Ampli BF 60 watts

Ou, comment réaliser un final BF puissant avec une poignée de composants. Le circuit utilise un intégré monolithique de chez National, capable de débiter dans les pointes, une puissance d’au moins 150 watts !


Cela semble impossible et pourtant, c’est bel et bien ainsi : ce minuscule concentré de technologie à 11 broches appelé LM3886 est capable de débiter une puissance audio de 50-60 watts continus, avec une fidélité qui n’a rien à envier aux amplificateurs du commerce (simplement parce que de nombreux « compacts» disponibles sur le marché, utilisent cet intégré !).
Grâce à ce micro-circuit de chez National, nous avons réalisé le final de puissance décrit dans ces pages. Ses utilisations possibles sont multiples. Il pourra être employé tant dans le domaine de la HI-FI que pour la diffusion sonore (amplificateurs de porte-voix, instruments de musique, etc.).
Ses dimensions particulièrement réduites permettent de réaliser des appareillages très compacts, même si, comme toujours dans ces cas-là, il faut tenir compte de l’alimentation.
Sur 4 ohms, avec une alimentation double de 28 volts, l’amplificateur délivrera 60 watts. Avec la même alimentation, mais sur 8 ohms, sa puissance tombera à 30 watts. Dans ce cas, il faut augmenter la tension à 35 volts pour obtenir 50 watts. La tension d’alimentation maximale que peut supporter l’intégré est de 84 volts (42 V doubles).
Pour fonctionner, le circuit intégré a besoin de très peu d’autres composants, tous passifs. Le dissipateur de chaleur mérite une parenthèse. Malgré les progrès accomplis, les rendements des amplificateurs de puissance sont encore de l’ordre de 60 à 65 %. Pourtant, si comme dans notre cas, la puissance disponible est très importante, la quantité de chaleur produite est également remarquable et pour éviter que l’ampli ne se « grille», il est indispensable de disperser une telle énergie. C’est ici qu’entre en jeu le radiateur, dont les dimensions doivent être proportionnelles à la chaleur à évacuer. Dans le cas de l’ampli mono de 60 watts, le radiateur doit dissiper environ 25 watts de chaleur sans produire d’élévation thermique néfaste. Pour remplir cette tâche, le dissipateur doit présenter une résistance thermique comprise entre 1 et 1,5° C/W. Un élément ayant de telles caractéristiques ne peut certes pas être de petites dimensions. Nous approfondirons plus loin cet aspect des choses.

Etude du schéma
Occupons-nous maintenant du schéma électrique, qui est, comme on peut le voir grâce aux illustrations, très simple.
Le LM3886, accompagné de quelques composants passifs, est utilisé comme amplificateur non inverseur avec alimentation double.
Les broches 1 et 5 sont reliées à la branche positive, tandis que la broche 4 est reliée à la branche négative. Le signal audio à amplifier est appliqué à la broche 10 du circuit intégré (entrée non commutatrice), par l’intermédiaire du trimmer R1 qui permet d’en régler le niveau. Nous n’avons pas prévu de condensateur de découplage pour obtenir un maximum de performances.
Toutefois, si le signal à amplifier comporte une composante continue, non filtrée dans l’étage précédent, l’emploi du condensateur devient alors indispensable.
Le condensateur C3 limite légèrement la bande passante, prévient le danger des auto-oscillations et, surtout, élimine les perturbations de nature électromagnétique provenant du réseau électrique (principalement les parasites générés par l’allumage des lampes, des appareils électroménagers, etc.).
Le gain en tension de l’amplificateur dépend du rapport entre les résistances R4 et R3. Avec les valeurs utilisées dans notre circuit, le gain au centre de la bande est d’environ 21.
Cette donnée permet de calculer la sensibilité du circuit mais, avant, il faut obtenir la valeur efficace de la sinusoïde de sortie à la puissance maximale.
Dans la version avec impédance de sortie de 4 ohms, la valeur efficace de la sinusoïde est d’environ 16 volts. On l’obtient par la racine carrée de P x R (P étant la puissance de sortie maximale et R la valeur de la charge). Le gain du circuit étant de 21, pour obtenir la puissance maximale en sortie, il est nécessaire d’appliquer, à l’entrée de l’ampli, un signal d’environ 750 mV efficaces (16 V : 21).

Figure 1 : Schémas internes du circuit intégré, dans la version avec alimentation simple (à gauche) et avec alimentation double (à droite).

Figure 2 : Brochage du LM3886.

LM3886, principales caractéristiques et schémas internes.
L’intégré de chez National, utilisé pour réaliser notre amplificateur, est capable de débiter une puissance de 60 watts continus sur une charge de 4 ohms avec une alimentation double de 28 volts. Avec une charge de 8 ohms, la puissance maximale sera de 50 watts (avec une tension double de 35 volts). Les autres prestations de ce circuit sont tout à fait respectables pour ces dimensions : bande passante comprise entre 20 et 20 000 Hz, rapport signal/bruit meilleur de 92 dB, distorsion inférieure à 0,03 %. L’intégré dispose de nombreuses protections (contre les courts-circuits en sortie, contre les surtensions dues à la composante inductive de la charge, contre l’élévation thermique excessive) qui le rendent pratiquement indestructible tout en autorisant son utilisation dans de nombreuses applications.

Figure 3 : Dimensions du LM3886.

Caractéristiques techniques
Puissance de sortie (4 Ω / 28 V) 60 W
Puissance de sortie (8 Ω / 35 V) 50 W
Puissance instantanée en pointe 150 W
Bande passante 20 - 20 000 Hz
Rapport signal/bruit (à 1 W) 92 dB
Distorsion harmonique totale 0,03 %
Sensibilité d’entrée 750 mV
Tension d’alimentation (4 Ω) ± 28 V
Tension d’alimentation, (8 Ω) ± 35 V


Figure 4 : Schéma électrique de l’amplificateur 60 W.

Figure 5 : Schéma d’implantation du module de puissance 60 watts.

Figure 6 : Circuit imprimé échelle 1.

Liste des composants
R1 : 1O kΩ trimmer
R2 : 1 kΩ
R3 : 1 kΩ
R4 : 22 kΩ
R5 : 22 kΩ
R6 : 22 kΩ
R7 : 2,7 Ω
R8 : 10 Ω
C1 : 47 μF 50 V
C2 : 47 μF 50 V
C3 : 220 pF céram.
C4 : 10 μF 35 V tantale
C5 : 47 μF 50 V
C6 : 47 μF céram.
C7 : 100 nF multicouches
U1 : LM3886
L1 : voir texte
S1 : Interrupteur

Divers :
Bornier 5 prises
Bornier 2 prises
Radiateur ML33
Circuit imprimé réf. E51

Vue sur l’amplificateur monté.

Analyse du circuit
Le condensateur C4 et le réseau R5/C6, limitent le gain de l’ampli par rapport aux basses et aux hautes fréquences.
Dans le premier cas, l’impédance de C4 augmente lorsque la fréquence de travail diminue. C4 étant relié en série à R3, le gain en tension de l’amplificateur diminue en proportion, en limitant vers le bas la bande passante du circuit. Et inversement, en ce qui concerne le fonctionnement du réseau R5/C6, relié en parallèle à la résistance R4. Dans ce cas, quand la fréquence augmente, l’impédance de C6 diminue, baissant ainsi, également, la valeur de la résistance R4. De cette façon, le gain des hautes fréquences est réduit, limitant la bande passante vers le haut.
On confie à l’interrupteur S1 la fonction « mute ». lorsque l’on ferme S1, l’amplificateur devient immédiatement silencieux. Le rôle de la self L1 est de limiter les effets de la composante capacitive de la charge, qui se font sentir de façon particulière aux fréquences les plus hautes.
A présent, avant de conclure l’analyse du circuit, nous voudrions nous occuper brièvement des protections dont est équipé l’intégré, en signalant, avant tout, la présence de la « protection de sous-voltage » dont le rôle est d’éviter le « coup » sur les haut-parleurs, aussi bien à l’allumage qu’à la coupure.
La sortie est également protégée contre les courts-circuits et les surcharges.
Un étage particulier intervient en bloquant les amplificateurs chaque fois que le courant dépasse les 11 ampères.
Le circuit intégré est protégé contre l’échauffement par deux étages.
Le premier est appelé « protection de pointe » (Self Peak Istantaneous Temperature °Ke), et son rôle est d’intervenir contre les élévations thermiques des transistors amplificateurs, tandis que le deuxième circuit de protection intervient sur la totalité du circuit intégré en stoppant le fonctionnement lorsque sa température dépasse 165°C.
La construction de cet amplificateur est vraiment très simple. Comme on peut le voir dans les illustrations, tous les composants sont assemblés sur un circuit dont les dimensions sont de 40 x 65 millimètres !
Le seul composant à réaliser par soimême est la self L1. Elle est composée d’une dizaine de spires de fil en cuivre émaillé bobiné en l’air. Le fil à utiliser doit avoir un diamètre d’environ 1 millimètre, tandis que le diamètre interne du bobinage peut être compris entre 6 et 10 millimètres. Pour ce faire, une queue de foret fera par faitement l’affaire.
Pour obtenir la puissance maximale, il est nécessaire d’utiliser une alimentation appropriée qui, dans la version la plus simple, peut être composée d’un transformateur avec prise centrale, d’un pont et de deux condensateurs électrolytiques de 10 000 μF. Le transformateur doit pouvoir débiter une tension de 2 x 20 volts dans le cas où l’ampli est utilisé sur 4 ohms, et de 2 x 25 volts sur 8 ohms. Le transformateur, pour la version stéréo, doit pouvoir fournir 200 watts dans le premier cas et 150 watts dans le second. Des transformateurs toroïdaux avec ces caractéristiques sont disponibles auprès de nos annonceurs.
Les considérations précédentes valent aussi pour le dissipateur de chaleur.
Si on veut faire travailler le circuit à la puissance maximale, il est nécessaire de munir chaque module d’un radiateur ayant une résistance thermique de 1 à 1,5° C/W. Le radiateur de type ML33, que nous avons utilisé pendant les essais (voir photo), permet de fonctionner avec une puissance maximale de 15 à 20 watts. Il est possible de fixer sans problème sur le même dissipateur, deux ou plusieurs modules, étant donné que le boîtier métallique du LM3886 est isolé de son circuit électronique.
Il ne reste, maintenant, qu’à relier l’ampli à l’alimentation, son entrée au signal à amplifier et sa sortie aux hautparleurs.
Si le montage a été effectué sans erreur, le circuit fonctionnera immédiatement.

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