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Electronique > Réalisations > Affichage / Mesures > Wattmètre audio 002

Dernière mise à jour : 31/01/2021

Présentation

Voici un wattmètre 5 LED ne requiérant aucune alimentation, pour se faire une idée de la puissance délivrée par un haut-parleur, en sortie amplifiée (Haut-Parleur) d'un amplificateur audio. La plage de puissance tolérée est comprise entre 20 W et 200 W environ (cette plage dépend de l'impédance du HP, voir schéma et texte).

     

Ce petit circuit, qui a fait l'objet de trois versions différentes, peut être logé dans un ampli de puissance ou dans une enceinte passive ou active.

Avertissements

Cet indicateur de puissance est prévu pour être raccordé en parallèle sur les broches [+] et [-] d'un HP (Haut-Parleur). Un mauvais branchement peut - dans le pire des cas - occasionner une panne de l'amplificateur audio de puissance, attention donc !

Ne pas brancher cet indicateur seul en sortie d'un amplificateur de puissance, sans charge (sans HP).

Schéma 002

Enfin un schéma rigolo où des fils se croisent !

Descriptif de fonctionnement

On utilise l'énergie électrique transmise au haut-parleur par l'amplificateur audio de puissance, pour allumer une ou plusieurs LED. Bien entendu, on s'arrange pour que l'énergie prélevée soit négligeable en regard de celle utilisée pour activer la membrane du haut-parleur. Les deux résistances R1 et R2 limitent le courant qui peut s'avérer élevé quand le condensateur C1 est déchargé. La résistance dynamique des quatre diodes D1 à D4 y contribue aussi, dans une moindre mesure. Ces diodes redressent le signal alternatif issu de l'amplificateur (on se croirait presque en sortie d'un transformateur d'alimentation secteur). Le signal redressé est filtré/lissé par C1, ce qui permet de garder un bref instant le souvenir de LED qui s'éclairent (Noël est déjà si loin). 

La première LED (LED1) s'allume pour une tension efficace d'environ 10 à 12 V à l'entrée du montage (environ 14 V sur C1). La dernière LED (LED5) s'allume pour une tension efficace d'environ 40 à 42 V (environ 55 V sur C1). Notez que la tension développée aux bornes de C1 ne correspond pas à la traditionnelle formule Vin * 1,41 (moins chute de tension dans les diodes de redressement) car ici on a les deux résistances R1 et R2 qui s'ajoutent au redressement/filtrage et qui ajoutent une chute de tension "variable". Ces valeurs de tension correspondent à des valeurs de puissance qui dépendent de l'impédance du hat-parleur.

Les cinq LED doivent être de type "haute luminosité", un minimum de 100 mcd (milli-candella) sous 20 mA me semble une bonne valeur.

Puissance et tension, ou tension et puissance...

La puissance délivrée par l'amplificateur audio et convertie/dissipée par le haut-parleur dépend de la tension appliquée à ce dernier, ainsi que de la valeur de son impédance Z (notée R dans la formule qui suit, je suis toujours aussi contrariant).

P = (U * U) / R

Par exemple avec une tension de 10 V (10 Vdc en continu ou 10 Veff en alternatif) sur 8 ohms, la puissance (en watts) est de :
P = (10 * 10) / 8 = 12,5 W

Bien évidement, ce "wattmètre" reste avant tout un indicateur à la précision discutable, puisqu'un haut-parleur est particulièrement inductif (quand il n'est pas capacitif) et que le courant qui le traverse est très rarement en phase avec la tension qu'on applique à ses bornes. Sans parler du fait que la résistance du HP varie avec la fréquence (eh oui, c'est une impédance). Soyons donc indulgent avec ce petit circuit, qu'en aucun cas je ne me permettrais de comparer à un Wattmètre de précision.

Remarques : 

• Le plus gros de la puissance se situe dans les basses fréquences. Il est donc normal que les LED s'allument plus sur les "gros coups de basse".
• J'ai volontairement omis de détailler ici les notions de tension efficace ou crête-à-crête ainsi que du déphasage courant-tension. Plus de détails sur ma page Ces watts qui nous sont si chers.

Sortie HP normale ou pontée...

Guy J. me pose la question suivante : "Ce montage convient-il à une sortie amplifiée en mode pontée (bridge) ?".
La réponse est oui.

Le symbole de masse que j'ai dessiné sur le schéma 002 (et que je n'ai pas remis sur les schémas suivants) ne signifie pas que ce point doit être relié à la masse de l'ampli. J'ai conscience que cela peut porter à confusion. Il faut juste raccorder les deux broches [1] et [2] du connecteur J1 du wattmètre sur les broches [+] et [-] de la sortie amplifiée HP. Cette sortie peut être simple (avec la broche [-] de l'amplificateur reliée à sa masse) ou sortie HP pontée (bridged), car le circuit wattmètre est "flottant" et relié à rien d'autre.

La polarité importe peu ici, le signal audio étant alternatif et le redressement de type double alternance. Vous pouvez donc relier la broche [1] de J1 sur la broche [+] ou [-] de la sortie HP de l'amplificateur de puissance.

Origine du circuit

Le circuit décrit ici est basé sur un schéma paru dans le magazine Elektor Hors-série de juillet/août 1995, que j'ai modifié pour bénéficier d'une extinction plus lente des LED après disparition des crêtes du signal audio, tout en conservant le même temps d'attaque.

Le circuit d'origine procédait à un redressement mono-alternance (une seule diode de redressement) et il fallait augmenter la valeur de C1 pour une durée d'allumage plus longue, ce qui se traduisait aussi par une moindre réactivité sur les crêtes de modulation (le temps d'attaque étant alors allongé). Ici, les crêtes négatives du signal audio sont traitées avec autant de respect que les crêtes positives, on gagne donc de l'énergie - au détriment, certes, d'un nombre plus élevé de composants.

Schéma 002b

Petite variante, avec des diodes zener comme "élements de seuils".

Les diodes zener D5 à D9 définissent le seuil d'allumage des LED correspondantes : D5 pour LED1, D6 pour LED2, etc. Ce type de montage est simple à construire, facile à comprendre, et on peut sans calculs fastidieux modifier le nombre de points de mesure. En contrepartie, il présente le petit défaut de voir briller plus fort les LED "bas niveau" quand s'allument les LED "haut niveau". Cela est du au fait que la diode zener en série avec chaque LED, quand elle conduit, garde à ses bornes une tension qui ne change que peu. Il s'ensuit donc une augmentation de courant et un éclairage plus conséquent des LED au fur et à mesure que l'amplitude du signal d'entrée augmente. Il reste toutefois possible de compenser un peu cela en donnant une valeur plus élevée aux résistances série des LED correspondant aux faibles niveaux (par exemple 10 kO pour LED1, 8,2 kO pour LED2, etc).

Vu que les LED vont s'illuminer plus ou moins selon leur modèle (certaines s'allument beaucoup plus fort que d'autres) il est impossible de spécifier des valeurs de résistances possibles. Il faut partir avec une valeur de base comprise entre 4,7 kO et 10 kO, puis ajuster en fonction de ses goûts (vous pouvez vous contentez de garder les valeurs proposées, et de ne chercher à les modifier que si le rendu ne vous convient pas). Tiens, faisons donc un calcul rapide du courant qui traverse LED1 pour un faible niveau d'entrée et pour un fort niveau d'entrée.

• Si Ve = 12 Veff, VC1 = 15 Vdc => Iled1 = 0,5 mA
• Si Ve = 40 Veff, VC1 = 49 Vdc => Iled1 = 6 mA

Cela fait un gros écart, mais il est vrai que dans le feu de l'action on n'y prête pas forcément attention. Bien entendu il serait aisé de remédier complètement à ce genre de situation en ajoutant plus de composants... Mais cela est contraire au souhait de départ, qui est de bénéficier d'un circuit simple et compact. Quoique à bien y regarder, il n'est pas impossible que le montage de la figure 002c réponde en partie aux attentes sans pour autant devenir un monstre de guerre...

Schéma 002c

Version avec limiteurs de courant / générateurs de courant constant (un pour chaque LED).

Dans ce circuit, la résistance qui limitait le courant dans chaque LED a été remplacée par un transistor à effet de champs dont la source (S) est reliée à la grille (G). Ce mode de câblage conduit le FET à se comporter comme un générateur de courant constant, dont la valeur est comprise entre 2 mA et 10 mA (pour ce schéma). La valeur exacte de ce courant n'est pas prévisible, car les transistors FET présentent généralement de grandes dispersions de caractéristiques. Si vous constatez des trop grands écarts de luminosité dus à des valeurs de courant très différentes entre les diverses branches, prenez déjà le pli d'utiliser les transistors les moins généreux en courant pour piloter les LED les plus lumineuses à l'origine.

Comme le EFT ne reçoit de tension que quand sa zener associée (D5 pour Q1, D6 pour Q2, etc) conduit et qu'ensuite le courant reste quasi-constant, la luminosité des LED n'est quasiment plus dépendante de la tension redressée disponible sur C1. Finalement, je l'aime bien, ce montage, même si du coup on a toujours le maximum de courant consommé par chaque LED, au lieu d'avoir une "consommation" progressive. Ceci dit, rien ne vous empêche de remettre les résistances que j'ai retirées (tout en laissant les transistors FET) et d'en diminuer un peu la valeur. Mais entre nous, si on compare les 25 mA pompés par les cinq LED allumées en même temps avec les gros ampères pompés par le HP...

Remarques importantes :

• La tension nominale de C1 doit être de 63 V au moins, je conseille une tension nominale de 100 V.
• les transistors FET 2N3822 ne peuvent pas être remplacés par des 2N3819. Le 2N3819 ne supporte pas plus de 25 V sur son espace drain-source (Vds) alors que le 2N3822 supporte 50 V.

Prototype

Réalisé sur plaque d'expérimentation à pastilles pour la version 002b avec diodes zener.

 

Notez la présence de deux diodes zener câblées en série pour les deux premiers seuils : deux diodes de 5V1 pour remplacer la zener 10 V (que je n'avais pas) et deux zeners de 7V5 pour remplacer celle de 15 V (que je n'avais pas non plus). Essais réalisés sur une enceinte amplifiée FunGeneration PL108A (marque Thomann) censée délivrer une puissance crête de 240 W. J'ai utilisé des câbles de faible section, la charge constituée par le circuit étant faible.

 

Cette enceinte amplifiée n'est pas ce qui se fait de mieux, mais elle a le mérite d'être proposée à un coût très bas et de bénéficier d'un préampli micro (sommaire mais suffisant pour de la sono d'appoint), d'un lecteur intégré de fichiers MP3, d'un récepteur Bluetooth et, ce qui est bien utile pour mes bricolages, d'une sortie speakon pour HP externe. C'est cette sortie speakon (broches 1+ et 1-) que j'ai utilisée pour tester ce wattmètre. J'ai eu peine à allumer la troisième LED, même en poussant le volume et en étant à la limite de l'écrêtage. Bon, en même temps on sait bien ce que peuvent signifier ces "240 W crête" qui sont plus un argument commercial qu'autre chose (Ah bon ?). Et pour tout dire, je ne sais même pas quelle impédance fait le boomer ;)

Circuit imprimé

Réalisé en simple face pour les trois versions 002, 002b et 002c, au terme de quelques années de travail acharné. 

    

Typons aux formats PDF

Le circuit en lui-même, quelle que soit sa version, est simple. La problématique finale est plus d'ordre mécanique et liée à la mise en boîte du circuit. Pour ranger ce circuit dans une enceinte, cela nécessite de faire des trous pour les LED, idée peu séduisante voire repoussante pour certains. Pourtant en procédant ainsi, aucun fil ne dépasse. Une solution qui évite de toucher à l'enceinte consiste à placer le circuit au-dessus d'elle, dans un boîtier séparé. Dans ce cas, il faut tirer un câble vers l'entrée HP de l'enceinte si celle-ci est passive (ampli externe), ou faire rentrer un câble dans l'enceinte (pour se raccorder au HP) si cette dernière est active (ampli intégré) et qu'elle ne possède aucune prise de sortie HP externe.

Historique

31/01/2021
- Ajout précision concernant le branchement sur un amplificateur de puissance dont les sorties sont en mode ponté (bridged).

15/01/2017
- Première mise à disposition.