Un amplificateur stéréo monolithique de puissance 2 x 60 W



Grâce à la nouvelle puce LM4780 de National Semiconductors nous allons réaliser un amplificateur de grande qualité. Ce circuit est idéal pour réaliser des installations stéréophoniques pour l’amplification des signaux provenant de lecteurs CD, platines enregistreuses, tuners FM, etc. Il développe jusqu’à 2 x 60 W sur haut-parleurs de 4, 6 ou 8 ohms d’impédance.

Caractéristiques techniques

Puissance de sortie (à 1 kHz) :                2 x 60 W
Impédance haut-parleurs : 4 à 8 ohms
Distorsion (THD @ 60 W) : 0,5 %
Rapport signal / bruit : 97 dB
Réponse en fréquence (+ ou -3 dB) : 15 Hz à 65 kHz
Slew-rate : 19 V/μs
Sensibilité @ 60 W/4 ohms : 400 mVeff
Sensibilité @ 60 W/8 ohms : 560 mVeff
Tension d’alimentation (double symétrique) : +25/0/–25 V à +35/0/–35 V
Courant consommé sous 4 ohms : 3,7 A
Courant consommé sous 8 ohms : 2,7 A.


La réalisation d’un amplificateur traditionnel pour la reproduction du son n’est pas impossible, loin de là, mais implique tout de même certains soucis : cela commence avec la recherche du “bon” (idéal si possible) schéma et se termine avec quelques séances d’essais et mesures au banc du labo (devant comporter un oscilloscope, un générateur de fonction, une charge fictive et –les jours fastes– un distorsiomètre). La phase la plus délicate est la conception (à défaut du schéma idéal) : elle réclame en effet de nombreux calculs rien que pour dimensionner les étages à transistors (bipolaires ou à effet de champ ?) en considérant attentivement les courbes caractéristiques de chaque composant et les paramètres de tension et courant (tout en tenant compte des interactions avec les autres éléments du circuit).
On comprend alors tout le temps que nous font économiser les ingénieurs et techniciens d’une boîte comme National Semiconductors, fabricant du LM4780, car ils se sont déjà posé et ont déjà résolu au mieux tous les problèmes évoqués plus haut…et d’autres encore (voir figure 2). Ce composant génial contient un étage final BF de puissance à deux canaux (stéréo donc), doté d’une entrée différentielle, de protections thermique et en courant, ainsi qu’une logique “anti-bump” (anti-cloc). Que demander de plus ? Répétons-le : ce circuit intégré monolithique, assorti de quelques composants, tous passifs, constitue un amplificateur BF de puissance stéréophonique HiFi et, étant données ses dimensions très réduites, il se prête à merveille à une insertion (avec son alimentation secteur) dans un boîtier métallique (type “rack” ou autre) ou même, pourquoi pas, dans une enceinte transformée ainsi en enceinte amplifiée.
Après avoir, à notre habitude, dûment soumis le circuit intégré à la torture de notre labo, nous avons décidé de vous proposer ce schéma d’application : encore une fois ce schéma a été essayé à travers plusieurs prototypes et nous nous sommes –comme il se doit, certes, mais qui le fait vraiment ?– assurés de sa parfaite reproductibilté et de la stabilité de ses caractéristiques. Si vous le construisez (voir La réalisation pratique ci-dessous) vous verrez qu’il fonctionne du premier coup et nul besoin d’un laboratoire professionnel pour le régler. Vous n’aurez qu’à relier aux sorties Droite et Gauche une paire d’enceintes d’impédance comprise entre 4 et 8 ohms (voir figures 2 et 5 pour une configuration optimale) et aux entrées Droite et Gauche la sortie d’un préamplificateur ou d’une table de mixage (pas forcément géante, il en existe de petites très performantes) ; si vous voulez vous passer de ce préamplificateur, sachez qu’une source à haut niveau de sortie (comme un lecteur de CD) suffit à exciter l’amplificateur de puissance (voir caractéristiques techniques).

Le schéma électrique
Examinons le schéma électrique de la figure 1 : le circuit intégré est bien le seul composant actif, il comporte donc tous les étages de manière invisible.
Imaginons que chacun d’eux est un amplificateur opérationnel de puissance doté d’entrées différentielles (le signal appliqué à l’entrée inverseuse détermine à la sortie une composante en opposition de phase, alors que la BF appliquée à la non-inverseuse est acheminée en phase vers la sortie) et de sorties “single-ended”.
Le canal L (gauche) a son entrée inverseuse broche 15, son entrée non-inverseuse broche 16 et sa sortie broche 7. Le canal R (droit) a son entrée inverseuse broche 21, son entrée non-inverseuse broche 22 et sa sortie broche 25.
Chaque section de puissance fonctionne en configuration non-inverseuse et est contre réactionnée par un réseau parallèle série, justement comme on le fait pour un opérationnel.
En d’autres termes, le signal à amplifier atteint l’entrée non-inverseuse pour être amplifié et se trouver ensuite sur la broche de sortie parfaitement en phase ; à partir de là, un pont résistif avec découplage en continu, reporte une portion de la tension de sortie à l’entrée inverseuse : le but de ceci est de faire en sorte que le signal appliqué à cette dernière entrée contrecarre celui de l’entrée, de manière à stabiliser le gain et à éviter toute distorsion du signal et tout risque d’auto-oscillation.
En effet, si le niveau de la composante BF appliquée à l’entrée non-inverseuse est constant, et que le signal de sortie tend à croître, l’amplitude de la composante reportée par la rétroaction augmente et par conséquent le signal de sortie diminue ; inversement, si l’amplitude de sortie diminue (par exemple sous l’effet du courant dans le haut-parleur), la rétroaction reporte à la broche inverseuse un signal d’amplitude moindre, ce qui augmente le niveau de la composante de sortie.
Mais qu’est-ce que tout cela implique en pratique ? Pour y répondre, référons-nous à la section de l’amplificateur constituée par l’opérationnel A : il reçoit le signal à amplifier broche 16, à travers R1 et C7 (ce dernier étant monté afin de découpler en continu le circuit intégré des étages de sortie du dispositif qui pilotera l’ampli–préampli ou mélangeur) ; C8 sert à filtrer d’éventuelles perturbations HF que les fils de liaison des entrées peuvent capter (R2 sert à décharger le condensateur).
L’amplificateur opérationnel A amplifie la composante audio du canal gauche, reçue broche 16 et la présente entre la broche 7 et la masse (12, 19), soit entre les bornes du haut-parleur lequel, bien entendu, doit reproduire les sons ; de la broche 7, le pont R7/R10 reporte sur l’entrée non-inverseuse (15) une portion du signal amplifié.
Notez que R10 est séparée de la masse grâce à l’électrolytique C14 dont le rôle est de faire en sorte que la rétroaction ne fonctionne comme on l’a expliqué qu’entre les extrémités de la bande passante et que le gain y soit unitaire (on sait que la bande passante doit être la plus linéaire possible !). A propos de gain, celui en tension de chaque amplificateur est donné par le rapport :(R7+R10)/R10 et atteint environ 38 et ce, justement, au sein de la bande passante, quand l’impédance de C14 devient négligeable par rapport à celle de R7. En continu, l’opérationnel a un gain de 1, ce qui revêt un double intérêt : avant tout, cela sert à éviter que le dispositif n’amplifie la tension de polarisation, ce qui empêcherait de maintenir la sortie à la moitié exactement de la tension d’alimentation et nuirait à la linéarité (et par conséquent à la fidélité) de la réponse en fréquence ; ensuite cela contribue à stabiliser le point de travail car, si sous l’effet de la dérive thermique la sortie se trouve à un potentiel plus élevé, la rétroaction rétablira tout de suite les conditions normales.
On a monté en parallèle avec chaque sortie un réseau R/C dont la fonction est de compenser les variations d’impédance du haut-parleur dans la gamme audiofréquence, afin de prévenir, là encore toute auto-oscillation.
Les dipôles L1/R9 et L2/R13 servent en revanche à filtrer d’éventuels pics de tension issus d’harmoniques pouvant être engendrées si l’ampli (à cause d’un niveau excessif du signal d’entrée) distord trop ; si ces pics n’étaient pas ainsi bloqués, ils risqueraient d’endommager les hauts-parleurs des aigus (“tweeters”) des enceintes acoustiques, car leur nature leur permet de traverser les filtres “cross-over” avec une extrême facilité.
Dans ce circuit, nous avons activé la fonction de silencieux (“muting”) : en effet, pourquoi s’en priver ? Cette fonction, on le sait, sert à réduire au silence (justement) les hauts-parleurs quand l’amplificateur est mis sous tension : cela évite d’entendre dans les enceintes le regrettable “bump” pendant les transitoires. Le silencieux est commandé par un réseau R/C relié aux broches de MUTE : initialement l’ampli est muet et il ne commence à amplifier qu’après quelques instants.
Cela est facilement obtenu en mettant à la masse les broches 14 et 20 à travers R5 et C11 ; quand on alimente le circuit, ce dernier est supposé déchargé, donc la tension entre ses armatures est nulle et R5 se trouve au potentiel de la masse.
Peu à peu l’électrolytique se charge et son électrode négative tend (du fait de la présence de R6) à prendre le potentiel de la branche d’alimentation négative, potentiel qui atteint la ligne de MUTE (14 et 20 ensemble), ce qui permet au signal BF d’arriver aux hauts-parleurs.

Figure 1 : Schéma électrique de l’amplificateur.

Figure 2 : Le circuit intégré LM4780.

L’amplificateur proposé n’utilise qu’un seul circuit intégré LM4780, contenant deux étages finaux de puissance totalement indépendants et structurés comme des amplificateurs opérationnels et par conséquent faciles à gérer à tous égards. Chaque canal dispose de deux entrées : le signal appliqué à l’entrée non-inverseuse détermine en sortie une composante en phase avec lui ; celui appliqué à l’entrée inverseuse produit en revanche une tension en opposition de phase. Dans notre application, nous utilisons les deux amplificateurs en configuration non-inverseuse et par conséquent nous envoyons la composante de rétroaction aux entrées inverseuses. La tension d’alimentation, commune aux deux canaux, peut être comprise entre ±10 et ±42 Vcc ; il s’agit donc d’une alimentation double symétrique (voir caractéristiques techniques). Si l’on veut alimenter l’amplificateur avec seulement une tension positive, elle devra être entre 20 et 84 Vcc. Le circuit intégré est en mesure de fournir une puissance maximale de 60 Weff (RMS) par voie et ce indifféremment avec des hauts-parleurs (enceintes acoustiques) de 4, 6 ou 8 ohms d’impédance de charge ; une telle universalité d’adaptation est due à des étages de sortie très flexibles et protégés contre les excès de courant ; toutefois précisons que, justement sous l’effet de la protection thermique, la puissance maximale peut être atteinte sous 8 ohms, impédance déterminant la consommation minimale de courant. Sur 4 ohms on peut obtenir 55 W et autant sous 6 ohms. En fonction de l’impédance de la charge, pour obtenir la puissance maximale, il faut jouer sur la tension d’alimentation, laquelle doit augmenter quand l’impédance augmente. En d’autres termes, 60 W sous 8 ohms s’obtiennent avec ±35 V et pour 6 ohms la tension conseillée est de ±30 V ; enfin, les 55 W sous 4 ohms sont atteints avec seulement ±25 V. Utiliser, pour piloter des enceintes de 4 ohms, la tension dont on se sert pour alimenter des enceintes de 8 ohms est inutile et occasionne une dissipation de chaleur supérieure, ce qui peut provoquer, à haut volume d’écoute, l’intervention de la protection thermique. Cette dernière se manifeste en réduisant l’amplificateur au silence jusqu’à ce que les conditions normales (thermiques) aient été retrouvées.
Comme tous les amplificateurs de puissance intégrés, le LM4780 est “tenu en laisse” : le concepteur doit en effet soigner le circuit imprimé afin d’éviter toute auto-oscillation. Le constructeur conseille de monter un condensateur céramique de 220÷330 pF entre les entrées inverseuse et non-inverseuse de chaque canal, plus un de 100 nF entre les broches des alimentations positive et négative et celles de masse ; toujours sur les alimentations, on monte en outre des électrolytiques de 47÷100 μF, à placer le plus près possible des broches du circuit intégré. Non, ce n’est pas du perfectionnisme ! (nous l’avons vérifié nous-même) Le composant l’exige : si on lui refuse cette “parure”, le signal qu’il amplifie est affecté de distorsions et de phénomènes d’auto-oscillation à basse ou haute fréquence.
En plus du réseau de protection en courant et en température, le LM4780 incorpore une logique de “muting” (silencieux) conçue pour réduire au silence les hauts-parleurs pendant les transitoires de mise sous tension ou dans d’autres conditions où cela pourrait s’avérer nécessaire ; tout cela sans déconnecter physiquement les connecteurs acheminant les signaux aux entrées. Extérieurement la logique correspond aux broches 14 pour le canal A et 20 pour le B : elle est donc gérable séparément pour chaque amplificateur ; le silence s’obtient en mettant ces broches à la masse ou, dans le cas d’une alimentation simple, en les mettant à la moitié du potentiel positif. En condition normale les broches de silencieux sont reliées au négatif de l’alimentation par des résistances écoulant plus de 0,5 mA de courant chacune. Rien n’empêche de relier ensemble les deux broches, auquel cas la résistance doit être de valeur réduite de moitié, car elle doit être parcourue par un courant de valeur égale à celui des deux broches. Pour prendre un exemple, considérons que les lignes de silencieux sont polarisées avec 2,6 V négatifs et supposons que nous avons choisi une alimentation double symétrique de ±32 V : la résistance montée entre les broches 14 et 20 (reliées ensemble) et le négatif doit être inférieure à 30 kohms. La valeur exacte sera déterminée, pour chaque broche, avec la formule : R=(–Val)–2,6 V/Im où –Val est la tension de la branche négative d’alimentation, les 2,6 V sont le potentiel de référence présent sur les broches 14 et 20, Im est le courant de désactivation du silencieux, soit le courant indispensable pour un fonctionnement normal de l’amplificateur. Pour que la valeur de la résistance soit en kohms, Im doit être exprimée en mA et les tensions en V.
Le circuit intégré est prévu pour être monté sur un dissipateur : pour ce faire, sa partie postérieure (semelle) est métallisée, afin de permettre une bonne conduction de la chaleur. Attention, cette semelle métallique est électriquement reliée à la ligne négative d’alimentation. Il ne faudra pas oublier d’intercaller une feuille de mica ou de Teflon gris entre la semelle et le dissipateur, quand vous en serez à la réalisation pratique.

Figure 3a : Schéma d’implantation des composants de l’amplificateur stéréo.

Figure 3b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face de l’amplificateur stéréo, côté soudures.

Figure 3b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face de l’amplificateur stéréo, côté composants.

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

Liste des composants
R1 ..... 1 k
R2 ..... 15 k
R3 ..... 1 k
R4 ..... 1,5 k
R5 ..... 15 k
R6 ..... 8,2 k
R7 ..... 100 k
R8 ..... 4,7 2 W
R9 ..... 10 2 W avec self L1 bobinée dessus
R10 .... 2,7 k
R11 .... 4,7 2 W
R12 .... 100 k
R13 .... 10 2 W avec self L2 bobinée dessus
R14 .... 2,7 k
C1 ..... 1 000 μF 63 V électrolytique
C2 ..... 100 nF multicouche
C3 ..... 1 000 μF 63 V électrolytique
C4 ..... 100 nF multicouche
C5 ..... 47 μF 50 V électrolytique
C6 ..... 100 nF multicouche
C7 ..... 1 μF 63 V polyester pas 5 mm
C8 ..... 22 pF céramique
C9 ..... 1 μF 63 V polyester pas 5 mm
C10 .... 22 pF céramique
C11 .... 10 μF 25 V électrolytique
C12 .... 47 μF 50 V électrolytique
C13 .... 100 nF multicouche
C14 .... 47 μF 50 V électrolytique
C15 .... 100 nF 63 V pas 5 mm
C16 .... 220 pF céramique
C17 .... 100 nF 63 V pas 5 millimètre
C18 .... 100 nF 63 V pas 5 mm
C19 .... 220 pF céramique
U1 ..... LM4780
L1 ..... voir texte
L2 ..... voir texte

Divers :
4 borniers 2 pôles
1 dissipateur à ailettes 0,75 °C/W
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.


Figure 5 : L’alimentation de l’amplificateur stéréo.
Le circuit décrit dans cet article peut travailler avec des hauts-parleurs de toutes les impédances communément utilisées dans les enceintes acoustiques du commerce ; afin d’obtenir un fonctionnement optimal et par conséquent d’éviter des pertes de puissance excessives suceptibles de faire intervenir la protection thermique, il faut dimensionner l’alimentation en fonction des hauts-parleurs que l’on souhaite relier à la sortie de l’amplificateur. Le tableau ci dessous explique comment choisir le transformateur en fonction de la charge et quelle tension continue on obtient en aval de l’alimentation. Le courant indiqué dans la colonne de droite est celui qui parcourt le secondaire tout entier et vaut pour un amplificateur stéréophonique.

Impédance hauts-parleursPuissance de sortieTension d’alimentationTension du transformateurCourant
4 ohms55 W± 28 Vcc20 + 20 Vac4 A
6 ohms55 W± 34 Vcc24 + 24 Vac3,2 A
8 ohms60 W± 36 Vcc26 + 26 Vac3 A



La réalisation pratique
Aucune difficulté pour ce montage dont vous vous acquiterez en un tour de main.
Tout d’abord préparez le circuit imprimé double face dont la figure 3b-1 et 2 vous donne les dessins à l’échelle 1: 1 ou procurez-vous le. Montez tous les composants en commençant par ceux ayant le plus bas profil (comme les résistances 1/4W, les condensateurs céramiques et multicouches, les petits électrolytiques) et en terminant par les plus encombrants (les deux résistances de 2 W, les selfs et les deux gros électrolytiques).
Pour y réussir, il suffit de suivre scrupuleusement les indications de la figure 3a (et la liste des composants) et de la figure 4. Attention à la polarité dans électrolytiques !
Quant aux deux selfs L1 et L2, réalisez-les en bobinant 13÷15 spires de fil de cuivre émaillé de 1 millimètre de diamètre autour des deux résistances de 10 ohms 2 W R9 et R13. Avant soudure des extrémités du fil sur les queues des résistances, décapez ces extrémités avec un cutter ou du papier émeri.
Montez enfin les quatre borniers à deux pôles. Ne montez pas encore le circuit intégré. Le circuit imprimé étant à double face, soudez les composants des deux côtés de la platine.
Vérifiez attentivement et plusieurs fois toutes vos soudures (ni court-circuit entre pistes ou pastilles ni soudures froides collées et enlevez l’excès de flux décapant avec un solvant approprié).
Fixez alors le circuit intégré sur le gros dissipateur profilé (Rth = 0,75 °C/W) à l’aide de vis, sans oublier de placer entre la semelle métallique et le dissipateur une feuille de mica d’isolation (mica à enduire sur les deux faces de pâte dissipatrice) ou de Teflon gris.
Enfilez les pattes de ce composant dans les trous de la platine et soudezles en évitant toute surchauffe (ne soudez pas toutes les pattes en peu de temps, ménagez des périodes de pause).
Utilsez pour ce faire un fer à panne très fine et du tinol de petit diamètre (les pattes sont très rapprochées, il faut éviter tout court-circuit). Vérifiez attentivement ces nouvelles soudures.
Serrez bien les deux vis puis vérifiez avec un multimètre (calibre ohmmètre) qu’il n’y a pas continuité électrique entre le dissipateur et le négatif d’alimentation du circuit ; car la semelle du circuit intégré est électriquement reliée aux broches de la ligne –V. Voir photo de première page.
Il est temps de penser à l’alimentation. Elle sera constituée d’un pont redresseur et d’une paire de condensateurs électrolytiques d’au moins 6 800 μF (40 V) chacun. Le transformateur doit être à prise centrale (ou double secondaire symétrique). Voir le dessin de la figure 5.
Les extrémités du secondaire doivent aller chacune sur un des contacts d’entrée du pont redresseur dont le positif et le négatif doivent être reliés respectivement l’un au + d’un électrolytique et au positif de l’amplificateur et l’autre au – de l’autre électrolytique et au négatif de l’amplificateur.
Les – et + restants des électrolytiques, réunis entre eux et reliés à la prise centrale du transformateur, sont mis à la masse de l’amplificateur et constituent le zéro de référence. Il ne reste qu’à mettre l’alimentation sous tension secteur.
Aucun réglage : votre amplificateur est prêt à fonctionner.
Vous pouvez l’insérer dans une enceinte afin d’en faire une enceinte amplifiée. Vous pouvez aussi l’installer dans un boîtier métallique avec l’alimentation et ajouter un préamplificateur stéréo : vous aurez réalisé un amplificateur Hi-Fi.

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