Ampli classe D : fonctionnement et mesures

Ampli classe D : fonctionnement et mesures

Un oscilloscope est bien utile pour étudier le fonctionnement d'un ampli classe D. Ici, il s'agit d'un ampli classe D auto oscillant (toujours plus ou moins le même basé sur les éléments TL072, 2N5401 et IR2184). L'intégrateur (ampli op TL072) lorsqu'il est monté en ordre 1 (condensateur simple) présente une tension de sortie en triangle (charges et décharges du condensateur) :

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Signal en sortie d'intégrateur d'ordre 1

Le schéma de l'ampli classe D est dans cet article :

Schéma ampli classe D

Il est intéressant de voir comment se comporte la tension de sortie et l'intégrateur lorsqu'un signal audio (musical) arrive à l'ampli. Les conditions de tests de l'ampli classe D sont :

- signal sinus à 5kHz pour voir suffisamment les variations du fonctionnement (amplitude variable)
- ampli classe D alimentaté par +/-50Vdc
- charge : 4 Ohms
Ci dessous, deux relevés : celui du haut où la tension de sortie atteint 30V crête et celui du bas où la tension de sortie sature à +/-50V (tensions d'alimentation) :


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Tension de sortie de l'ampli classe D et intégrateur

Plus la tension de sortie est élevée, plus la fréquence d'oscillation de l'ampli classe D est faible. Elle est de 200kHz environ au repos et ne cesse de décroître lorsque la tension de sortie approche la saturation (vers +Vcc ou -Vcc). Ceci est dû au principe de fonctionnement des amplis classe D auto oscillants. Lorsque l'ampli sature, la tension de sortie est évidemment écrêtée, l'ampli n'oscille plus et l'intégrateur présente une tension de sortie un peu étrange et franchement écartée de zéro. Il tend à saturer (l'ampli op finirait par s'établir à +Vsat ou -Vsat). Le problème de cette situation, c'est que l'intégrateur a besoin d'un certain temps pour revenir à une situtation contrôlée de bon fonctionnement. On constate un retard de la tension de sortie (en jaune) à revenir sur son allure souhaitée. L'état saturé reste un peu trop longtemps, le temps que l'intégrateur revienne à son état normal auto oscillant. Ce phénomène tend à dégrader la qualité du son lorsque l'ampli classe D sature.

Allure des courants dans les transistors de sortie

Lorsqu'une charge de 4 Ohms est branchée à la sortie de l'ampli, on peut observer l'allure du courant, pour un signal à 5kHz. Les 3 courbes ci dessous présentent un fonctionnement non saturé, un peu saturé puis très saturé :

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Courants mis en jeu dans l'ampli classe D (alimentation +/-50V)

- en jaune : la tension de sortie du demi pont avant le filtre LC
- en turquoise : le courant dans le transistor high side

La courbe d'en haut montre le courant dans le transistor Mosfet du haut (high side). On voit une allure qui ressemble à une sinusoïde découpée (en turquoise = le courant). Le courant de sortie passe soit par ce transistor, soit par l'autre (que ce soit en conduction normale ou par la diode inverse interne). Lorsque l'ampli classe D sature franchement (courbe du bas), le courant s'établie à 12A dans le transistor du haut (high side). L'établissement se fait à travers l'inductande de 47uH. il y a ainsi la constante de temps L/R avec 47uH et 4 Ohms (12us environ). Les 12A sont dus à la tension d'alimentation 50V et à la résistance de charge 4 Ohms.

Court-circuit à la sortie de l'ampli classe D

La protection de l'ampli classe D contre les courts-circuits en sortie repose sur la lecture du courant aux bornes d'une résistance de faible valeur (ici 3 résistances 0.1 Ohm en parallèle) en série avec la sortie. Lorsque le courant qui la traverse dépasse 20A environ, la protection contre les courts-circuits se déclenche : l'ampli classe D s'arrête :

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Courant de sortie de l'ampli classe D lors d'un court-circuit

La protection est efficace étant donné que l'inductance de sortie retarde l'établissement du courant. Lors d'un court-circuit à la sortie, le courant ne grimpe pas instantanément, mais à la vitesse de :

di/dt = E/L avec E la tension d'alimentation et L l'inductance.

Ici, E/L = 50V/47uF = 1A/us

On constate que le courant monte jusqu'à 21A ou -17A dans l'autre alternance.

Une fois que la protection s'est mise en route, le IR2184 bloque la conduction des deux transistors Mosfet. La tension de sortie du demi pont passe alors à zéro.

Alimentation du high side, diode et bootstrap

Le IR2184 nécessite un condensateur de bootstrap pour pouvoir piloter la grille du transistor high side. Le pire cas est atteint lorsque l'ampli sature et que la conduction du Mosfet high side doit être maintenue "longtemps", durant toute la demie période du signal audio. Voyons l'allure de la tension aux bornes du condensateur de bootstrap (1uF) :

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Condensateur de bootstrap : tension à ses bornes

La tension aux bornes du condensateur de bootstrap varie très peu, que ce soit lors du fonctionnement normal à 200kHz ou dans une phase de saturation de l'ampli classe D.

La valeur de 1uF est donc bien suffisante.

Conclusion

Les mesures à l'oscilloscope montrent le comportement de l'ampli classe D en fonctionnement normal et lorsqu'il sature, ce qui arrivera surement dans sa vraie vie lors de soirées.

Les principaux éléments à visualiser sont :

- intégrateur (ordre 1 ou 2) basé sur l'ampli op
- tensions de sortie des transistors
- courant et déclenchement de la protection lors d'un court-circuit
- tension sur le condensateur de bootstrap

  Ampli classe D : fonctionnement et mesures, publié par nina67 le 25 Mars 2015
Les 10 outils indispensables pour l'électronique
Nina67
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