gain, mais qui par contre inverse la phase du signal. Ce second AOP fournit la seconde moitié de la sortie symétrique, à savoir la sortie "négative" (polarité opposée). Vous aurez sans doute remarqué la présence de plusieurs condensateurs sur la sortie de chaque AOP. Ces condensateurs sont bien sûr destinés à stopper la composante continue présente sur les sorties en question, puisque nous travaillons ici avec une alimentation simple et que la masse virtuelle VREF est égale à la moitié de la tension d'alimentation (les signaux BF évoluent autour de cette tension). En même temps, il n'est pas question qu'une alimentation phantom de 48 V parvienne sur ces sorties, elles n'aimeraient pas vraiment... Mais cela n'explique pas la présence de deux condensateurs polarisés montés tête-bêche. Rassurez-vous, la raison en est fort simple. Les condensateurs placés en sortie des AOP doivent être connectés avec leur pôle positif du côté de la prise XLR si le montage tire son énergie d'une alimentation phantom, mais doivent être connectés avec leur pôle positif du côté de l'AOP si le montage tire son énergie d'une alimentation par pile. Comme il est plutôt compliqué de commuter le sens des condensateurs en utilisation "live", deux condensateurs sont mis ainsi en série (avec polarités inversées) pour constituer un condensateur non polarisé. Ajoutons que deux condensateurs montés ainsi en série, s'ils sont de même valeur, constituent un condensateur équivalent de valeur moitié à l'un des deux (deux condensateurs de 220 uF en série équivalent à un seul condensateur de 110 uF). Voila ! Quant aux deux condensateurs C4 et C7, ils permettent juste une meilleurs réponse dans les fréquences élevées, et ne sont pas indispensables. Les résistances R6 et R7 permettent de limiter le courant de sortie des AOP en cas de court-circuit franc sur la sortie XLR. Les diodes D2 et D3 entre sortie AOP et +V servent à protéger l'AOP contre l'apparition de tensions supérieures à la tension d'alim, susceptibles d’apparaître à cause des condensateurs de liaison, lors des commutations on/off de l'alim phantom. Ces surtensions éventuelles sont écoulées dans le rail d'alimentation si leur valeur dépasse de 0,6 V la tension d'alim.

Ground / Lift ?

L'interrupteur Ground / Lift brille par son absence... Un oubli ? Et non. Il est impossible ici de couper la masse de la sortie XLR, si le montage tire son alimentation d'une alimentation phantom, dont la référence est justement... la masse. A la limite vous pouvez ajouter un inter Ground / Lift utilisable quand le montage fonctionne sur pile, à vous de voir. Notez cependant la présence d'un circuit RC parallèle qui "isole" partiellement la masse électrique du montage, de la broche 1 de la XLR. Ce n'est pas l'idéal j'en conviens, mais ça fonctionne tout de même dans la grande majorité des cas.

Schéma 002b

C'est le même schéma que celui vu précédemment, mais sans l'atténuateur d'entrée utilisé pour le raccord à une sortie HP amplifiée, et sans le commutateur d'alim piles 9 V / Phantom. Un atténuateur (PAD) de 20 dB est proposé en option.

Résumé des modifications

Les différences entre schéma d'origine 002 et schéma simplifié 002b peuvent se résumer ainsi:

La possibilité d'atténuer fortement le signal d'entrée en vue de lui faire accepter une source HP amplifié est supprimée, c'est pourquoi n'apparaissent plus les composants appelés à l'origine SW1, R5 et RV1. Désormais, le signal issu de la guitare entre directement sur la première moitié de l'AOP U1:A, via C1 et R2 (sauf si PAD optionnel enclenché, voir ci-après).
Si vous prévoyez d'utiliser cette DI avec un instrument de musique autre qu'une guitare (un synthé par exemple), il est intéressant de prévoir un atténuateur BF (PAD) pour éviter tout risque de distorsion si la source sonore délivre un signal d'amplitude élevée. Sur le schéma, ce PAD optionnel est représenté par SW1, R5 et R5'.
PAD hors-service (cas sur le schéma) : R5 est court-circuitée et R5' est déconnectée, c'est comme si les trois composants SW1, R5 et R5' n'existaient pas.
PAD en service : R5 est libérée et se retrouve en série avec C1, et R5' se retrouve connectée en parallèle avec R1. Dans ce cas R5 et [R1//R5'] constituent un pont diviseur de tension qui ici apporte une atténuation voisine de 10, soit 20 dB. Pour obtenir une atténuation de 100 (40 dB), il suffit de donner à R5' la valeur de 1 kO au lieu de 10 kO.
La possibilité d'une alimentation autonome sur pile étant supprimée, plus de raison d'être des composants SW2 et BAT1 (couple des deux piles 9 V).
Le poussoir "Test alim" a été supprimé, la LED de présence tension alim phantom est donc désormais toujours allumée. Il faut reconnaître que dans le feu de l'action, devoir appuyer sur un poussoir pour vérifier que l'alim 48 V a bien été enclenchée sur la console semblait une opération dont on pouvait bien se passer. Notez que la résistance en série avec la LED a été revue à la hausse, passant de 1,2 kO à 22 kO pour limiter au maximum la consommation du montage. En contrepartie, il faut utiliser une LED dite "haute luminosité", au moins 200 mcd (mcd = milli-candella).
Condensateurs en sortie des AOP : dans le premier montage, je faisais remarquer qu'on utilisait deux condensateurs électrochimiques montés en série tête-bêche pour palier au problème de polarité selon choix alim pile / alim phantom. Ici seule l'alim phantom est mise à contribution, on peut donc revenir sur nos pas et n'employer qu'un seul condensateur à la place de deux, bien que garder les deux sur chaque sortie ne pose absolument aucun problème. Si vous optez pour cette simplification, supprimez C3 et C6, puis donnez à C2 et C5 la valeur de 100 uF. Les deux condensateurs restant C2 et C5 doivent dans ce cas avoir leur pôle positif tourné vers la sortie XLR.

Variantes 002c, 002d, 002db, 002e, 002f, 002g et 002h

Versions très similaires à la version 002, non décrites ici.

002c, 002d, 002f et 002g : versions sans PAD d'entrée, spécialement développées pour des étudiants en écoles de cinéma/audiovisuel.

002db (ci-après à gauche) : version pro avec AOP audio haut de gamme
002e (ci-après à droite) : version spécialement étudiée pour multiples tests avec divers AOP

002h : version pour usage uniquement avec alimentation phantom P48 (48 V) ou P18 (18 V), alimentation par pile 9 V supprimée

Ajout d'une sortie LINK

La sortie LINK n'est ni plus ni moins qu'une prise jack câblée en parallèle sur l'entrée jack, et se retrouve donc sous forme asymétrique.

Ce type de reprise ne pose pas de problème si la prise Link est reliée sur l'entrée haute impédance d'un ampli guitare utilisé localement et donc avec un câble court. Ceci dit, un autre problème peut apparaître, celui d'une boucle de masse qui peut engendrer une ronflette (fort heureusement, vous disposez d'un interrupteur ground-lift pour contrecarrer cet éventuel phénomène gênant).

Choix des meilleurs composants à utiliser ?

Ah ! La bonne question !
Dans ce genre de réalisation, il faut être attentif aux points suivants :
1 - La qualité audio propre des composants, dont l'AOP bien sûr, qui est particulièrement déterminant dans la qualité finale. Les résistances seront des modèles à couche métal, oubliez ici les résistances carbone.
2 - La consommation du montage doit être minime, qu'il puise son énergie dans une pile ou dans une alimentation fantome.
3 - La qualité de réalisation du circuit imprimé : le tracé des pistes de cuivre (comme dans beaucoup de montages audio ou HF) doit être refléchi. Il faut notamment faire bien attention au routage des alimentations et des masses.

Choix de l'AOP ?

Le TL072 choisi ici n'est certes pas ce qui se fait de mieux, mais il consomme peu et présente tout de même des caractéristiques plus qu'honorables. Je vous invite à mettre un support de circuit intégré (un support CI de type Tulipe, pas de type Lyre) et à essayer le montage avec ce CI. Si vous souhaitez ensuite essayer d'autres AOP (NE5532, AD822, OP270 ou OPA2134 par exemple), les échanges en seront facilités. Notez au passage que les AOP qui consomment "trop de mA" ne permettent pas de disposer d'une tension suffisante pour une bonne dynamique quand on utilise l'alimentation Phantom ! La consommation de chaque AOP ne doit pas excéder 3 mA et c'est un grand maximum, l'idéal étant qu'elle ne dépasse pas 2 mA. Pour vous assurer de ce "détail", vous devez consulter les caractéristiques électriques fournies par les constructeurs dans leur document technique (datasheet). Quelques pistes.

Prototypes

Au moins deux prototypes réalisés : le mien et celui de Maxime L., que je remercie pour ses retours.

Mon prototype

Basé sur le dessin de circuit imprimé (PCB) mis à disposition ci-après, et intégré dans une boîte de DI passive premier prix (Millenium DI-E) dont je n'ai conservé que la mécanique. Dans un premier temps, retrait du transfo BF (sans référence) du boîtier de la Millenium DI-E :

Puis remplacement du transfo par le circuit actif version 002b (version du circuit imprimé de 2011).

Ensemble testé avec mon interface Focusrite Scarlet 2i2. La LED bleue, bien qu'étant située à l'intérieur du boîtier, laisse apparaître sa lueur même quand le boîtier est fermé, grâce à une petite ouverture dans la prise XLR de sortie.

Remarque concernant la boîte de direct Millenium DI-E : J'ai acheté cette DI dans le seul but de disposer d'un boîtier prêt à l'emploi, avec la ferme intention dès le départ de me débarrasser du transfo BF inclus. Bien pratique, espace libre amplement suffisant pour y loger mon circuit. Du coup, j'ai décidé de refaire deux autres DI sur le même principe et en ai recommandé deux identiques. Malheureusement et malgré un nom de modèle identique, les deux dernières reçues ne sont pas du tout conçues de la même façon que la première. Les plus récentes sont plus petites, et les jacks ainsi que le transfo BF sont montés sur circuit imprimé, ce qui rend plus difficile (mais pas impossible) la "mise à jour".

Prototype de Maxime L.

Retour positif de Maxime L., qui a réalisé cette boîte de direct, avec quelques modifications (légères) par rapport au schéma 002 d'origine.

Bonjour Rémy, je viens de finir deux DI active basées sur vos schémas. J'ai fait 3 petites modifs pour les adapter à mon utilisation : j'ai supprimé l'alimentation sur pile, j'ai rajouté un Pad (câblé "en l'air" car j'ai rajouté cette option après avoir réalisé le PCB) et j'ai supprimé l'entrée basse impédance car je n'en avais pas l'utilité. Par ailleurs pour ceux que ça intéressera, le boîtier vient de chez banzaï music c'est un eddystone de 92x92x42mm et le lettrage a été fait au lazertran. J'ai pour l'instant testé avec une guitare électro-acoustique et une console bas de gamme behringer, et le son à l'air transparent et le seul souffle que j'ai est celui de la console. Le rapport qualité/prix est excellent, j'en ai eu pour une quinzaine d'euros avec des connecteurs de récup ! Je pense que cela revient à 20 € tout compris.

Un grand merci à Maxime pour ses photos et commentaires.

Circuits imprimés

Réalisés en simple face avec deux straps de même longueur (important pour la symétrie visuelle) pour le circuit 002 et avec le nombre astronomique de 4 straps pour la version 002b.

Circuit imprimé version 002

A part le triplet de composants D4 (LED), SW3 (poussoir Test alim) et R13, tous les composants tiennent sur le circuit imprimé.

Typon circuit 002

Les connectiques pour potentiomètres, prises d'entrée / sortie et interrupteurs / inverseurs sont placées sur le bord du circuit, mais rien n'impose leur présence à cet endroit, on peut très bien câbler ces "annexes" en dehors. Par exemple, un des deux fils qui amènent le 18 V provenant des deux piles 9 V passe par l'interrupteur SW2. La liaison entre pile et interrupteur peut se faire aussi bien en l'air, pas vraiment besoin d'une piste de CI pour ça. A ce sujet, vous pouvez d'ailleurs faire comme l'a fait Maxime L., à savoir supprimer ce qui touche aux piles, si vous êtes sûr de toujours disposer d'une alim phantom. C'est vous le capitaine du navire.

Circuit imprimé version 002b

Après suppression du connecteur alim piles 9 V (BAT1) et de l'inverseur choix source alim (SW2), il restait un peu de place pour la LED D4 et sa résistance série R13. Donc hop, dans le panier.

Typon circuit 002b (Rev 1.1 du 14/01/2018)

Notez que pour ce second typon, j'ai aussi procédé à quelques inversions de position au niveau des résistances R6, R7, R9 et R10. Routage facilité côté connecteur de sortie XLR (J2), mais qui a imposé un espacement des pattes plus large pour les condensateurs C6 et C7 afin de pouvoir y faire passer une piste de cuivre.

Typons au format PDF (seule la version 002b a été mise à jour au 14/01/2018)

Circuits imprimés versions ultérieures (002c à 002h)

Pas tous disponibles en libre service, consulter les pages respectives pour plus d'infos (clic sur images 3D du paragraphe Variantes).

Historique

14/01/2018
- Ajout photos de mon prototype version 002b, intégré dans un boîtier de DI passive premier prix (Millenium DI-E).
- Refonte du circuit imprimé (légèrement plus grand, avec plus de place pour les condensateurs chimiques).
13/11/2011
- Ajout version simplifiée du circuit d'origine (circuit 002b). Dans cette version simplifiée, retrait de l'atténuateur d'entrée pour sortie HP amplifiée, retrait de l'alim par pile et ajout d'une option atténuateur (PAD) fixe de 20 dB en entrée.
- Ajout dessin du circuit imprimé pour les deux versions 002 et 002b.
- Ajout photos du proto de Maxime L. (version modifiée du circuit 002).
16/05/2009
- Ajout poussoir SW3 et LED D4 pour test alim, que je mentionnais dans le texte mais que j'avais omis sur le schéma (merci à Martin de m'avoir signalé cet oubli).
- Remise en bon ordre des deux bornes de la XLR de sortie, le signal de sortie Out+ en phase avec l'entrée était câblé sur la broche 3 (point froid) au lieu de la broche 2 (point chaud).