Un amplificateur mono ou stéréo de 100 W

Cet étage amplificateur final BF de puissance pouvant fonctionner en mono (ponté) ou en stéréo fournit une puissance maximale 100 W RMS. Il est réalisé avec deux circuits intégrés Philips.



Caractéristiques techniques
• Puissance sur une charge de 4 ohms à 1 kHz .....2 x 50 W RMS
• Puissance sur une charge de 8 ohms à 1 kHz .....2 x 40 W RMS
• Puissance en mono (ponté) 8 ohms 1 kHz ..........100 W RMS
• Bande passante .................................................20 à 25 000 Hz
• Distorsion harmonique ........................................–90 dB
• Distorsion d’intermodulation ...............................–86 dB
• Sensibilité d’entrée à la puissance maximale ......300 à 1 000 mVeff
• Tension d’alimentation ........................................double symétrique 2 x 28 Vcc
• Consommation maximale en pont .......................3,6 A
• Consommation maximale en stéréo ....................4 A
Cet amplificateur peut fonctionner en configuration mono (en pont) ou stéréo en fonction du paramétrage d’un inverseur câblé (voir figure 5)

Les circuits intégrés Philips TDA 1514A, utilisés pour cet amplificateur Hi-fi2 x 50 W, travaillent en classe AB (voir figure 2) : chacun délivre une puissance de presque 50 W sur une charge (enceinte acoustique) de 4 ohms d’impédance. Donc en stéréo (impédance des enceintes 4 ou 8 ohms) on utilise deux circuits intégrés. On pourra toutefois réaliser un amplificateur mono (de puissance double, mais en nous limitant à 8 ohms d’impédance pour éviter toute surcharge) en employant la configuration en pont (voir figure 5). À part ce qui précède et le contenu de la figure 5, nous nous référerons désormais essentiellement à la configuration stéréo.

Le schéma électrique
Comme le montre la figure 1, le schéma électrique est constitué des deux circuits intégrés Philips et des composants externes nécessaires.
Chaque TDA1514A peut travailler en pleine indépendance par rapport à son compère : il reçoit son propre signal (broche 1) qu’il amplifie et restitue à l’enceinte via sa broche 5. Le double inverseur SW2 doit dans ce cas être en position STEREO (JS) alors qu’en mono pontée il est sur “BRIDGE” (JB) et le signal est bien sûr unique. En stéréo, le signal du canal droit est appliqué aux bornes “RIGHT INPUT” et celui du canal gauche aux bornes “LEFT INPUT” : les enceintes des deux canaux, à connecter respectivement à “ SPEAKER RIGHT” et “SPEAKER LEFT”, permettent d’écouter le son amplifié. Le double inverseur SW2 étant en position STEREO (JS), R3 et R4 peuvent jouer leur rôle de réseau de rétroaction. Nous allons expliquer le fonctionnement du circuit tout entier en nous contentant d’une des deux voies (droite et gauche sont égales) : prenons IC1, assimilable à un amplificateur opérationnel, doté toutefois de fonctions supplémentaires telles le “muting” (silencieux), le “bootstrap” (amorce) et deux protections intégrées.
L’entrée non inverseuse est broche 1 et l’inverseuse broche 9, la 5 étant la sortie vers les haut-parleurs.
L’alimentation prévue (double symétrique 2 x 28 V) s’applique à la broche 6 pour la branche positive (+V) et 4 pour la branche négative –V. La broche 7 (“bootstrap”) est normalement reliée au positif d’alimentation, la 3 (commande du “muting” / “standby”) nous allons en parler et la 2 s’occupe de la double protection. Quant à la broche 8, c’est l’entrée non inverseuse d’un second opérationnel monté en parallèle avec celui normalement utilisé pour l’entrée et non connecté : c’est pourquoi il est relié en fixe à la masse. La rétroaction adoptée est du type parallèle-série et utilise un réseau classique : le signal est rétroactionné de la sortie (broche 5) vers l’entrée inverseuse (broche 9) au moyen d’une résistance, laquelle, selon le paramétrage de SW1, peut être unique (R7) ou en parallèle avec deux valeurs possibles (R9 ou R11). Le rapport avec R3 donne le gain en tension, selon la formule :

Av = (Re + R3) / R3

où Av est l’amplification en tension et Re la résistance entre les broches 5 et 9. Comme cette dernière dépend du fait que le réseau comporte la seule R7 ou R7 avec en parallèle R9 (JM) ou R11 (JH), grâce à SW1 on peut régler différents gains et donc faire varier la sensibilité de l’amplificateur (on peut choisir un niveau d’entrée de 300, 550 ou 1 000 mV, afin que l’amplificateur délivre la puissance maximale sur une charge de 4 ohms (enceinte). Voir figure 7.
Voyons maintenant les broches laissées de côté et en particulier celles du “muting” et des protections : les 2 et 3 donnent sur le réseau C12/R5 conçu pour fournir pendant la transitoire d’alimentation une impulsion de niveau logique haut. La section “muting” permet d’inhiber la totalité de l’appareil en coupant l’alimentation du premier opérationnel de la chaîne amplificatrice.
Pendant que l’amplificateur d’entrée est ainsi étouffé, un second opérationnel est activé : son entrée non inverseuse est reliée à la broche 8 et son entrée inverseuse est commune avec celle du premier étage amplificateur, de façon à en diviser la rétroaction et garantir un gain égal. Le rôle de cette broche est de permettre l’envoi vers l’étage final, donc vers les hautparleurs, d’éventuelles signalisations acoustiques de diagnostic : par exemple une note acoustique ou un message synthétisé avertissant que l’amplificateur est inhibé. Ces signalisations se désactivent quand le signal appliqué à l’entrée audio (RIGHT INPUT) produit sur la broche 3 (par rapport à la 4) un potentiel “normal” (de 6 à 7,25 V selon le constructeur). Si on applique un potentiel de 2 à 4,5 V, le circuit intégré passe en mode “mute”, alors qu’avec 0,9 à 0 V, on obtient le “standby”, soit l’extinction de l’étage final. Toutes ces valeurs étant des différences de potentiel entre broches 3 et 4, on comprend comment fonctionne le réseau C12/R5 : dès la mise sous tension, C12 est chargé et applique –V (28 V négatifs) aux broches 2 et 3.
Initialement, la tension entre 3 et 4 est nulle (condition de “standby” au cours de laquelle le TDA1514A ne consomme que quelques μA). Au fur et à mesure que l’électrolytique se charge à travers R5, la tension atteint le niveau correspondant au mode “mute” : l’amplificateur est alimenté mais reste inhibé car la logique interne bloque le signal arrivant de l’étage préamplificateur (consommation typique 18 mA).
Quand C12 dépasse 6 V, l’amplificateur fonctionne normalement : le blocage de l’audio est supprimé et le signal d’entrée peut être amplifié. Le tout dure environ une seconde et sert surtout à allumer graduellement l’appareil : la phase de “standby” évite le “bump” dans les enceintes à la mise sous tension. Le “muting” retarde l’amplification du signal jusqu’à ce que le circuit soit prêt.
Le schéma électrique de la figure 1 montre que ce même réseau de temporisation “muting” / “standby” contrôle la broche 2, correspondant extérieurement à la protection. Cette dernière est double, elle prend en compte deux paramètres. D’abord, la protection contre les surcharges détecte le courant consommé par la sortie et bloque les finaux. En cas de court-circuit vers la masse ou vers le positif d’alimentation, l’étage de sortie s’éteint pendant dix minutes et, ce laps de temps écoulé, la section de diagnostic teste (en fournissant une basse tension et en mesurant la consommation) l’état de la sortie afin de s’assurer que le court-circuit n’y est plus. Le fonctionnement normal revient seulement quand cette condition est vérifiée. Ensuite, la température du circuit intégré est surveillée : si elle dépasse 145 °C la logique de contrôle coupe l’alimentation de la section de puissance pendant une heure ! Pour la restituer avant l’écoulement de ce long délai (!), il suffit de débrancher l’alimentation, d’attendre une minute environ et de la rebrancher : si la température est descendue en dessous de 145 °C, le circuit intégré reprend son fonctionnement normal, sinon la protection se déclenche à nouveau.
Déplaçons-nous maintenant vers la sortie pour examiner le réseau C14/R13, dont la fonction est de compenser partiellement les variations d’impédance des enceintes au gré des variations de la fréquence du signal amplifié : il s’agit de prévenir d’excessives rotations de phase pouvant occasionner de l’instabilité et une entrée en auto-oscillation de l’appareil.
La configuration stéréo garantit pour chaque canal, avec une alimentation de ±28 Vcc, une puissance de sortie de 28 W sur 8 ohms et de plus de 48 W sur 4 ohms. Comme le montre la figure 6, la consommation à la puissance maximale pouvant atteindre 4 A par branche (+V, –V), vous devez prévoir une alimentation double symétrique dotée d’un transformateur secteur 230 V / 2 x 20 V de 200 VA. L’alimentation APS200 convient parfaitement, mais toute autre alimentation offrant les mêmes prestations fera aussi bien l’affaire. La consommation totale au repos est de l’ordre de 100 à 120 mA.

Figure 1 : Schéma électrique de l’amplificateur.

Le schéma électrique de l’alimentation double symétrique 2 x 28 V 4 A nécessaire au fonctionnement de cet amplificateur n’est pas compris : on pourra utiliser l’alimentation APS200 avec un transformateur torique (ou autre) de 200 VA 2 x 20 V.



Figure 2 : Schéma synoptique et caractéristiques du circuit intégré Philips TDA1514A.

Il s’agit d’un amplificateur Hi-Fimonolithique au rendement élevé, capable de délivrer une puissance maxi de 48 W, comme le montre le tableau. Le composant est complètement protégé thermiquement et contre les surcharges. Le circuit dispose, en outre, de la fonction “mute” utilisée pour éviter le “bump” dans les enceintes à la mise sous tension de l’appareil.

Figure 3a : Schéma d’implantation des composants de l’amplificateur (les deux voies sont sur la même platine).

Figure 3b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’amplificateur stéréo.

Figure 4 : Photo d’un des prototypes de la platine de l’amplificateur stéréo.

Les deux circuits intégrés TDA1514A sont fixés par de petits boulons (avec feuilles de mica ou de Téfl on d’isolation et pâte aux silicones sur les deux faces) sur le dissipateur (rail) pouvant faire office de boîtier métallique ou profilé constituant le panneau arrière ou les côtés du boîtier métallique.
De toute façon, ce dissipateur doit avoir une rth de 1 °C/W.

Liste des composants
R1 ........ 22 kΩ
R2 ........ 22 kΩ
R3 ........ 680 Ω
R4 ........ 680 Ω
R5 ........ 470 kΩ
R6 ........ 470 kΩ
R7 ........ 33 kΩ
R8 ........ 33 kΩ
R9 ........ 39 kΩ
R10 ....... 39 kΩ
R11 ....... 15 kΩ
R12 ....... 15 kΩ
R13 ....... 3,3 Ω
R14 ....... 3,3 Ω
R15 ....... 100 Ω
R16 ....... 3,7 kΩ 1/2 W
R17 ....... 3,7 kΩ 1/2 W
R18 ....... 1 kΩ 1 W
R19 ....... 1 kΩ 1 W
C1 ........ 220 pF céramique
C2 ........ 220 pF céramique
C3 ........ 2,2 nF céramique
C4 ........ 22 nF céramique
C5 ........ 22 nF céramique
C6 ........ 1 μF polyester
C7 ........ 1 μF polyester
C8 ........ 1 μF 50 V électr.
C9 ........ 1 μF 50 V électr.
C10 ....... 1 μF 50 V électr.
C11 ....... 1 μF 50 V électr.
C12 ....... 1 μF 50 V électr.
C13 ....... 1 μF 50 V électr.
C14 ....... 47 μF 63 V électr.
C15 ....... 47 μF 63 V électr.
C16 ....... 47 μF 63 V électr.
C17 ....... 47 μF 63 V électr.
LD1 ....... LED rouge 5 mm
LD2 ....... LED rouge 5 mm
D1 ........ 1N5404
D2 ........ 1N5404
IC1 ....... TDA1514A
IC2 ....... TDA1514A

Divers :
1 ...... bornier 2 pôles
2 ...... RCA pour circuit imprimé
1 ...... dissipateur rth = 1 °C/W
4 ...... boulons 3 MA
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.




Configuration mono pontée



Configuration stéréo

Figure 5 : Connexions pour un fonctionnement stéréo ou monophonique.

Les connexions de l’alimentation (APS200 avec transformateur torique 200 VA 2 x 20 V conseillée) sont les mêmes en mono et en stéréo. Ce qui change, ce sont les liaisons des entrées et des sorties : le double inverseur SW2 est à paramétrer comme les dessins l’indiquent (en rouge). En stéréo les deux entrées (droite et gauche) sont utilisées alors qu’en mono pontée le signal d’entrée est envoyé sur l’entrée “droite”.

Figure 6 : L’alimentation secteur de l’amplificateur.

L’alimentation secteur 230 V de l’amplificateur doit être une double symétrique 2 x 28 V et doit pouvoir fournir un courant de 2 x 4 A au moins. Le transformateur (non représenté, il est fixé en dehors de la platine alimentation) à connecter au bornier bleu (voir figure 5) doit avoir une puissance de 200 VA et un secondaire double 2 x 20 V 2 x 5 A. Le pont redresseur doit être un 80 V 10 A et les condensateurs électrolytiques de filtrage doivent être au moins des 10 000 μF de 50 Vts (l’alimentation APS200 et le transformateur torique référencé 200-20+20 vont bien).

Sensibilité (mVeff.)Gain en tensionParamétrage SW1aParamétrage SW1b
30049fermé sur Lfermé sur L
55026fermé sur Mfermé sur M
100015fermé sur Hfermé sur H

Figure 7 : Paramétrer la sensibilité.
(les points L, M et H sont visibles sur le schéma électrique de la figure 1)

Pour adapter le fonctionnement aux diverses impédances de charge et aux différentes sources audio, il est possible de paramétrer l’amplificateur pour qu’il ait une sensibilité de 300 mV, 550 mV ou 1 Veff.
Le tableau définit le paramétrage de SW1 correspondant à ces valeurs (attention, les deux canaux doivent être paramétrés de la même façon).

Figure 8 : Le dissipateur formant boîtier métallique et la face avant.

Le dissipateur est un rail étudié pour contenir la platine de l’amplificateur (les circuits intégrés sont boulonnés au fond, sans oublier les micas isolants) et un couvercle fait office de face avant.

La réalisation pratique
La platine visible figure 4 contient les deux canaux stéréo. Il faut tout d’abord se procurer ou réaliser le circuit imprimé dont le dessin à l’échelle 1 est donné figure 3b. Montez alors les quelques composants dans un certain ordre (du plus bas profil vers le plus haut) en vous aidant des figures 3a et 4 et de la liste des composants. Les deux circuits intégrés (un par canal) sont à fixer à un dissipateur, dont la résistance thermique rth sera égale à 1 °C/W, à l’aide de petits boulons : n’oubliez pas d’isoler leurs semelles à l’aide de feuilles de mica ou de Téfl on spécifiques et de les enduire sur les deux faces avec de la pâte blanche aux silicones.
Pensez à réaliser les deux “straps” filaires d’interconnexion (à réaliser avec du fil de cuivre rigide de 1 mm).
SW1 et SW2, peuvent être remplacés par de simples cavaliers (à la place des inverseurs). Si vous optez pour le double inverseur, choisissez-en un pour circuit imprimé à position centrale et à broches droites et enfilez-le dans les trous JH-JM, faites de même pour JB et JS, mais avec un inverseur normal, sans position centrale. L’entrée audio se fait par prise socle RCA “cinch” pour circuit imprimé (une par canal) et celle de l’alimentation (trois fils : +V /0/ –V) par “fast-on” mâles à souder (la sortie de votre alimentation se fera par “fast-on” femelles à sertir sur les fils). Les deux portefusibles pour circuit imprimé acceptent des fusibles 5 x 20 mm.
Ensuite assemblez votre amplificateur (le choix de la configuration est à effectuer à l’aide de la figure 5).
Comme le montrent la figure 8 et la photo de début d’article, la platine peut être fixée (au moyen d’entretoises) à l’intérieur d’un rail (profilé d’aluminium anodisé noir) faisant office à la fois de dissipateur et de boîtier métallique. Le couvercle de ce boîtier constitue alors une face avant sur laquelle monter les inverseurs, etc.
Mais bien d’autres solutions sont également envisageables comme la plus classique : au fond d’un boîtier métallique de type “rack” fixez la platine amplificateur dont les circuits intégrés sont à boulonner sur un dissipateur profilé constituant le panneau arrière (ou l’un des côtés) ; toujours sur le fond fixez le transformateur (torique ou autre) et la platine alimentation dont le pont redresseur sera boulonné sur le dissipateur du panneau arrière (ou sur le dissipateur constituant l’autre côté du boîtier et identique au précédent).
Vous pouvez alors procéder aux essais en reliant une paire d’enceintes à la sortie (impédance minimale 4 ohms) et en entrée une source (par exemple les sorties d’un lecteur de CD) capable de fournir au moins 300 mV RMS (SW1 en position fermé sur L) : allumez l’amplificateur et mettez le lecteur sur PLAY (vous devez entendre la musique dans les enceintes). Aucun réglage n’est à prévoir (“offset” et courant de repos sont réglés automatiquement et de manière optimale par les circuits internes des TDA1514A).
Assurez-vous tout de même que les enceintes peuvent supporter les 2 x 50 W RMS que vous risquez de leur faire encaisser lors des essais ou même en utilisation normale.

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