Ampli classe D 500W à alimentation à découpage et rendement

Cet article présente un ampli classe D alimenté par une alimentation à découpage. La mesure du rendement global de l'ampli et son alimentation est aussi faite et permet d'estimer les pertes. Le rendement d'un ampli classe D est en effet de 100 % théorique tout au long de son fonctionnement, pour n'importe quelle puissance de sortie, contrairement à un ampli de classe AB (78,5 % au maximum), ou pire, de classe A (25 % maximum).

Voici une réalisation d'ampli prototype ultra léger, ultra compact, basé sur un ampli classe D stéréo et une alimentation à découpage en demi pont, basée sur un transfo d'alimentation de PC (alimentation ATX). Le circuit imprimé de l'ampli et de son alimentation mesure 13 x 15 cm seulement et contient toute l'électronique. Il n'y a que les branchements à connecter pour :

  • 230 V (prise de courant et interrupteur)
  • bornier haut-parleurs de l'ampli classe D
  • entrée audio (sortie des potentiomètres de volume)

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Vue de la carte électronique : alimentation à découpage + 2 canaux d'ampli classe D

Principe de l'alimentation à découpage

L'alimentation est basée sur une alimentation à découpage en demi pont, et non un transfo torique ou cubique classique. Le demi-pont oscille autour de 30 kHz. Les deux transistors Mosfet sont dimensionnés généreusement (650 V 20 A : SPP20N60C3) pour faire face à des pointes de courant qui apparaissent lors d'un déséquilibrage de la consommation sur le rail positif +60 V ou le rail négatif -60 V en sortie d'alimentation. C'est ce qui se produit lorsqu'on demande à l'ampli de reproduire des très très basses fréquences (10 Hz par exemple). La commande de ces deux transistors Mosfet est basée sur un IR2153 à la place du montage à ampli op et inductance de mode commun :

Alimentation à découpage 500W pour ampli (sans IR2153)

Le redressement est confié à une double diode ultra fast (type D8L) montée sur un petit radiateur (pas franchement utile). Il serait adapté aussi de mettre deux diodes MUR420 en parallèle (2 x 4 A) par branche de redressement, ce qui suffit largement en termes de dissipation. Les diodes MUR420 se passent de radiateur, ce qui simplifie le montage de l'alimentation.

Les tensions de sortie sont de +56 V et -56 V à l'issue du bon enroulement du transfo d'alimentation ATX (extrémités du secondaire sur le transfo récupéré).

Principe de fonctionnement de l'ampli classe D

L'ampli classe D est basé sur un montage auto oscillant assez classique basé sur :

  • ampli op pour étage d'entrée (facultatif mais pratique et gratuit si on prend un TL072)
  • ampli op intégrateur d'ordre 2
  • translateur de niveau (transistor PNP 2N5401 ou MPSA92, ou MMBT5401 en version CMS)
  • driver de demi pont générique IR2184 (déjà présenté sur Astuces pratiques !)
  • filtre LC de sortie 47uF / 2 x 220 nF 100 V CMS 1206
  • mesure du courant dans une résistance 3 x 0,1 Ohm en parallèle (33 mOhms) pour la protection contre les courts-circuits

Pour le schéma utilisé ici, à deux exemplaires :

Ampli classe D +/-60VDC : le schéma

La résistance de mesure du courant (shunt) aux bornes de laquelle la tension est mesurée est divisée par 3 pour limiter les pertes Joule.

Réalisation du circuit imprimé et de l'ampli classe D à alimentation à découpage

Voici quelques images détaillées de la réalisation de l'ampli classe D (IRFB4620 et IR2184)

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Ampli classe D : les transistors, le driver IR2184, le transistor translateur (level shifter) 2N5401 et l'intégrateur TL072

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Inductances 47 uH et circuits 10 Ohms 100 nF pour limiter les oscillations à vide (résonance LC)

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Réalisation du circuit imprimé en cours : les connecteurs verts sont pour le test uniquement

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Zoom sur la partie commande de l'ampli : IR2184 et TL072

Résultats avec l'ampli classe D et alimentation à découpage

Le seul défaut un peu audible de cette réalisation compacte et légère, c'est l'intermodulation qui existe entre les canaux. Pour réduire cette intermodulation audible, plusieurs améliorations ont été apportées, consultables sur le schéma proposé de l'ampli classe D ici :

  • intégrateur d'ordre 2 : 2 condensateurs 1nF, une résistance 1k qui part de leur point milieu vers la masse
  • éloigner autant que possible les deux canaux d'ampli classe D (trop tard si la carte est déjà réalisée)
  • éloigner autant que possible chaque canal de l'alimentation à découpage.

L'intermodulation se traduit par des sifflements étranges dans les tweeters des enceintes qui varient en fonction du signal audio qui arrive sur l'autre canal. Sur des haut-parleurs à haut rendement (tweeter à pavillon à 105 dB/ 1 W/ 1 m) par exemple, cela peut être un peu gênant quand il n'y a pas ou très peu de musique.

Montage de l'ampli classe D

L'unique carte électronique est montée dans un boitier en contreplaqué, permettant l'accès à la carte des deux côtés. Les connexions à prévoir pour la découpe des planches sont :

  • face avant : interrupteur, voyant à LED, potentiomètre de volume
  • face arrière : bornier RCA, borniers haut-parleurs, prise de courant ou embase secteur

Sur les côtés, des trous d'aération pour le ventilateur 12 V.

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Boitier de l'ampli classe D : moins de 20 cm de côté, contreplaqué peint en bleu

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Ampli classe D et son alimentation

Rendement de l'ampli classe D : mesures en pratique

Pour estimer le rendement de l'ampli classe D, on sollicite l'ampli à pleine puissance, sur charge résistive en appliquant un signal sinus de 1 kHz environ. L'allure du signal en sortie est surveillée avec un oscilloscope : dès qu'une saturation est visible sur l'écran, on considère que la pleine puissance est atteinte.

Ampli à vide

L'alimentation à vide est à +/-59 V.

Ampli : pleine charge (et même plus !) sur un seul canal (3 Ohms)

Sur un canal chargé par 3 Ohms, la tension de sortie atteint 36 V RMS, soit 432 Watts RMS environ. L'alimentation vaut alors +/-53,5 V.

Le courant RMS vaut 12 A.

Côté secteur, on mesure alors :

Puissance P : 0,47 kW

Puissance apparente : 0,79 kVA

Facteur de puissance : 0,62

Le rendement vaut environ 432/470 = 92 %

Plutôt une bonne surprise, le rendement global de l'ampli atteint 92 %.

Ampli : 1/3 de la puissance de sortie, 3 Ohms

On fait de même pour la mesure de rendement, en "montant le volume" de l'ampli jusqu'à avoir 21 Volts en sortie. L'alimentation vaut alors +/-56 V.

Sur un canal chargé par 3 Ohms, la tension de sortie vaut donc 21 V RMS, soit 147 Watts RMS environ.

Côté secteur, on mesure alors :

Puissance P : 0,18 kW

Puissance apparente : 0,32 kVA

Facteur de puissance : 0,56

Le rendement vaut environ 147/180 = 82 %

A puissance inférieure, le rendement global de l'ampli atteint 82 %, ce qui est plus faible qu'à pleine puissance.

Le facteur de puissance est moins bon à cause de l'étage d'entrée de l'alimentation à découpage : pont de diodes et condensateurs de filtrage.

Rendement de l'ampli classe D : bridge pour obtenir la puissance maximale (8 Ohms)

Pour charger les deux canaux, on bridge l'ampli. La charge est de 8 Ohms. Sur la charge de 8 Ohms, la tension de sortie atteint 70 V RMS, soit 613 Watts RMS environ. L'alimentation chute alors à +/-49,5 V. Cela permet aussi de voir que la saturation est atteinte quasiment au niveau de l'alimentation, contrairement à un ampli classe AB qui aura une tension de déchet de plusieurs Volts.

Et sur le secteur, on mesure alors :

Puissance P : 0,72 kW

Puissance apparente : 1,16 kVA

Courant efficace consommé sur le secteur : 5,26 A

Facteur de puissance : 0,62

Le rendement vaut environ 613/720 = 85 %

Le rendement de l'ampli classe D, avec son alimentation, atteint 85 % lors de sa pleine utilisation.

Guy
vendredi 24 juillet 2015 10:23

Bonjour Nina Un site vraiment passionnant et innovant par ses réalisations. je n'ai pas trouvé le schéma de l'alim version IR2153. est il possible de l'obtenir. merci et bravo.

Guy
vendredi 24 juillet 2015 10:24

Bonjour Nina Un site vraiment passionnant et innovant par ses réalisations. je n'ai pas trouvé le schéma de l'alim version IR2153. est il possible de l'obtenir. merci et bravo.

Drickc
lundi 8 février 2016 08:15

bonjour est ce que le filtre passe haut change par rapport alimentation de l'amplificateur? merci

Guy
samedi 5 novembre 2016 01:20

pourrait on mettre des capots de blindage en alu à chaque module reliés à la masse pour faire cage de faraday, et diminuer les interférences?

nina67 Nina67
lundi 7 novembre 2016 16:17

Bonjour guy, oui, c'est envisageable, cependant, ils n'auront aucun effet sur des parasites conduits par les fils et les pistes... Ils n'auront aucun effet non plus sur le champ magnétique. ils ne pourront être utiles que pour protéger les étages d'entrée audio.

Guyelec
lundi 3 avril 2017 22:07

bonjour nina, j'ignore si cet ampli est toujours au gout du jour, en cablant le circuit en cms, (partie 2184) sous la self (question de place) est ce que je risque des interférences facheuses pour son fonctionnement?cdt, Guy

nina67 Nina67
mardi 4 avril 2017 06:44

Bonjour Guy, ce n'est pas une bonne idée du tout de faire cela. La self génère beaucoup de perturbations notamment autour de la partie protection (entre les transistors de lecture du courant et celui qui pilote le shutdown du IR2184). D'où l'ajout nécessaire des capas sur ces parties là. J'imagine que mettre des composants sous la self va aggraver ce problème, sauf si vous trouver une self blindée de 47uF et au moins 10A. Cordialement

Tolotrasho
jeudi 14 décembre 2017 10:56

bonjour, est ce que tu peux me donner le schéma electronique détaillé , typon et avec description de composant pour cet ampli 500W,
Merci

nina67 Nina67
jeudi 14 décembre 2017 12:15

Ampli classe D 500W à alimentation à découpage

nina67 Nina67
jeudi 14 décembre 2017 12:17

bonjour, voilà le typon. Il faut ajuster les dimensions pour qu'il fasse 15cm de longueur (et environ 13.5cm de large). Le schéma de l'ampli avec alimentaiton à découpage est montré en lien dans l'article, ainsi que les explications. Cordialement