Ampli classe D 50W à 300W : schéma

Cet article présente un ampli classe D basé sur un IR2011 et un 74HC02. Ce sont les deux composants essentiels qui permettent la commande des transistors Mosfet de puissance ainsi que l'adaptation des niveaux des signaux de commande.

Voici donc un schéma et un prototype d'ampli classe D auto oscillant simple et facile à réaliser. Cet article présente aussi une maquette prototype de cet ampli alimenté en +/-35 V et qui délivre 100 W rms à 4 Ohms.

Ampli classe D avec IR2011 de International Rectifier

Etage d'entrée de l'ampli classe D

Un premier étage est basé sur l'ampli op U1a monté en inverseur. R1 et C1 définissent la fréquence de coupure du filtre passe haut (7Hz). L'impédance d'entrée est définie par R1. Le gain de ce premier étage vaut -R2 / R1 = -2,2

C2 forme avec R2 un filtre passe bas qui élimine les hautes fréquences parasites. Sur un ampli classe D, ce filtre est vivement recommandé (34 kHz).

L'étage d'entrée peut éventuellement être supprimé et le signal audio attaque alors directement C3, mais l'impédance d'entrée (2,2 k) est un peu faible. Avec un TL072, il y a deux amplis op pour le prix d'un, alors ce serait dommage de s'en priver !

Intégrateur de l'ampli classe D

L'intégrateur est basé sur U1b. C'est le coeur de l'ampli classe D. L'impédance d'entrée de cet intégrateur est égale à R3 et le gain total de cette partie vaut :

-R6/R3 = -21,4

C4 filtre des transitoires des fronts de tension provenant des transistors de sortie. R4 protège l'entrée inverseuse de l'intégrateur dans le cas où l'ampli est en défaut à un niveau haut ou bas permanent. En effet, sans R4, rien ne limiterait la tension.

C5 est la capacité de l'intégrateur. Plus sa valeur est grande, plus la fréquence d'oscillation au repos est faible. A 1 nF, la fréquence d'oscillation est de 240 kHz environ. Comme il n'y a qu'un seul condensateur, il s'agit d'un intégrateur d'ordre 1 qui a l'avantage de la simplicité.

Translateur de niveau de l'ampli classe D

Le translateur de niveau ("level shifter") décale la tension de sortie de l'intégrateur (qu'on retrouve aux bornes de R5 à la tension base-émetteur de T3 près) vers l'alimentation négative -Vcc. On retrouve cette tension aux bornes de R8. En effet, le courant qui circule dans R5 est égal au courant qui circule dans R8. La tension aux bornes de R8 est donc égale à celle aux bornes de R5.

C6 filtre la tension aux bornes de R8 (atténue les parasites haute fréquence et les transitoires liés aux commutations des transistors de puissance T1 et T2. C6 doit être de l'ordre de 22 à 47 pF (obtenu empiriquement).

R7 ne sert qu'à protéger l'entrée de U2b dans le cas malheureux où T3 casserait et court-circuiterait.

Le transistor doit supporter comme tension l'alimentation -Vcc. On peut choisir le classique 2N5401 (150 V) ou le MPSA92. Il y a de la marge ! Avec une alimentation inférieure à +/-50 V, le BC556 conviendra aussi.

Commandes pour les transistors : 74HC02 et IR2011

U2a et U2b sont deux portes logiques NOR (non ou) qui sont utilisées en comparateur. Leur seuil de basculement est autour de 2,5V. La tension aux bornes de R8 fluctue autour des seuils des portes NOR. Les autres entrées du 74HC02 peuvent toutes être reliées à la masse (elles ne sont pas utilisées). On peut éventuellement les utiliser pour un ampli classe D stéréo.

L'ensemble suivant (D2, R9, C7) et (D3, R10, C8) créent un temps mort ("dead time") de 1 us (une microseconde) environ entre les niveaux hauts envoyés alternativement aux grilles des transistors de sortie T1 et T2 via le IR2011. En effet, il faut éviter la conduction simultanée ("shoot through") de T1 et T2 comme dans tout montage en demi-pont. Ce temps mort peut sembler élevé, mais il est nécessaire et il n'est pas prudent de chercher à beaucoup le réduire.

Le IR2011 (de International Rectifier) est une commande pour demi pont ("half bridge driver") et possède 2 entrées séparées LIN et HIN pour les 2 transistors (LO = low side output et HO = high side output). Il ne faut jamais piloter au niveau haut LIN et HIN simultanément, sinon T1 et T2 seraient tous les deux conducteurs en même temps. Il lui faut aussi le montage classique bootstrap pour charger C12 à travers la diode D6. T1 ne peut donc pas rester 100% du temps passant.

Les transistors de puissance T1 et T2 sont pilotés par le IR2011 et un temps mort supplémentaire est à ajouter : D4 et R11 pour T1, D5 et R12 pour T2. R11 et R12 doivent bien sûr être égales et leur valeur permet d'ajuster le temps mort supplémentaire. Plus on les augmente, plus on augmente le temps mort, mais plus les pertes de commutation sont grandes (échauffement supplémentaires de T1 et T2).

Il y a donc 2 étages qui créent un temps mort. Cette partie peut sans doute être encore légèrement optimisée, mais a l'avantage de fonctionner très bien avec les valeurs proposées ici dans cet ampli.

On peut aussi utiliser directement et simplement un IR2184 (qui remplace en mieux un 74HC02 et un IR2011) :

Ampli classe D avec protection et IR2184

Ampli classe D IR2184 ultra simple

Alimentation du IR2011 et du TL072

L'alimentation du IR2011 se fait à partir de l'alimentation principale. La tension 12V pour le IR2011 est obtenue par une diode zener polarisée par Ra. Il faut compter 30 mA de consommation pour le IR2011. C'est cela qui dimensionne Ra en fonction de la tension d'alimentation Vcc (minimum).

Dans le cas d'une alimentation +/-35 V qui chute à +/-30 V à pleine charge (pire cas), on calcule Ra :

Ra = (Vcc - 12 V - 8 V) / 30 mA = 10/0,03 = 330 Ohms

Et sa puissance dissipée : U²/R = (Vcc max - 12V - 8V)² / 330 = 0,68 W (avec Vcc = 35 V, la plus grande valeur).

On peut choisir Ra = 270 Ohms / 3W par exemple pour une alimentation +/-35 V

ou Ra = 1 kOhm / 5W pour une alimentation +/-60 V

Rb polarise l'alimentation positive du TL072 qui consomme 5 mA (max).

Rb = (Vcc - 8V) / 5mA = 22 / 0,005 = 4,4 kOhms

On peut choisir Ra = 3,3 kOhms / 1W par exemple pour une alimentation +/-35 V

ou Ra = 6,8kOhm / 1W pour une alimentation +/-60 V

L'alimentation du 74HC02 se fait par un petit régulateur 7805 (boitier T092) qui tire son alimentation depuis le 12 V. Le IR2011, le 74HC02 et le 7805 sont référencés à -Vcc et non à la masse.

Transistors Mosfet de l'ampli classe D

Les transistors de cet ampli classe D sont des Mosfet qui doivent être dimensionnés selon leur tension VDS max et leur courant de drain ID.

Pour une alimentation de +/-35 V, ils voient 70 V de tension. On peut choisir des transistors 100 V. Pour le courant Id, 20 à 30 A est une bonne valeur. Inutile de choisir plus "gros", cela augmenterait les pertes de commutation. Plus le transistor est "gros" (grand courant Id max), plus la charge de grille est importante, plus le IR2011 met du temps à charger/décharger la grille, et donc moins rapide est la commutation.

Pour un ampli de 100 W, une plaque en alu de 5 x 5 cm environ suffit pour le refroidissement des deux transistors.

Filtre de sortie de l'ampli

Un ampli classe D a besoin d'un filtre passe bas pour recomposer la tension analogique destinée au haut-parleur. Il s'agit d'un filtre LC. Pour amortir les surtensions possibles aux bornes de C13, on ajoute toujours un ensemble RC (R13 C14) qui sert d'amortisseur (snubber). En fait, ce snubber est utile lorsqu'il n'y a pas de haut-parleur et que le facteur de qualité du filtre LC est grand ! La résistance R13 n'est pas dimensionnée thermiquement pour supporter de façon permanente la puissance de l'ampli s'il délivre des fréquences au delà de 20 kHz (d'où l'intérêt du filtre en entrée R2 / C2). Au pire, la résistance R13 fume et il suffit de la remplacer, sans autre problème.

Pour un haut-parleur de 8 Ohms, on peut choisir 47 uH et 470 nF.

Il faut éviter la saturation de l'inductance L1. Le courant qui circule dans l'inductance doit toujours être inférieur au courant de saturation Isat.

Exemple : haut parleur de 8 Ohms sur ampli alimenté par +/-40 V.

Le courant max (valeur instantanée crête) qui circule dans le haut parleur est atteint lorsque T1 (ou T2) est 100 % du temps passant. C'est l'instant où le signal atteint le haut de sa courbe. Le courant vaut alors :

35 V / 4 Ohms = 8,75 A

L'inductance doit saturer à un courant supérieur à 8,75 A.

En pratique, le courant consommé par un vrai haut-parleur est inférieur à la valeur calculée, l'impédance moyenne d'un haut-parleur sur toute la gamme de fréquences à reproduire est plus élevée. Si vous n'avez qu'une inductance 5A pour un courant crête de 7 ou 8A, ne vous découragez pas et tentez la réalisation de l'ampli classe D, au moins pour les premiers essais !

Première réalisation d'ampli classe D

Les transistors sont montés en bout de plaque à trous pour pouvoir fixer un radiateur (par exemple un radiateur récupéré d'une vieille alim de PC hors service). Ici, l'alimentation est faite avec un transfo 1 x 24 V qui donne +/-33 V après redressement (avec deux diodes montées en doubleur).

Un fréquencemètre détecte la fréquence d'oscillation au repos. Il suffit de brancher la borne rouge sur le drain de T2 (point chaud) et laisser la borne noire en l'air. La fréquence au repos est de 241 kHz.

Ampli classe D auto oscillant à 241 kHz

Le petit radiateur n'est pas monté sur les transistors. Pour obtenir la puissance maximum de façon prolongée, il faut monter les transistors sur le radiateur (les isoler l'un par rapport à l'autre).

Maquette de l'ampli classe D avec IR2011 et 74HC02

L'alimentation utilise 2 diodes montées en doubleur de tension pour obtenir une tension symétrique avec une tension simple. La plupart des résistances et condensateurs sont CMS, soudés entre deux pastilles.

TL072 (intégrateur), 74HC02 (créateur des commandes) et IR2011 (commande de demi-pont : "half bridge driver")

Zoom sur les CMS de l'ampli classe D

Doubleur de tension à 2 diodes (pour se passer d'un transfo 2 x 24 V pour un premier essai)

Avantages de cet ampli classe D

Les avantages de cet ampli classe D sont nombreux :

- fonctionnement auto oscillant simple

- pas de composants spécifiques (à part le IR2011 tout de même classique)

- nombreux paramètres réglables en jouant sur la valeur des composants : idéal pour expérimenter et découvrir les amplis classe D.

- compatibles avec de nombreux types de transistors de sortie

- alimentation possible de +/-25 V à +/-60 V en modifiant Ra et Rb (voir plus haut)

- puissance allant de 30 W à 300 W en fonction de l'alimentation

- tout petit radiateur comparé à un ampli classe B ou AB

Limites de cet ampli classe D

- pas de protection contre les courts-circuits. En revanche, cet ampli est idéal pour s'intégrer dans un retour de scène ou une enceinte amplifiée.

- pas de temporisation à l'enclenchement. Il est recommandé d'ajouter une temporisation à relais par exemple pour éviter un gros "ploc" lorsqu'on allume l'ampli et que le haut-parleur est déjà branché. Sinon, allumer l'ampli puis brancher manuellement les haut-parleurs après au moins 2 secondes.

Conclusion

Il ne faut pas avoir peur de se lancer dans la réalisation d'un ampli classe D. Si vous avez un IR2011, le tour est joué, étant donné que le TL072, le 74HC02 et des mosfet 200 V 20 A à 30 A sont faciles à trouver. Un oscilloscope est bien utile pour vérifier l'allure des signaux. Ce schéma a l'avantage d'avoir beaucoup de liberté de réglages des valeurs des composants et est donc idéal pour s'initier aux amplis classe D auto oscillants.

Références

http://www.irf.com/product-info/audio/classdtutorial.pdf

http://www.irf.com/product-info/audio/classdtutorial606.pdf

http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1135.pdf

http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-6076.pdf

http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2011.pdf

http://www.nxp.com/documents/data_sheet/74HC_HCT02.pdf

Et beaucoup d'erreurs et d'expérimentation...