Amplificateur 55 W + 55 W

Introduction
Schema électrique et PCB
Réalisation
Mesures
Les enceintes
Distorsion (juin 2014)
Conclusion
Deep purple's vinyl is... purple!

Introduction

Ne disposant d'un système adéquat pour écouter de la musique avec une qualité acceptable, je me suis dit qu'il était temps de résoudre ce problème. Après environ 25 ans où je m'intéresse d'électronique, j'ai décidé de fabriquer moi même l'amplificateur de puissance, car je n'avais pas encore fabriqué rien de similaire et c'était une bonne occasion de se faire un petit peu d'expérience. Je me suis inspiré fortement de ce projet :

http://sound.westhost.com/project3a.htm

mais j'ai apporté une modification à l'étage d'entrée, en utilisant un miroir de courant comme charge active pour la paire différentielle. Dans cet article, je vais décrire rapidement le schéma électrique, je vais montrer les photos de ma réalisation et je vais fournir quelques commentaires sur les résultats des mesure.

Schema électrique et PCB

Voici le schéma électrique:

Si vous voulez, voici le schéma disponible dans le format FidoCadJ. J'avais mis en compte de retoucher le réseau de compensation et en particulier la valeur du condensateur C3 pour garantir la stabilité du circuit, suite au fait que le gain en boucle ouverte avait été modifié, mais cela ne s'est pas avéré nécessaire.

Rod Elliott vend des très bons circuits imprimés pour son P3A, mais dans mon cas, à part la petite modification que j'ai faite, les dimensions de ses plaques n'étaient pas compatibles avec le boîtier que j'avais récupéré. J'a réalisé donc le circuit imprimé moi même (le fichier en format FidoCadJ est disponible ici). Pour ce qui préfèrent, j'ai préparé quelques exportations en PDF des couches importantes du circuit imprimé.

Pour ce qui concerne le fonctionnement du circuit, je vous conseille de lire l'article originel qui décrit le projet P3A de Rod Elliott (attention au nom des composants qui change par rapport à ma version). Je me contente donc de dire que le circuit est en gros un amplificateur différentiel où Q1 et Q2 forment une paire différentielle, alimentée par Q5 qui fonctionne en tant que générateur de courant. Q3 et Q4 sont un miroir de courant et le transistor Q6 rajoute sa contribution au gain en boucle ouverte. Q7 est en configuration << multiplicateur de Vbe >> et s'occupe de polariser correctement l'étage de sortie, réalisé avec deux paires Sziklai. Le condensateur C5 est le condensateur de bootstrap, utile pour augmenter le gain de Q6. La stabilité du circuit est assurée par le réseau de Zobel C6 et R16, ainsi que par les condensateurs C3 et C7.

Réalisation

Nous allons commencer avec une photo d'une plaque, avec presque tout le circuit monté.

Probablement, la modification apportée n'améliore pas considérablement les performances du circuit, mais j'avais envie de tester cette configuration. Si quelqu'un souhaite fabriquer le circuit, je ne peux que conseiller de rester sur la configuration prévue par Rod Elliott. D'ailleurs, Rod propose une procedure à suivre pour tester le projet P3A, à laquelle je renvoie pour le test du circuit. Les choses la plus importante est que la résistance réglable R9 dans le circuit doit être réglée en position de résistance maximale avant toute manipulation et que les enceintes NE DOIVENT PAS être reliées avant que le circuit ait été testé avec soin. Le courant de bias utilisé dans mon circuit correspond à une tension de 50 mV mesurée entre les collecteurs de Q9 et Q11, en absence de signal à l'entrée du circuit.

Voici par contre l'amplificateur monté dans sa boîte, avec la petite table de mixage que j'utilise en tant que pre amplificateur. Le système est sans doute provisoire, entre autre pour ce qui concerne le panneau frontal. Je dois voir comment fabriquer quelque chose d'esthétique.

Voici par contre l'intérieur de l'amplificateur. Ce que je compte faire est de bloquer les câblages avec des joints de fixation en plastique, mais pour l'instant certaines connexions sont libres suite à la nécessité d'en établir la configuration finale, trouver toutes les boucles de masse et ainsi de suite. Je voudrais aussi inclure une protection pour les hauts parleurs et un couple de vu-meter dont je dispose.

Les dissipateurs que j'ai montés sur les côtés du boîtier sont quatre et ont une résistance thermique déclarée de l'ordre de 1,5 K/W. Il s'agit de dissipateurs qui fonctionneraient mieux en vertical, mais j'ai été obligé de les disposer en horisontal, suite à la place dont je disposais. Voici une autre image de l'intérieur, où on voit les connecteurs RCA et haut parleurs. Les écritures sont inspirées du dos d'un ancien amplificateur Marantz des années 1970.

Une vue des condensateurs de filtrage, du circuit monté avec les transistors de puissance et les dissipateurs. A pleine puissance, à la limite de l'écrêtage sur un signal sinusoidal, j'ai mesuré une puissance de 55 W en moyenne par canal, sur une charge de 8 ohm. Les dissipateurs sont dimensionnés pour supporter cela sans problèmes pendant des heures, mais je pense que cette éventualité ne se produira pas très souvent, du moins pour le respect que je dois à mes voisins ! Je ne dispose pas de mesure de distorsion, c'est quelque chose que l'on ne voit pas à l'oscilloscope, mais j'ai fait attention à éviter toute auto-oscillation.

Mesures

Une fois réalisé l'amplificateur, j'ai été curieux d'en mesurer les caractéristiques les plus importantes. Pour l'instant, je ne suis pas équipé pour faire la mesure de la puissance de sortie, mais j'ai voulu néanmoins mesurer la puissance maximale délivrée sur une charge de 8 ohm.

Tout d'abord, j'ai donc fabriqué une charge passive réalisée en mettant en parallèle 7 résistances de 56 ohm et 10 W. Bien qu'en théorie la puissance dissipable est donc de l'ordre de 70 W, les résistances deviennent très chaudes lorsque l'on dépasse les 30 ou 40 W. Elles (ainsi que les soudures) ne semblent pas souffrir des températures supérieures à 100°C. Les deux figures qui suivent montrent le signal en sortie, avec une excitation sinusoidale qui porte à la limite de l'écrêtage l'amplificateur et un deuxième cas où l'écrêtage est évident. La puissance maximale qu'on tire à la limite de l'écrêtage est comprise entre 52 et 54 W en moyenne pour un signal sinusoïdal. Le circuit pourrait fournir sans problèmes quelques watt en plus en augmentant légèrement la tension d'alimentation. Dans mon cas, j'ai utilisé un transformateur qui fournit 24 V + 24 V, ce qui fait en sorte que j'obtiens un peu moins que les 35 V+35 V nominaux.

Le circuit a fonctionné plutôt bien au premier coup, mais j'ai dû augmenter la valeur des condensateurs C8 et C9 par rapport à ce qui était originairement prévu (100 nF), afin d'éviter une auto oscillation qui apparaissait lorsque je dépassais la dizaine de watt. Pour éviter des problèmes de surchauffe, j'ai fait tourner l'amplificateur à pleine puissance pendant plus qu'une heure. Les dissipateurs deviennent chauds, mais on peut encore poser la main sur eux et sur les transistors de puissance sans se brûler.

Distorsion (juin 2014)

J'ai pu effectuer quelques mesures de distorsion, grâce à un analyseur FFT Brüel & Kjaer 2034 avec une fenêtre de Hanning. Il est intéressant de mesurer la distortion lorsque l'on est en train d'évaluer la puissance maximale fournie par l'amplificateur, ainsi que le type de distorsion. La mesure à l'oscilloscope n'est pas très fiable, car il est difficile d'évaluer à l'écran la distortion que l'on obtient sur un signal sinusoidal.

Les enceintes (2011-2015)

On peut par contre voir ici les dégâts du temps sur les enceintes que j'ai récupérée. RCF est une marque italienne, la qualité de ce modèle d'après ce que j'ai compris était de niveau moyen/haut, d'où mon intérêt vers une reparation. Je suis en train (du moins, j'étais en 2011, voir plus en bas) de caresser l'idée d'essayer de remembraner l'haut parleur moi même, sous condition de trouver une suspension "foam" de la bonne taille.

En janvier 2015 (le temps passe !) j'ai finalement pris le temps de commander de nouvelles suspensions et réparer les haut-parleurs. J'ai dû changer aussi une partie de l'éponge qui se trouvait à l'intérieur de l'haut-parleur des moyennes fréquences. J'ai modifié un peu la réponse de l'enceinte avec un atténuateur, pour l'adapter à la réponse sonique de ma salle. Maintenant, je suis très content du résultat qui me semble de très bonne qualité. En fait, les enceintes RCF étaient de qualité. En bas, voici la réponse à 1/3 d'octave de l'enceinte (celle que j'utilise pour le canal gauche), prise avec un microphone Sennheiser e845. C'est un micro chant hypercardioïde, et non pas un microphone de mesure, mais cela permet de se faire une idée. J'ai écrit moi même le logiciel pour l'acquisition des données du B&K 2034 via GPIB, et est gratuitement disponible sur GitHub avec licence GPL v.3.

Repaired RCF40b

Pour cela, j'ai injecté un signal sinusoidal à 1 kHz en entrée de l'amplificateur. J'en ai reglé l'amplitude de façon à obtenir une distorsion de l'ordre de 1% (le signal original avait une distorsion de l'ordre de 0,4%) sur une charge de 8,1 ohm. Le signal de sortie avait une amplitude efficace de 21,13 V, ce qui correspond à 55,8 W. La trace supérieure de l'analyseur montre le spectre du signal à l'entrée de l'amplificateur. La trace en bas montre le signal de sortie, sur la charge. Il est intéressant de remarquer que la distortion est surtout sur des harmoniques impairs, dont la largeur de raie est considérablement augmentée. Ce dernier effet est dû à la modulation à 100 Hz qui vient de l'ondulation de la tension d'alimentation qui (seulement dans le cas d'écrêtage) se retrouve sur la sortie de l'amplificateur. En conditions normales, l'amplificateur est très silencieux et la distorsion n'est pas mesurable avec mes appareils (probablement, elle est inférieure à 0,1%).

Conclusion

J'ai décrit dans cet article ma réalisation d'un amplificateur audio basé sur le projet P3A de Rod Elliott. J'ai décrit le circuit, montré des photos de mon exemplaire du circuit et j'ai fourni les résultats de mesure, qui montrent une puissance maximale comprise entre 52 et 54 W en moyenne sur un signal sinusoidal. J'ai été très satisfait de ma première réalisation d'un amplificateur de puissance stereo. Le circuit conseillé par Rod Elliott s'avère être très efficace et fiable et je ne peux que le conseiller. La puissance maximale deliverable par le système s'avère être légèrement inférieure aux 60 W + 60 W qui était l'objectif du départ, mais elle est largement supérieure à mes besoins. La raison de cela ne vient pas du circuit amplificateur en lui-même, mais plutôt du fait qu'il manquent 3 ou 4 V fournis par le système d'alimentation.

Log:

2011 - First version of the page

June 2014 - Distortion measurements added.

March 2015 - Info about RCF BR40b repair, PDF files of the PCB added