Electronique > Théorie > Ces watts qui nous sont si chers...
Dernière mise à jour : 15/01/2017Présentation
Vous pouvez le constater de vous même comme moi-même l'ai constaté, certains fabricants et vendeurs de matériel audio n'hésitent pas à employer des termes tordus pour exprimer la puissance de sortie d'un amplificateur, aussi bien dans le domaine multimédia (petites enceintes amplifiées), que dans le domaine de la hi-fi ou de la sono. On trouve ainsi des Watts RMS, des Watts musicaux, des Watts maximum, des Watts moyens, des Watts PMPO, des Watts DIN, et pourquoi pas, un jour ou l'autre, des Watts MAELM-IPUMDW (Mon Ampli Est Le Meilleur, Il Pête Un Max De watts). Pendant longtemps, j'ai pensé (et cru) que le seul type de Watts dont on devait tenir compte était le Watt RMS, également connu sous le terme de Watt efficace. Peut-être parce qu'en lisant le mot "efficace", et surtout à cause de mon ignorance (relative) dans le domaine, j'avais un peu le sentiment de ne pas avoir affaire à n'importe quoi. Peut-être aussi parce que les fabricants de composants de puissance dédiés aux applications audio n'hésitent pas à employer ce terme dans leurs documents techniques. Et puis un jour quelqu'un m'a écrit pour me demander quel type de puissance sortaient les amplis dont les schémas sont mis à disposition sur mon site : "Watts RMS ou autre ?". Pour moi il était évident qu'il s'agissait de Watts RMS, et j'allais répondre, presque sûr de moi, quand tout à coup j'ai ressenti un instant de faiblesse, je me suis comme qui dirait senti un peu perdu. Et j'ai soudain senti pousser l'envie de profiter de cette question pour faire un petit papier résumant les différences principales existant entre ces différentes types de puissances. Si pour moi la notion de RMS était évidente, et si pour moi la notion de Watt PMPO était une pure arnaque commerciale, je voulais tout de même en savoir un peu plus. J'ai donc pianoté un peu sur internet, et je me suis rendu compte que la question n'était pas si simple. Peut-être à l'époque déjà avais-je flairé le danger (celui de ne rien comprendre) et m'étais-je réfugié vers des réponses limités, qui me convenaient. Quand j'ai fabriqué mes premiers amplis de voiture (booster à base de TDA2002 et TDA2003 montés en pont), j'avais bien noté (avec mes seules oreilles comme instrument de mesure) que leur puissance de sortie était supérieure à celle de l'autoradio que mes parents avaient à l'époque. Et cela me suffisait : il y avait plus de puissance et le son n'était pas (ne semblait pas) moins bon. Je passe sous silence les premiers exemplaires d'ampli, qui oscillaient et chauffaient méchament. La présente page résume ce que j'ai compris à ce jour (fin 2009). Ne la prenez pas comme argent comptant, mais plutôt comme une base de réflexion. Je fais des erreurs depuis que je suis gosse (à croire que j'aime ça), et je serais bien attristé d'apprendre que le texte qui suit puisse être pris comme référence. Ce n'en est pas une !Qu'est-ce que le Watt, d'un point de vue auditif ?
Le watt est l'unité utilisée pour exprimer une puissance. Il peut s'agir de la puissance électrique en sortie d'un amplificateur audio, de la puissance accoustique fournie par un haut-parleur, tout comme il peut s'agir de la puissance dissipée sous forme de chaleur par un composant électronique (résistance, transistor, ou autres). Quand on parle de la puissance d'un haut-parleur, on ne parle pas de la puissance sonore que le haut-parleur est capable de fournir, mais de la puissance électrique qu'il est capable de supporter sans risque de déterioration. Comme le watt est l'unité privilégiée pour montrer ce que peut sortir un amplificateur, on peut comparer deux amplificateurs différents, au moment de faire ses courses. Seulement voilà, un premier amplificateur donné pour 2 * 20 W peut délivrer une puissance bien supérieure à celle pouvant être délivrée par un second amplificateur donné pour 2 * 100 W. Rigolo, n'est-ce pas ?Qu'est-ce que le Watt, d'un point de vue mathématique ?
A l'école, j'ai appris que le nombre de watts dissipés dans une résistance pure était obtenu en multipliant la valeur du courant circulant dans cette résistance, par la valeur de la tension développée à ses bornes :P = U * I
ou encore en divisant le carré de la tension aux bornes de la résistance, par sa valeur ohmique :
P = (U * U) / R
ou encore (vive les maths) en multipliant la valeur de la résistance par le carré du courant qui y circule :
P = R * I * I
En supposant que l'on dispose d'une résistance de valeur fixe de 10 ohms, parcourue par un courant continu de 1 A, la tension développée à ses bornes est de
U = R * I = 10 * 1 = 10 V.
La puissance qu'elle dissipe peut être calculée à partir des trois formules précédentes, et est de :
P = U * I = 10 W
P = (U * U) / R = (10 * 10) / 10 = 10 W
P = R * I * I = 10 * 1 * 1 = 10 W
Ouf, on trouve la même chose avec les trois formules, et je n'ai même pas sorti ma calculatrice.
Remarques :
- On appelle une résistance pure, une résistance dont les composantes parasites (composante selfique et composante capacitive) sont nulles ou négligées : le courant qui circule dans la résistance est en phase avec la tension appliquée à ses bornes, ce point est surtout important quand on travaille avec une tension alternative;
- La résistance est supposée supporter une dissipation de puissance en rapport avec ce qu'elle dissipe réellement, ce qui lui évite de se transformer en nuage de fumée sans passer par l'état liquide;
- Après quelques minutes de test, votre nez a humé quelques effluves de chaleur, et vous avez eu le bon réflexe de ne pas poser les doigts sur le composant.
Alternatif vs Continu
Dans l'exemple précédent, on disposait d'une tension continue et d'un courant continu, qui ne variaient pas dans le temps. Imaginez que l'on applique une telle tension et un tel courant à un transducteur de type haut-parleur : qu'allez-vous entendre ? Rien de la part du HP, mais peut-être pas mal de gros mots de la bouche de son propriétaire. Car selon la puissance admissible dudit HP, ce dernier se contentera de faire un plop et un déplacement violent de sa membrane (en avant ou en arrière selon le sens de branchement), ou de chauffer et de fumer, ce qui pourrait vous laisser un goût amer, une sensation de "Ah, il me semble avoir fait une connerie...". Gardons la même résistance de 10 ohms, mais appliquons maintenant à ses bornes un signal alternatif de type sinusoïdal, dont la fréquence est de 1000 Hz (valeur largement utilisée pour les mesures audio) et dont l'amplitude est de 10 Vcac (cac = crête à crête en français, pp = peak to peak en anglais). L'amplitude du signal est de 10 V comme pour l'expérience précédente avec une tension continue, mais comme la tension varie maintenant sans arrêt entre le min et le max (augmentation, puis diminution, puis à nouveau augmentation, etc), on se doute bien que la puissance moyenne dissipée par la résistance sera moindre (on n'a pas le maximum de tension - et donc le maximum de courant - en permanence). Et c'est à partir de ce constat, que l'on sent que les choses vont se compliquer et qu'il va falloir jouer de la formule...Mais au fait, tension et courant en phase... ou pas en phase ?
L'expérience précédente, menée sur une résistance "pure" (parfaite) est l'une de celles qui permet de rendre facilement compte de la notion de puissance avec une source de tension alternative. Avec un élément qui n'est pas une résistance parfaite et qui comporte une composante selfique ou capacitive, le courant ne suit pas la tension, il est en déphasage (courant en avance sur la tension pour le condensateur, tension en avance sur le courant pour la self). Or un haut-parleur est avant tout une bobine, et le calcul de la puissance absorbée par cette dernière ne peut pas se faire comme on le fait avec une simple résistance. Le fonctionnement d'un HP est en fait assez complexe, car s'il présente une impédance "moyenne" (valeur qu'on communique à l'acheteur) il présente aussi une "bosse d'impédance" et un "creux d'impédance" où la tension et le courant sont en phase (ce phénomène ne peut être mis en évidence qu'avec un signal sinusoïdal). Finalement, et si on voulait être rigoureux, il faudrait parler de Watts pour ces deux points de fréquence précis (bosse et creux d'impédance) et parler de Volts-Ampères pour toutes les autres fréquences, où interviendrait alors le terme "cos-phi" pour prendre en compte le déphasage entre tension et courant. Pour un soucis de simplification, nous considèrerons dans la suite de cet article, que le courant et la tension sont toujours en phase, ce qui bien sûr est faux. Mais soyons donc gentil de temps en temps avec nos neurones...Watts RMS (puissance efficace)
RMS = Root Mean SquareLa valeur efficace (ou RMS) d'un courant Ieff produit par un signal périodique (non continu) de période T (de fréquence 1 / T) dans une résistance R, est égale au courant continu Ic qui provoque le même effet (qui dans le cas qui nous concerne produit la même élévation de température) dans une même résistance, pendant la même durée T. La valeur obtenue est une puissance moyenne, et on pourrait fort bien se contenter de l'appeler "puissance", avec le symbole d'unité "W", tout simplement.
La puissance RMS n'existe pas
Utiliser le terme "puissance RMS" pour exprimer la puissance de sortie d'un amplificateur peut être vue comme un abus de language, même si on peut l'obtenir à partir des valeurs de tension RMS et de courant RMS (valeurs toutes deux efficaces). Réservons cette appellation pour les valeurs de tension ou de courant, et oublions-là pour exprimer la puissance des amplificateurs BF.Remarque : on ne peut pas tirer d'autres données viables de la valeur de la puissance obtenue, si on ne connait pas la forme du signal utilisé pour la mesure. Un signal carré d'amplitude 10 Vcac injecté dans une résistance de 10 ohms, ne produit pas le même effet qu'un signal sinusoïdal de même amplitude (10 Vcac) injecté dans la même résistance. La majorité des mesures (de puissance, mais aussi de distorsion ou de diaphonie) s'effectuent avec un signal de forme sinusoïdale.
Exemple pratique
Supposons qu'un étage de sortie d'un amplificateur BF travaille sous une tension continue symétrique de +/-20 V et que cet étage est chargé par un HP d'impédance 4 ohms. La tension crête à crête aux bornes du HP peut ainsi atteindre 40 V au maximum (excursion entre -20 V et +20 V, on néglige les chutes de tension dans les transistors de sortie). La tension efficace est égale à la tension max (20 V en valeur absolue) divisée par 1,41 (racine de 2 ), soit :Veff = Vmax / 1,41
Veff = 20 / 1,41 = 14,2 Veff
La puissance "efficace" serait donc de :
Peff = (U * U) / R
Peff = (14,2 * 14,2) / 4 = 50 Weff
Ce calcul simple montre une chose étonnante : la tension d'alimentation joue un rôle capital dans la puissance que l'amplificateur peut délivrer au HP. Ah, tant qu'on y est, ne pas oublier le courant crête que l'alimentation doit pouvoir fournir. Avec 50 W sous 4 ohms, ça doit bien faire dans les 3,5 A, ou un truc du genre. Hum... donc pour un ampli stéréo de 2 x 50 W, il nous faudrait 7 A. Je vais y réfléchir...
Voyons maintenant quelle puissance (théorique et maximale, en négligeant les pertes dans les composants de puissance) on serait capable de débiter dans une charge de 4 ohms, avec différentes valeurs de tension d'alimentation :
- Avec alim simple +12 V (4,25 Veff) : Pmax = (4,25 * 4,25) / 4 = 4,5 W
- Avec alim symétrique +/- 12 V (8,5 Veff) : Pmax = (8,5 * 8,5) / 4 = 18 W
- Avec alim symétrique +/- 18 V (12,7 Veff) : Pmax = (12,7 * 12,7) / 4 = 40 W
- Avec alim symétrique +/- 24 V (17 Veff) : Pmax = (17 * 17) / 4 = 72 W
- Avec alim symétrique +/- 36 V (25,5 Veff) : Pmax = (25,5 * 25,5) / 4 = 160 W
- Avec alim symétrique +/- 60 V (42,5 Veff) : Pmax = (42,5 * 42,5) / 4 = 450 W
Watts moyens (puissance moyenne)
Si on multiplie des volts RMS par des ampères RMS, on obtient..... des watts moyens, c'est ce qu'on a vu ci-avant. D'un point de vue mathématique, pour obtenir une puissance moyenne, il faut effectuer plusieurs mesures de tension et de courant qui se suivent dans le temps (valeurs instantanées), faire la somme de l'ensemble des valeurs mesurées qui auront au préalable été élevées au carré, puis enfin diviser le total obtenu par le nombre de mesures réalisées dans une période de temps donnée. C'est ainsi que procèdent certains wattmètres du commerce (il existe d'autres méthodes). La puissance moyenne est celle que peut fournir l'amplificateur en régime "continu", tout du moins sur une longue période, sans trop s'essoufler et sans que les éventuelles protections de sortie (notamment contre les surchauffes) n'entrent en service : plusieurs heures d'affilée à pleine puissance, ce qu'on ne trouvera guère en pratique avec une vraie musique, mais au moins on dispose d'une données technique (physique) solide.Bien entendu, il est important de savoir quel taux de distorsion maximal on s'autorise, car là encore, ça peut aller dans un rapport de 1 à 100 :
- 0,1 % de distorsion pour un ampli hi-fi
- 1 % de distorsion pour un ampli de sono
- 10 % de distorsion pour un ampli de voiture (pensez donc, le bruit du moteur cache la distorsion).
Watts crête et Watts crête à crête (puissance crête et puissance crête à crête)
La puissance crête est celle que l'on a quand la tension alternative appliquée à la charge (la résistance ou le haut-parleur) est maximale. Quand le signal est une tension alternative de type sinusoïdale, la tension crête est égale à la tension efficace (RMS) multipliée par 1,41 (racine carrée de 2). Pour le crête à crête, même principe que pour la tension crête, sauf que là on tient compte des alternances positives et négatives : la tension crête à crête est égale à la tension efficace (RMS) multipliée par 2,82 (2 fois racine carrée de 2), si le signal de mesure est de type sinusoïdal.Watts musicaux (puissance musicale)
On obtient ici une valeur égale à la puissance efficace (RMS) multipliée par un facteur qui est le plus souvent de 2, mais qui peut aussi parfois être de 1,5 ou de 3. Les watts musicaux correspondent à la puissance que peut soutenir l'amplificateur pendant un court instant (on parle de régime impulsionnel) et non de façon continue, sans apporter de distorsion par ecrêtage. En toute rigueur, la mesure de la puissance musicale devrait être faite avec des signaux test de type amortis (décroissance progressive et rapide, comme l'est le son produit par un instrument de percussion - grosse caisse ou tom par exemple), et dont la fréquence devrait être comprise entre 250 Hz et 500 Hz, endroit du spectre audio où l'on constate de très fortes crêtes dans un passage musical joué par un orchestre de musique classique, ou dans un morceau où les coups de grosse caisse n'ont pas été complètement ratatinés par un limiteur de modulation.Watts PMPO
PMPO = Peak Music Power OutputLes Watts PMPO sont sans doute les plus risibles de tous, tant ils ne correspondent à rien de sérieux. La puissance PMPO est mise en avant pour donner "du corps" à des amplificateurs ou à des petites enceintes amplifiées qui ne délivrent que des petites puissances, et correspond par exemple à la puissance crête qu'une seule voie d'un amplificateur stéréo serait capable de fournir à un instant donné et de façon très brève. La valeur obtenue est en générale très supérieure à la puissance moyenne, on trouve parfois des rapport allant de 10 à 50, soit une puissance annoncée de 50 W PMPO pour une puissance efficace de 1 Watt ! C'est vraiment du n'importe quoi, mais c'est un argument de vente imparable pour celui qui n'y connait rien !
Watts DIN
La puissance DIN est d'origine allemande, avec un rapport de 1,66 par rapport à la puissance efficace ou RMS (vous savez, cette façon de parler de la puissance que l'on devrait mettre aux oubliettes). Ainsi, une puissance de 6 W RMS (argh) peut aussi s'écrire 10 W DIN.Comment tromper les gens ?
1 - En employant des unités hors du commun et dont la grandeur n'a d'égal que la bêtise humaine (lisez puissance PMPO).2 - En indiquant une valeur unique de puissance, sans en préciser la nature exacte, par exemple "Puissance de 500 W" pour un ensemble stéréo. Dans ce cas, on a bien des chances de penser qu'il s'agit d'une valeur bien gonflée, et que l'amplificateur doit surement être en mesure de ne délivrer que quelques dizaines de watts sur chaque canal.
3 - En utilisant l'amplificateur à moitié : imaginez simplement un amplificateur stéréo dont les deux voies, rigoureusement identiques, sont toutes deux capables de délivrer une puissance efficace de 20 W quand elles travaillent de façon indépendante, et que l'alimentation secteur a été dimensionnée pour une seule voie. L'amplificateur est bien en mesure de délivrer 20 W efficaces sur chacune de ses deux voies quand elles sont prises (testées) séparement, mais l'alimentation s'écroule dès que les deux voies sont en service et un peu poussées. Malin, non ?
4 - En entretenant l'ambiguité : à un acheteur potentiel qui se perd dans les différentes appellations de puissance, il est bien plus simple de lui faire gober n'importe quoi.
Différences entre signaux tests et source musicale vivante
Faire des tests sur un ampli avec des signaux tests continus et avec une charge purement résistive (grosse résistance de puissance) pour en déterminer la capacité à sortir telle ou telle puissance en régime continu est une chose. Tester l'amplificateur en situation réelle avec des haut-parleurs (qui ne sont pas des résistances pures) et avec une musique classique ou un bon morceau de rock, en est une autre. Il n'est pas rare de constater une meilleur musicalité avec un amplificateur dont la puissance de sortie est moindre, même lors de passages assez costauds. La seule caractéristique de puissance n'est pas un critère de choix suffisant. La raison en est que l'amplificateur doit non seulement pouvoir fournir une puissance soutenue à un niveau choisi par le concepteur, mais aussi pouvoir répondre très rapidement et sans faille à des crêtes de modulation dont l'amplitude peut atteindre dix fois l'amplitude moyenne constatée (surtout dans les fréquences graves, où repose la plus grosse partie de l'énergie totale). Et on ne parle même pas des différents types de distorsion (distorsion harmonique, distorsion de croisement, etc) qui "passent" plus ou moins bien à l'oreille (à ce sujet, et pour frimer un peu, vous pouvez demander à votre revendeur préféré de vous communiquer la valeur du gain en boucle ouverte de la section puissance, et de vous préciser le facteur d'amortissement). Bref, on peut bien se poser la question de la pertinence d'une unité telle que le Watt efficace ou moyenné, qui ne rend pas forcement compte de la capacité d'un amplificateur à traiter correctement un signal musical réel. Mais comme il faut bien disposer de références permettant les comparaisons entre différents appareils, et que cette unité est facilement exploitable...Quelques vérifications simples
On peut très bien ne pas être un expert, quelques gouttes de bon sens peuvent vous permettre de sentir l'arnaque, ou plus simplement d'avoir une idée grossière de la puissance qu'est réellement capable de sortir un amplificateur.- Si vous lisez sur la plaque signalétique d'un amplificateur ou d'enceintes amplifiées (en-dessous ou à l'arrière de l'équipement) que la consommation électrique (celle absorbée au niveau de l'alimentation) est de 10 W, et que l'amplificateur est donné pour délivrer 2 * 25 W, posez-vous des questions... Avec une consommation de 10 W, mieux vaut plutôt s'attendre à une puissance max de 2 * 2,5 W, soit 10 fois moins.
- Les puissances annoncées dans les publicités ou sur les fiches de caractéristiques des amplificateurs vendus en magasin, sont souvent des puissances musicale (ou autre), quasiment jamais des puissances moyennes. Les puissances annoncées dans les documents techniques des fabricants de composants électroniques (datasheet) sont généralement exprimées en watts efficaces.
- Si vous disposez du schéma d'un amplificateur et que vous pouvez lire la valeur de la tension d'alimentation utilisée pour l'étage final (partie de l'ampli qui produit réellement la puissance), vous pouvez alors vous faire une idée de la puissance de sortie réelle. Par exemple, pour délivrer une puissance de 200 W sur une charge de 8 ohms, il faut une tension d'alimentation théorique de l'ordre de 55 V. Si on tient compte des tensions de déchet et des marges nécessaires pour un fonctionnement correct des transistors de l'étage de sortie (qu'ils soient discrets ou intégrés), on se rend compte qu'il faut au moins 60 V pour obtenir nos 200 W.
Et du côté du HP ?
Dans cet imbroglio de puissances aussi honnêtes que variées, on est en droit de se demander laquelle doit être prise en compte pour choisir les HP qui vont bien. Doit-on se focaliser sur la puissance efficace, qui représente une "équivalence" à un régime sous tension continue, et dans ce cas prendre un HP de 50 W pour un ampli de 50 W RMS ? Ou au contraire doit-on s'inquiéter de la puissance crête à crête, auquel cas il faudrait doubler la puissance admissible du HP et choisir un HP de 100 W pour un ampli de 50 W RMS ? Et qu'en est-il du rendement du HP ?Puissance admissible
Dans la pratique, on voit un peu de tout, mais globalement, le sens de la marge dépend de l'application :- En hi-fi, il est souvent préconisé de prendre un HP capable de supporter une puissance supérieure à la puissance que peut délivrer l'amplificateur, par exemple HP de 50 W pour un ampli de 25 W RMS. Surtout pour de la musique classique, avec une écoute qui se fait généralement à volume faible ou moyen, avec de forte crêtes.
- En sono, c'est plutôt l'inverse, l'amplificateur peut délivrer une puissance supérieure à celle que peut supporter le HP (par exemple ampli de 150 W pour un HP de 100 W). On n'y passe pas beaucoup de musique classique (sauf en séances rétro peut-être, avec des valses jouées par un orchestre symphonique) et on peut se trouver souvent en limite de distorsion, point où les HP d'aigus ne se sentent pas trop à l'aise et courent plus le risque d'être détruits...