Un amplificateur pour les basses avec filtre numérique "Première partie : Description"

Il existe de nombreux audiophiles qui, bien que disposant d’amplificateurs Hi-Fi et d’enceintes acoustiques de très bonne qualité, trouvent que les basses ne ressortent pas assez ! Cet “inconvénient” est uniquement provoqué par l’ameublement de la pièce… pardon : de l’auditorium, qui absorbe les fréquences basses. Vous pouvez corriger le phénomène en les accentuant : pour cela, il vous suffit de construire cet amplificateur “sub-woofer”.
Ce qui joue en la défaveur de l’écoute des sons graves (les basses), c’est essentiellement qu’ils sont plus facilement absorbés par les objets présents dans la pièce dédiée à l’audition, mais aussi que, la physiologie de l’oreille humaine étant ce qu’elle est, nous les percevons beaucoup plus atténués que les médiums et les aigus. Aussi les constructeurs s’ingénient-ils à exalter ces sons graves, c’est-à-dire à les favoriser par rapport aux sons médiums et aigus, mais les résultats ne sont pas toujours satisfaisants.
Quand on écoute de la musique entre les cloisons et les murs de la maison, c’est principalement le mobilier, les tentures, les rideaux qui sont responsables de l’atténuation des graves, or on ne peut guère envisager de les supprimer ! Il ne reste donc qu’à exalter, accentuer, les notes basses et super-basses, c’est-à-dire dont la fréquence audio est inférieure à 200 Hz.
Rendre ces sons graves plus puissants, c’est revivre des sensations, une atmosphère et des états d’âme qui sans cela ne seraient pas perçus par la personne écoutant le morceau de musique.

Les filtres à capacité commutée
Normalement, pour réaliser des filtres passe-bande, passehaut, passe-bas ou “notch”, on utilise des condensateurs, des résistances et des selfs. Quelques-uns d’entre vous savent peut-être qu’il existe des circuits intégrés nommés “Switched Capacitor Filters” (filtres à capacité commutée) permettant de réaliser tous les types de filtres en utilisant fort peu de composants externes. Ces SCF (ou FCC) ne sont pas inconnus de nos plus anciens lecteurs mais, pour les nouveaux, résumons un peu les faits : voyons comment mettre en oeuvre un de ces filtres dans notre amplifi cateur “sub-woofer”.
Afi n d’éclairer le principe de fonctionnement d’un filtre à capacité commutée, la fi gure 2 le représente comme un simple inverseur électronique dont le levier central est excité par une fréquence d’horloge le déplaçant alternativement de l’extrémité d’entrée à l’extrémité de sortie. Quand le levier de cet inverseur est tourné vers l’extrémité d’entrée, il prélève l’amplitude du signal et l’utilise pour charger le condensateur C1. Quand le levier se commute sur l’extrémité de sortie, nous pouvons prélever un signal parfaitement identique à celui appliqué sur l’entrée, avec un inconvénient toutefois, celui d’être fragmenté ou grossièrement sinusoïdal sous l’effet de la commutation, comme le montre la fi gure 3.
L’inverseur est commuté de gauche à droite et vice versa par une horloge devant battre une fréquence au moins cent fois supérieure à la fréquence de coupure pour laquelle le filtre est calculé.
Donc, si nous voulons réaliser un filtre passe-bas ayant une fréquence de coupure de 200 Hz, nous devons utiliser une fréquence d’horloge de :
200 x 100 = 20 kHz

Si nous voulons réaliser un filtre passe-bas ayant une fréquence de coupure de 50 Hz, nous devons utiliser une fréquence d’horloge de :
50 x 100 = 5 kHz

Pour pouvoir satisfaire les exigences de tous les audiophiles, nous avons relié au filtre un potentiomètre R5, de façon à pouvoir régler sa fréquence de coupure de 50 à 200 Hz.
Pour éliminer la fragmentation du signal sinusoïdal (voir fi gure 3), de manière à le rendre parfait et aussi afi n d’éviter que la fréquence d’horloge ne se mélange avec la fréquence du signal BF et ne produise des battements pouvant se manifester par des siffl ements fastidieux, nous avons appliqué à l’entrée et à la sortie du circuit des filtres passe-bas réalisés avec des amplifi cateurs opérationnels normaux (voir fi gure 5 les amplifi cateurs IC2-A et IC2-B).

 Figure 1 : L’amplifi cateur “sub-woofer” que cet article vous propose de construire est monté dans un boîtier métallique doté d’une face avant en aluminium percée et sérigraphiée.


Figure 2 : Un filtre passe-bas à capacité commutée peut être comparé à un inverseur à levier qui, se déplaçant vers la gauche, charge un condensateur et, se déplaçant à droite, prélève la tension présente sur le condensateur et l’applique sur la sortie. La fréquence d’horloge ou de commutation doit être cent fois supérieure à la fréquence de coupure.

Figure 3 : Sous l’effet de la commutation, le signal prélevé en sortie se présente fragmenté et donc, pour obtenir une onde sinusoïdale parfaite, le signal est filtré par l’amplifi cateur opérationnel IC2-B situé avant IC5, comme le montre la fi gure 5.


Figure 4 : Un seul filtre passe-bas contenu dans le circuit intégré MF10 (voir fi gure 6) est en mesure d’atténuer un signal de 12 dB par octave. Comme nous en mettons deux en série, nous obtenons une atténuation de 24 dB par octave.

Le schéma électrique
La fi gure 5 donne le schéma électrique complet de cet amplifi cateur “sub-woofer” EN1553. Le signal BF à appliquer à l’entrée du premier amplifi cateur opérationnel IC1-A peut être prélevé sur la prise de sortie de n’importe quel lecteur de DVD ou magnétoscope VHS ou sur la prise BF OUT de n’importe quel amplifi cateur Hi-Fi.
Si vous voulez, vous pouvez aussi bien le prélever sur la prise péritel SCART d’un téléviseur, en utilisant un câble terminé par des RCA “cinch” mâles. Si vous n’en trouvez pas chez votre revendeur Hi-Fi, vous pouvez les fabriquer vous-même avec du câble blindé et des fi ches volantes, à capots plastiques ou métal.
Le signal appliqué à l’entrée non inverseuse du premier amplifi cateur opérationnel IC1-A, utilisé comme simple adaptateur d’impédance, est prélevé sur la broche de sortie 7 pour être appliqué sur les entrées 6 et 5 du second amplifi cateur opérationnel IC2-A. Cet amplifi cateur opérationnel joue le rôle de filtre passebas et atténue toutes les fréquences supérieures à 800 Hz lesquelles, si elles devaient se mélanger avec la fréquence d’horloge du filtre à capacité commutée IC3, pourraient produire des battements occasionnant des siffl ements aigus gênants. Le signal BF parfaitement nettoyé est appliqué sur l’entrée non inverseuse 3 du troisième amplifi cateur opérationnel IC1-B, utilisé comme étage amplifi cateur à gain variable.
Comme le montre le schéma électrique de la fi gure 5, entre la broche de sortie 1 et l’entrée inverseuse 2 de l’amplifi cateur opérationnel IC1-B, un double potentiomètre R8/R10 est relié dans le but de contrôler le volume de l’amplifi cation en tension du signal BF de 1 à 20 fois. Le signal dosé en amplitude par l’amplifi cateur opérationnel IC1-B, est prélevé sur sa broche de sortie 1 et appliqué sur les broches 2, 4 et 3 de IC3, le double SCF, filtre à capacité commutée, MF10, capable d’atténuer, chacune des deux cellules, de 12 dB par octave : en en mettant deux en série (c’est ce que nous avons fait, c’est pourquoi nous disons double SCF), nous atténuons en tout de 24 dB par octave toutes les octaves supérieures à notre fréquence de coupure, ce qui correspond à une atténuation d’environ seize fois en tension, comme le montre la fi gure 4.
Le filtre IC3 laisse passer de manière uniforme toutes les fréquences jusqu’à l’atteinte de la fréquence de coupure. À partir de celle-ci et au dessus, il atténue de –24 dB la première harmonique, de –48 dB la deuxième harmonique, etc.
Ce qui signifi e que, si nous avons réglé le filtre sur la fréquence de coupure de 200 Hz, la première harmonique supérieure, tombant sur la fréquence de 400 Hz, sera atténuée de seize fois et la deuxième harmonique supérieure, tombant sur la fréquence de 800 Hz, sera atténuée d’environ 250 fois.
Pour faire varier la fréquence de coupure du filtre numérique, il faut faire varier la fréquence d’horloge, obtenue avec le circuit intégré IC4, un CMOS 4046 utilisé comme VCO (“Voltage Controll Oscillator”) ou OCT (Oscillateur Contrôlé en Tension). En reliant entre les broches 6 et 7 de IC4 un condensateur polyester C10 de 4,7 nF, nous pouvons faire osciller ce circuit intégré de 5 kHz à 20 kHz, simplement en tournant le curseur du potentiomètre R5 de 1 k. On l’a déjà dit, la fréquence de coupure du filtre numérique IC3 s’obtient en divisant par cent la fréquence d’horloge.
Quand IC4 oscille sur 5 kHz, notre filtre numérique amplifi e les seules fréquences comprises entre 1 et 50 Hz.
Quand IC4 oscille sur 10 kHz, notre fil tre numérique amplifi e les seules fréquences comprises entre 1 et 100 Hz.
Quand IC4 oscille sur 20 kHz, notre filtre numérique amplifi e les seules fréquences comprises entre 1 et 200 Hz.
La fréquence d’horloge à onde carrée, avec un rapport cyclique de 50 % sortant de la broche 4 de IC4, est appliquée sur les broches 10 et 11 du double filtre numérique IC3.
Sur la broche de sortie 20 de ce filtre est prélevé le signal “sub-woofer” pour être ensuite appliqué à l’entrée de l’amplificateur opérationnel IC2-B, utilisé pour éliminer la légère fragmentation de la sinusoïde due à la commutation d’échantillonnage, comme le montre la fi gure 3. À la sortie, broche 1, de l’amplifi cateur opérationnel IC2-B nous prélevons donc des sinusoïdes parfaites, que nous appliquons sur la broche d’entrée 1 de IC5, un TDA1514A, en mesure de fournir une puissance de 25 W RMS environ sur une charge (haut-parleur) de 8 ohms d’impédance et une puissance de 40 W RMS pour 4 ohms. Dans cet amplifi cateur de puissance IC5 nous avons relié les deux broches 2 et 3 à l’extrémité positive du condensateur électrolytique C21, afi n que le circuit intégré commence à amplifi er avec un retard d’environ 5 secondes à partir du moment où on l’alimente, ceci pour éviter le pénible “toc” dans les haut-parleurs.
Remarquons que ce circuit intégré dispose d’une protection supplémentaire : en effet, si la température de son boîtier dépassait la valeur limite de sécurité, automatiquement il réduirait sa puissance de sortie afi n d’éviter d’être détruit. Un autre mérite de ce circuit intégré tient à ce que, pour modifi er le gain de l’amplificateur, il suffi t de faire varier la valeur de la résistance R24 reliée entre la broche 9 et la masse. La formule pour connaître le gain de cet étage amplifi cateur est la suivante :
gain = (R23 : R24) + 1

Étant donné que dans notre circuit nous avons choisi pour R24 une 680 ohms et pour R23 une 22 k, le gain en tension est de :
(22 000 : 680) +1 = 33,3

Vous trouvez peut-être étrange de mettre en parallèle avec la résistance R27 de 100 ohms 1 W la self L1 constituée de quelques spires de fil de cuivre de 1 mm de diamètre. Nous vous conseillons cependant de ne rien modifi er et de laisser aussi la résistance R26 de 4,7 ohms avec en série un condensateur C24 de 22 nF, car ces composants servent à compenser la charge inductive et capacitive de la bobine mobile du haut-parleur.

Figure 5 : Schéma électrique de l’amplifi cateur “sub-woofer”. Le potentiomètre R5, relié à la broche 9 du circuit intégré IC4 (un CMOS 4046), sert à faire varier la fréquence de coupure de 50 Hz à 200 Hz. Le double potentiomètre R8/R10, relié à l’amplifi cateur opérationnel IC1-B, sert de contrôle de volume.
Si on utilise un haut-parleur de 8 ohms, on obtient en sortie une puissance RMS de 25 W, soit 50 W musicaux, alors que si on utilise un haut-parleur de 4 ohms, on obtient en sortie une puissance RMS de 40 W, soit 80 W musicaux.


Liste des composants
R1 = 100 kΩ
R2 = 22 kΩ
R3 = 22 kΩ
R4 = 22 kΩ
R5 = 1 kΩ pot. lin.
R6 = 10 kΩ
R7 = 47 kΩ
R8 = 10 kΩ pot. lin.
R9 = 680 Ω
R10 = 10 kΩ pot. lin.
R11 = 2,200 kΩ
R12 = 22 kΩ
R13 = 12 kΩ
R14 = 22 kΩ
R15 = 10 kΩ
R16 = 10 kΩ
R17 = 12 kΩ
R18 = 1 kΩ
R19 = 22 kΩ
R20 = 22 kΩ
R21 = 22 kΩ
R22 = 470 kΩ
R23 = 22 kΩ
R24 = 680 Ω
R25 = 22 kΩ 1/2 W
R26 = 4,7 Ω 1/2 W
R27 = 100 Ω 1 W
R28 = 470 Ω 2 W
R29 = 470 Ω 2 W
C1 = 22 μF électro. non pol.
C2 = 100 nF polyester
C3 = 100 nF polyester
C4 = 6,8 nF polyester
C5 = 6,8 nF polyester
C6 = 6,8 nF polyester
C7 = 22 μF électro. non pol.
C8 = 100 nF polyester
C9 = 100 nF polyester
C10 = 4,7 nF polyester
C11 = 100 pF céramique
C12 = 100 nF polyester
C13 = 100 nF polyester
C14 = 6,8 nF polyester
C15 = 6,8 nF polyester
C16 = 6,8 nF polyester
C17 = 100 nF polyester
C18 = 100 nF polyester
C19 = 220 pF céramique
C20 = 22 μF électro. non pol.
C21 = 47 μF électrolytique
C22 = 470 nF polyester
C23 = 470 nF polyester
C24 = 22 nF polyester
C25 = 100 nF polyester
C26 = 100 nF polyester
C27 = 100 nF polyester
C28 = 100 nF polyester
C29 = 100 μF électrolytique
C30 = 100 μF électrolytique
C31 = 4 700 μF électrolytique
C32 = 4 700 μF électrolytique
C33 = 4 700 μF électrolytique
C34 = 4 700 μF électrolytique
C35 = 100 nF pol. 250 V
C36 = 100 nF pol. 250 V
C37 = 100 nF pol. 250 V
C38 = 100 nF pol. 250 V
L1 = 10 spires sur R27
RS1 = pont redres. 400 V 8 A
DL1 = LED
IC1 = intégré NE5532
IC2 = intégré NE5532
IC3 = intégré MF10
IC4 = CMOS 4046
IC5 = intégré TDA1514/A
IC6 = intégré MC78L05
IC7 = intégré MC79L05
T1 = transfo. torique 90 W sec. 18+18 V 2,5 A
S1 = interrupteur

Divers
1 bornier 3 pôles
1 radiateur
1 boîtier métallique
1 douille banane rouge
1 douille banane noire
1 prise femelle RCA
1 prise secteur femelle pour châssis
2 boutons pour potentiomètres

Figure 6 : Schéma synoptique et brochage vu de dessus du filtre MF10.

Figure 7 : Schéma synoptique et brochage vu de face en contre-plongée du circuit intégré fi nal TDA1514A.

L’étage d’alimentation
Pour alimenter cet amplifi cateur, il faut un transformateur d’une puissance d’environ 90 W et pourvu d’un secondaire capable de fournir une tension alternative de 2 x 18 V 2,5 A.
Cette tension redressée par le pont redresseur RS1 et lissée par les quatre condensateurs électrolytiques C31, C32, C33 et C34 de 4 700 μF chacun, afi n d’obtenir une tension continue atteignant une valeur de 2 x 25 V servant à alimenter le seul circuit intégré de puissance TDA1514A.
La tension positive de 25 V est utilisée pour alimenter les broches 6 et 7 de IC5, alors que la tension négative de 25 V est utilisée pour alimenter la seule broche 4.
Étant donné que les autres circuits intégrés utilisés dans le circuit fonctionnent avec une tension double symétrique de 2 x 5 V 40 à 50 mA, nous avons utilisé le circuit intégré IC6, un petit 78L05, pour obtenir la tension positive de 5 V et le circuit intégré IC7 79L05 pour obtenir la tension négative de 5 V.

À suivre…
Dans la seconde partie de cet article, nous entrerons de plein pied dans la réalisation pratique.

Un amplificateur pour les basses avec filtre numérique "Seconde partie et fin : Réalisation"

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