Un booster 70 watts en classe H pour la voiture… ou le salon

Voici un amplificateur audio de puissance réalisé à l’aide d’un seul circuit intégré fabriqué par Philips. Le TDA1562 dispose d’un étage amplificateur dynamique. Normalement, il débite 20 watts sur 4 ohms, mais en présence de pointes, lorsque le volume de la musique monte brutalement, il fournit jusqu’à 70 watts, donnant l’impression de disposer d’un amplificateur considérablement plus puissant.


Caractéristiques techniques

Alimentation .................................................. 12 Vcc
Consommation maximale.......................................... 150 mA
Puissance de sortie constante ................................. 20 watts
Puissance de pic supportée .................................... 70 watts
Protection thermique .......................................... 125 °C
Protection décharges électrostatiques ......................... automatique
Indication distorsion signal .................................. par diode LED
Muting ........................................................ ON / OFF
Activation à distance ......................................... par contact

Les audiophiles, les concepteurs de montages passionnés de sonorisation mais également les techniciens qui travaillent sur les appareils haute-fidélité, connaissent tous plusieurs configurations possibles pour réaliser un amplificateur de puissance. Ces configurations sont mieux connues sous le nom de “classes”. Tous ces spécialistes de la Hi-Fi savent, par exemple, qu’un amplificateur de classe A est celui qui garantit la meilleure linéarité ainsi que la plus grande pureté du son, et qu’un autre, de classe AB, représente le meilleur compromis entre la qualité de l’audio, le coût de la réalisation et la consommation d’énergie. Il existe d’autres classes de fonctionnement telles que la B et la C ainsi que la classe D et la classe H. Ces deux dernières sont peu connues car rares sont les montages qui font appel à elles.
Pour prendre un raccourci, on peut dire que la classification A, AB, B et C, est faite sur la base de la polarisation, c’est-à-dire du fonctionnement au repos des transistors ou des tubes électroniques composants l’étage final de l’amplificateur (que l’on suppose de type push-pull).
Les deux classes les plus récentes sont la D et la H. La première se définit sur le type de signal amplifié, tandis que la seconde, sur la dynamique de la polarisation.
Pour la classe D, l’audio est transformé en impulsions modulées en largeur, amplifiées par des amplificateurs qui travaillent en commutation et reconstruites à la sortie de l’étage push-pull à travers un filtre L/C, avant d’atteindre le haut-parleur. Le rendu d’une telle configuration est excellent et les dissipateurs sont réduits au minimum, pour la simple raison que les transistors n’ont pas de polarisation et travaillent en mode “on/off”.
Quant à la classe H, elle implique un mode particulier de fonctionnement en ce qui concerne l’alimentation. En effet, tension et courant sont adaptés en sortie en fonction de l’intensité du signal BF qui est appliqué sur l’entrée de l’ampli.
Ceci permet de répondre aux exigences de puissance du moment. C’est en somme un circuit “dynamique”, qui permet de “dimensionner” l’amplificateur pour une puissance relativement réduite, en consentant toutefois, pendant des hausses du niveau sonore, à donner au haut-parleur toute la puissance instantanée qui sert à obtenir une par faite reproduction, pleine, consistante et sans aucune distorsion.
Ceci est aussi valable à la puissance maximale, à laquelle un amplificateur muni d’une alimentation traditionnelle ne peut bien travailler qu’avec une musique d’intensité constante mais qui entrera en distorsion en présence d’un pic de signal.
L’amplificateur que nous vous proposons dans cet article est un amplificateur Hi-Fi à circuit dynamique, réalisé avec un seul circuit intégré récemment produit par Philips. Il s’agit d’un booster alimenté sous 12 volts continus, qui ne développe normalement pas plus de 20 watts sur des haut-parleurs de 4 ohms d’impédance. Le circuit intégré incorpore un convertisseur de tension basé sur une ligne à découpage qui utilise deux condensateurs électrolytiques de nivellement externes. Aux faibles niveaux du signal BF, la puissance ne dépasse pas les 20 watts, même si l’audio augmente d’intensité : bien sûr, cela demande l’intervention permanente du convertisseur de tension, qui augment la dissipation de puissance et donc, la température du chip. C’est pour cette raison que le fabricant a prévu une protection thermique qui intervient chaque fois que la température du semiconducteur atteint 125 °C.

L’amplification dynamique
Lors de pics, qui peuvent se traduire par les passages d’une musique douce à une musique plus forte, comme un morceau de batterie ou une séquence orchestrale, le circuit débite sur les haut-parleurs une puissance maximale proche des 70 watts RMS.
Pour comprendre comment fonctionne le TDA1562Q et comment l’utiliser, il faut se référer au schéma synoptique de la figure 5 sur lequel on peut remarquer que l’étage audio, constitué d’un amplificateur différentiel d’entrée, sert à augmenter le niveau du signal en garantissant la protection contre les interférences, ainsi qu’à produire deux ondes BF déphasées d’une demie période l’une par rapport à l’autre, nécessaires à piloter les deux étages amplificateurs.
Le circuit intégré comprend également une ligne de protection contre les courts-circuits et les surcharges en sortie, ainsi qu’une protection thermique.
Pour finir, on trouve un circuit logique, responsable de la gestion de toutes les fonctions, des convertisseurs de tension et de l’unité de diagnostique.

L’étude du schéma
On peut dès à présent décrire notre utilisation du circuit intégré Philips pour réaliser le booster proposé dans cet article : le schéma électrique est déjà suffisamment éloquent et suffirait à expliquer tous les choix, mais il nous semble toutefois judicieux de commenter les différents détails.
Commençons par dire que nous avons utilisé la broche 16 (I/O) et la logique qui y est attachée, en laissant le circuit du Mode Select gérer le “powerup” (allumage) et le “power-down” (coupure) de l’amplificateur. Pour compléter le circuit, on a prévu deux entrées de contrôle, l’une pour permettre l’allumage du booster en même temps qu’un dispositif tel que l’autoradio, et l’autre pour forcer la fonction “Mute” à n’importe quel moment, toujours grâce à des systèmes externes, tels qu’un processeur de son, un microprocesseur ou un téléphone GSM.
L’entrée du signal audio à amplifier se trouve au point “IN” par rapport à la masse : de là, la BF atteint la broche 1 (entrée non-inverseuse du différentiel) à travers le condensateur de découplage C6, qui bloque l’éventuel signal continu présent sur la sortie du circuit de pilotage du booster.
L’entrée inverseuse du différentiel est reliée à la masse à travers le condensateur C7, de même valeur que C6. Le condensateur électrolytique C8 permet de mettre à niveau la tension de référence produite par le différentiel.
C4 et C5 sont les condensateurs de mise à niveau de l’élévateur de tension (booster) et sont respectivement appliqués sur le positif et sur le négatif. Leur valeur détermine la puissance maximale supportée par l’amplificateur.
On connecte le haut-parleur entre les broches 7 et 11 qui sont les sorties des amplificateurs de puissance configurés en “pont”. L’alimentation générale appliquée aux bornes + et – 12 volts est filtrée par C1 et C2. La résistance R1 sert à faciliter la décharge de ces derniers une fois l’alimentation déconnectée.
Voyons à présent la gestion de la logique, en commençant par observer le circuit relié sur la broche 4 : pour le comprendre, on doit imaginer ne pas avoir les transistors T2 et T3, et donc supposer appliquer l’alimentation au circuit en ayant tous les condensateurs déchargés. Dans ce cas-là, au départ, la broche 4 est au niveau logique zéro, donc le circuit intégré est en “standby” (pause) et ne consomme que quelques microampères.
Lorsque la tension présente aux bornes de C3, qui est chargé par l’intermédiaire de la résistance R6, atteint le niveau nécessaire au fonctionnement, l’amplificateur tout entier s’allume en mode “muting”. Après moins d’une seconde, le circuit peut amplifier le signal et le rendre audible sur le haut-parleur. On obtient donc un “softstart” (démarrage en douceur), qui empêche le classique “tonk” dans le haut-parleur et sert ainsi d’anti “bump” (coup), limitant également les sollicitations sur l’alimentation, car la montée en consommation est plus graduelle.
Les transistors T2 et T3 servent pour piloter l’ampli de l’extérieur, c’est-à-dire pour pouvoir l’allumer et l’éteindre à distance sans retirer les 12 volts : ceci permet, par exemple, de commander le booster avec la sortie “remote” (commande à distance) de l’autoradio, en évitant de devoir commuter l’alimentation, ce qui obligerait à utiliser de gros interrupteurs.
Dans une application domestique, l’entrée “ON” peut être utile pour bloquer l’amplificateur jusqu’à ce que l’on ait allumé le préamplificateur, afin de ne pas entendre d’éventuels sons distordus. En tous les cas, l’état normal correspond à la mise au niveau logique haut (de +5 à +15 Vcc) du point “ON”, de façon à maintenir le transistor T3 saturé, lequel bloque le transistor T2, en garantissant à C1 de pouvoir se charger lentement.
Le cavalier J1 est mis en place lorsque l’entrée de contrôle à distance n’est pas utilisée pour être certain de garder le niveau logique 1. En mettant “ON” à zéro, c’est-à-dire en laissant J1 ouvert, le transistor T3 reste bloqué et permet à R5 de polariser la base du transistor T2, lequel est alors saturé et bascule donc la broche 4 du circuit intégré au niveau logique bas, en mettant tout en “standby”.
L’autre ligne de contrôle à distance, appelée “MUTING”, sert à couper l’amplificateur à tout moment grâce à un niveau TTL ou CMOS. Cette ligne est utile en voiture lorsqu’on utilise un téléphone portable équipé d’un kit mains libres muni, justement, d’une commande “muting”. Pour utiliser convenablement cette ligne de contrôle à distance, sachez qu’en laissant ouvert ou en laissant le point “muting” à zéro, le TDA1562Q travaille normalement. Par contre, si on lui applique un niveau logique 1 (pouvant aller de +5 à +15 Vcc), le transistor T4 est saturé et bascule la broche 16 au niveau logique bas, mettant ainsi l’amplificateur en “fast-muting” (silence immédiat).
Remarquez qu’en libérant la ligne de commande “MUTING”, le signal revient à la sortie après le premier niveau logique zéro relevé à l’entrée BF.
Nous concluons la description du schéma électrique avec le circuit de diagnostique, utilisé de la manière la plus simple, c’est-à-dire pour commander une diode LED qui indique par son clignotement la condition de distorsion du son. En fait, la broche 8 contrôle un transistor PNP (T1), qui allume la diode LD1 lorsqu’il reçoit sur sa base un niveau logique zéro, et la laisse éteinte en présence d’un niveau logique 1 (collecteur ouvert).
En reprenant les concepts exposés précédemment dans la description du fonctionnement du circuit intégré, nous voyons que la broche 8, déjà citée, se trouve au niveau logique bas (zéro) lorsqu’on relève le court-circuit sur la sortie du pont, tant vers la masse que vers l’alimentation. Le niveau zéro est présent également lorsque la protection thermique est intervenue.
La broche 8, au contraire, pulse pendant les périodes de surcharge, c’est-à-dire lorsque l’amplificateur de puissance commence à couper les pics, et si un court-circuit est repéré entre les broches du haut-parleur, elle se porte alors dans ce cas au niveau logique haut toutes les 50 μs et au niveau logique bas toutes les 20 millisecondes.
On peut donc voir, grâce à la diode LED, si le circuit intégré fonctionne normalement, ou s’il présente ne serait-ce qu’une anomalie. Souvenezvous toutefois que dans des conditions normales, la diode LED LD1 doit être éteinte.

Figure 1 : Schéma électrique du booster 70 W, classe H. Si vous décidez de réaliser un ampli stéréo, ce schéma représente une des deux voies.

Figure 2: Schéma d’implantation des composants.
Lors du montage, veillez bien au sens des composants polarisés.




Figure 3 : Dessin du circuit imprimé à l’échelle 1.

Liste des composants
R1 = 100 kΩ
R2 = 22 kΩ
R3 = 15 kΩ
R4 = 1 kΩ
R5 = 22 kΩ
R6 = 100 kΩ
R7 = 10 kΩ
R8 = 470 Ω
R9 = 10 kΩ
R10 = 470 Ω
R11 = 470 kΩ
C1 = 4700 μF 25 V électrolytique
C2 = 100 nF multicouche
C3 = 10 μF 63 V électrolytique
C4 = 4700 μF 25 V électrolytique
C5 = 4700 μF 25 V électrolytique
C6 = 470 nF 63 V polyester pas de 5 mm
C7 = 470 nF 63 V polyester pas de 5 mm
C8 = 10 μF 63 V électrolytique
D1 = Diode 1N4148
T1 = Transistor PNP BC557B
T2 = Transistor NPN BC547B
T3 = Transistor NPN BC547B
T4 = Transistor NPN BC547B
LD1 = Diode LED rouge 5 mm
U1 = Intégré monolithique Philips TDA1562Q

Divers:
1 Prise RCA pour c.i.
2 Borniers 2 pôles pour c.i.
2 Cosses “fast-on” mâles pour c.i.


Figure 4 : Brochage du circuit intégré monolithique Philips TDA1562Q.

Figure 5 : Schéma synoptique du TDA1562Q.

Figure 6 : Principales caractéristiques techniques du circuit intégré TDA1562Q. La puissance de sortie du chip est de 55 watts avec distorsion de 0,5 % et de 70 watts en acceptant une distorsion de 10 %.

Figure 7 : Notre amplificateur utilise un circuit intégré monolithique Philips capable de débiter une puissance de 70 watts sur 4 ohms, en partant d’une tension d’alimentation de 12 volts. Ces résultats sont rendus possibles grâce à un fonctionnement en classe H.

Figure 8 : Vue sur l’entretoise alu.

L’amplificateur en version stéréo
Il est évidemment possible de réaliser un booster stéréophonique en montant deux circuits analogues et en les alimentant en parallèle: dans ce cas, les haut-parleurs doivent avoir la même phase (respectez la polarité indiquée sur le schéma électrique). Chaque entrée “IN” est bien évidemment reliée à la sortie droite ou gauche du préamplificateur ou de l’autoradio. Quant aux entrées de commande à distance, si vous les utilisez, connectez ensemble le “ON” des deux canaux et faites de même avec le “MUTING” : il suffira donc de les contrôler avec le même niveau logique.

La réalisation pratique
Laissons de côté la théorie et voyons ce qu’il faut faire pour réaliser l’amplificateur.
Il faut dire que le montage est assez simple et à la portée de n’importe quel électronicien, même débutant, c’est pourquoi personne ne doit se décourager : il y a peu de composants et tous sont faciles à trouver.
Une fois le circuit imprimé gravé et percé, vous pouvez insérer et souder les résistances et l’unique diode au silicium en veillant au sens de sa bague. C’est ensuite le tour des condensateurs (attention à la polarité des électrolytiques) et des transistors, que vous devrez tous orienter comme indiqué sur le schéma d’implantation de la figure 3.
Il en va de même pour la diode LED rouge, LD1, dont la partie arrondie doit être dirigée vers T4 et R1. N’oubliez pas les deux straps, que vous réaliserez en utilisant des chutes de queues de résistances.
Pour l’entrée audio, nous avons prévu une prise RCA pour circuit imprimé. Pour le contrôle à distance (ON, MUTING), vous pouvez utiliser des borniers au pas de 5 mm. Si vous ne souhaitez pas bénéficier du contrôle à distance parce qu’un amplificateur sans fonctions particulières vous suffit, vous pouvez exclure ces borniers du montage. Dans ce cas, vous pouvez souder définitivement le pont J1.
Pour le câblage d’alimentation et pour celui du hautparleur, nous avons utilisé, pour notre prototype, des cosses mâles pour circuit imprimé de type “fast-on”, très adaptées pour les installations en automobile.
Une fois le montage terminé, le circuit est prêt à être utilisé puisqu’il ne requiert ni réglage, ni calibrage préliminaire. La seule chose indispensable, c’est un radiateur ayant une résistance thermique de 2 °C/W, à fixer à l’aide de deux vis au TDA1562.
Plusieurs solutions pour la mise en place de ce radiateur.
Vous pouvez choisir d’intercaler une entretoise d’aluminium d’environ 1 cm d’épaisseur (voir le détail sur la figure 8), ou bien de bloquer directement le radiateur contre la sur face métallique du circuit intégré.
Dans ce cas, il faut bien faire attention à ce que la cosse de connexion la plus proche (alimentation négative) ne touche pas le dissipateur.
Pour améliorer le transfert de la chaleur, il est conseillé d’étaler sur les surfaces en contact une fine couche de graisse silicone.
Pour isoler le dissipateur du circuit intégré, vous pouvez insérer une mince feuille de téflon ou de mica, sans vous soucier des vis qui peuvent être métalliques.
A ce stade, vous pouvez relier un hautparleur de 4 ohms (qui supporte au moins 50 watts, même si l’on conseille un modèle ayant une puissance nominale de 70 watts) à la sortie et raccorder, à l’aide d’un câble blindé muni à son extrémité d’une prise RCA, la sortie d’une source BF au connecteur “IN”.
En alimentant le montage avec une tension continue de 12 à 14 volts, soit avec une batterie soit avec une alimentation capable de débiter au moins 5 ampères, après quelques instants, vous pourrez écouter le fruit de votre travail !

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