Ampli guitare 50W : conception

Le principe même d’amplification acoustique existe depuis très longtemps. L’architecture intérieure des théâtres et des cathédrales était pensée pour amplifier le son par exemple. Les instruments de musique également fonctionnent sur ce même principe de résonance, étant toujours constitués d’une manière ou d’une autre d’une « caisse de résonance ». L’amplification en électronique est apparu avec l’invention du tube, ou lampe, par Lee de Forest en 1907. Les premiers amplificateurs furent créés à base de tubes, puis l'utilisation à partir de 1948 de transistors bipolaires et de transistors à effet de champ (MOSFET) les démocratisa.

Apres l’établissement du cahier des charges de l'ampli, nous déciderons du circuit à réaliser. Sa conception fait l’objet d’une partie informatique, pour tracer le typon, et d’une partie pratique (gravure des pistes et soudures). Nous finirons par les tests et la vérification du cahier des charges de l'ampli

Cahier des charges de l'ampli guitare 50W

• Puissance de l'ampli : 20 à 50 W rms. (la puissance supportée par le haut parleur est de 75 W rms). Si l’on veut une puissance de 50 Wrms par exemple, l’impédance nominale de l’enceinte étant de 8 Ohms, il nous faut une tension de sortie de 20 Veff. La tension de sortie du préamplificateur étant de l’ordre du volt, le gain Av doit être d’environ 20.
• Impédance de sortie : aussi faible que possible pour avoir un meilleur facteur d’amortissement (impédance de l’enceinte / impédance de sortie), ce qui aura pour effet d’avoir un meilleur contrôle de la membrane, d’où un son plus «ferme». Un facteur d'amortissement de 100 à 2000 est typique.
• Bande passante souhaitée : 50-18000 Hz (-3 dB).
• Budget : 40 euros pour la réalisation de l'ampli de puissance.

Préampli de l'ampli guitare

Schéma du préampli guitare : une conception simple

Ci dessous, le schéma du préampli guitare :

Schéma du préampli guitare : entrée micro chant, guitare et ligne

Préampli micro

Le préampli micro est basé sur IC1a (qui peut être un TL072 ou TL082). Il s'agit d'un monteur inverseur pour être en phase avec le préampli guitare qui est, lui aussi, inverseur.

Préampli guitare

Le préampli guitare commence avec IC1b pour donner un premier gain de 22. IC2a est un ampli op qui fonctionne en inverseur et son gain est ajustable par le potentiomètre P5 "Gain Guitar" (valeur de 220 k, 250 k, 470 k ou 500 k).

K1 commute un ensemble de diodes tête-bêche pour la distorsion. L'asymétrie apportée par les trois diodes 1N4148 apporte une distorsion asymétrique qui génère des harmoniques pairs. Selon la psycho-acoustique, les harmoniques pairs sont perçus comme plus agréables à l'oreille.

Les potentiomètres P2, P3 et P4 servent d'égalisation 3 voies pour guitare. Le principe de fonctionnement figure ici

Egaliseur 3 voies pour ampli guitare

R10 permet d'aller vers le dernier étage IC2b

Entrée ligne pour ampli de guitare

Pour brancher un téléphone ou un ordinateur sur un ampli de guitare, une entrée ligne est nécessaire. L'entrée ligne se fait par R6. L'ensemble R5 et C5 permet d'augmenter les aigus au dessus de 5 kHz et ainsi d'améliorer un peu la bande passante du haut parleur de l'ampli de guitare. Le haut-parleur ayant souvent une bande passante de 5 à 6 kHz, une augmentation des aigus améliore le rendu sonore. R5 et C5 sont facultatifs.

Mixage dans le préampli guitare

IC2b est un sommateur inverseur basé sur les entrées qui se font via R6, R8 et R10. C10 est un condensateur de liaison et R9 donne le gain final. Il peut être ajusté librement.

Le potentiomètre P6 correspond au volume général "Master".

Etage de sortie de l'ampli guitare 50W

La distorsion harmonique que produit une lampe est supérieure à celle d’un transistor, ce qui paradoxalement est apprécié des musiciens car il confère un son moins neutre. Le préamplificateur garantissant la qualité sonore recherchée, et compte tenu des problèmes d’encombrement, de surchauffe, de faible puissance, et de coût inhérents aux lampes, l'ampli de puissance est basé sur des transistors bipolaires.

Détails du schéma de l'ampli de guitare 50W : partie puissance

Cherchant un circuit pouvant délivrer une puissance d’environ 50 watts efficaces, nous avons trouvé une solution attractive par sa simplicité. Il fonctionne avec une tension d'alimentation simple (+70 VDC) et un condensateur de liaison relie le haut parleur à l'ampli.

Schéma de l'amplificateur de puissance 50 W complet

Dorénavant les tensions statiques seront données en MAJUSCULES tandis que les tensions dynamiques seront en minuscules.

On peut représenter les différents étages de l'ampli par le schéma bloc suivant :

Ici, le bloc A est l‘ amplification en tension, et B représente la contre-réaction

(B = R12 / (R12 + R5)). A est de l'ordre de 100 000.

Etage d'entrée de l'ampli

Etage d'entrée de l'ampli

L'étage d'entrée (Q1) est un étage différentiel. Il ne s'agit pas d'une paire de transistors identiques et appariés, mais d'un unique transistor. L'entrée non inverseuse correspond à la base, l'entrée inverseuse à l'émetteur et la sortie est prise sur le collecteur de Q1. La tension de sortie (analyse en petit signal) intermédiaire v1 (aux bornes de R4) dépend ainsi de vbe par la relation suivante :

v1 = (R4 * β_Q1 / hie_Q1) * vbe

hie_Q1 est la résistance base-émetteur de Q1 (= 26 mV / Ib)

Le diviseur R1/R2 donne une tension à la base de Q1 de Vcc/2, ici 35 V. C2 permet de créer une masse dynamique en ce point milieu. L'impédance d'entrée est donnée par R3 (100 k), et C1 constitue avec R3 un filtre passe haut.

Etant donné que R5=R4, et supposant le courant de base de Q2 faible devant celui traversant R4, la tension aux bornes de R5 vaut environ celle aux bornes de R4, c'est à dire 0,7 V (Vbe de Q2). L'offset total est donc de l'ordre de 1,4 V. Ici, ce n'est pas un problème parce que le haut parleur est découplé par C5. La tension statique au point milieu de R10-R11 est donc d'environ 35 - 1,4 = 33,6 V.

La contre-réaction prend la forme de R5-C4-R12 et génère une atténuation du gain qui tend vers un gain unitaire aux fréquences très basses. Le gain dans la bande de fréquences à reproduire est donné par : Gain = 1 + R5 / R12.

Etage amplificateur en tension

Etage amplificateur en tension

Cet étage a pour but d'amplifier en tension avec un gain aussi grand que possible (ici, le gain s'exprime par vce / vbe de Q2). Il est basé sur Q2. Q2 fonctionne en classe A en émetteur commun, ce qui est habituel dans les amplificateurs, et le collecteur est relié à une source de courant (impédance de sortie très grande) pour un gain en tension dynamique plus élevé (|Av| = gm.Rc). Cette source de courant est constituée d'un condensateur C5 (bootstrap) et d'une résistance R6 qui fixe la valeur du courant statique, la particularité de ce montage est que le condensateur de bootstrap et celui de liaison ne forment qu'un seul et même composant !

Montage Bootstrap reprenant astucieusement le condensateur de liaison

R7 permet l'écoulement d'un courant si le haut-parleur n'est pas branché.

R13 et C6 est un réseau de Boucherot classique pour la stabilité de l'ampli (éviter les oscillations haute fréquence).

D1, D2 et D3 réduisent la distorsion de croisement de l'étage de sortie de l'ampli. Elles sont polarisées en direct et il se trouve aux bornes de cet ensemble 3 x 0,7 V = 2,1 V. Il faudra veiller à ce que les diodes soient en contact thermique avec les transistors de puissance pour éviter un emballement thermique : en effet, la tension Vbe décroissant de 2 mV/°C environ pour un courant collecteur donné, lorsque les transistors s'échauffent, le courant collecteur augmenterait et produirait un échauffement supplémentaire, ce qui mènerait à une destruction des composants.

Etage de sortie de l'ampli : quasi complémentaire des années 1970

Etage de sortie n'utilisant que des NPN de puissance : structure quasi complémentaire

L'étage de sortie prend la forme d'un Darlington (Q3-Q4) et d'un pseudo Darlington (Q5-Q6). Presque tous les amplis conçus il y a une trentaine d'années utilisaient le transistor de puissance NPN 2N3055, un modèle ancien très connu et qui n'avait pas de complémentaire PNP de puissance équivalent, même à un prix supérieur. C'est pourquoi il était fréquent d'utiliser un étage de sortie "quasi complémentaire", jusqu'à ce que des transistors PNP de puissance soient devenus monnaie plus courante. On a pourtant démontré dans les années 1970 que le rendu sonore des étages "quasi complémentaires" était meilleur que celui des étages tout à fait complémentaires, avec deux Darlington. C'est cette solution qui a été retenue.

Transistors de puissance 2N3055

Les résistances R8 et R9 permettent une commutation plus rapide des transistors de puissance et un blocage fiable, autrement dit un meilleur fonctionnement. Les résistances d'émetteur R10 et R11 permettent de réguler le courant de repos circulant dans les transistors de sortie pour limiter les risques d'emballement thermique.

Les tensions statiques théoriques sont donc comme indiquées ci dessous :

Amplificateur complet avec tensions statiques théoriques

Dimensionnement des deux radiateurs : résistance thermique

Les transistors utilisés étant en boîtier métal TO3, il n'est pas commode de les fixer au circuit imprimé, ce qui incite à les placer sur deux radiateurs distincts, évitant ainsi l'isolant électrique (mica) entre le boîtier et le radiateur. Chaque radiateur est au potentiel du collecteur du transisor. Les deux radiateurs ne doivent jamais se toucher électriquement. On réduit la résistance thermique de 0,2 à 0,5°C/W, la résistance thermique de contact (avec pâte conductrice sans mica) n'excède pas 0,1°C/W. Quelques marques d'amplificateurs de grande puissance pour sonorisation utilisent ce principe, en prenant soin d'isoler électriquement les radiateurs.

La tension d'alimentation de l'ampli vaut +70 V, c'est à dire qu'il se trouve 36,4 V aux bornes de Q4 (NPN) au repos. Sa dissipation instantanée sera maximale lorsque Vce = 36,4 / 2 = 18,2 V, ce qui correspond à 18,2 V aux bornes de la charge (8 Ohms), ce qui donne 2,3 A. On a négligé la chute de tension dans R10 (ou R11) et la variation de tension aux bornes de C5. La puissance est donc 18,2 x 2,3 = 41 W.

Le constructeur donne une résistance thermique de 1,5°C/W et une température de jonction de 200°C pour le 2N3055.

Tj - Tamb = Pmax * (Rrad + Rcontact + Rjc)

Rrad = (Tj - Tamb) / Pmax - Rcontact – Rjc

La température ambiante pourra monter jusqu'à 50°C dans des conditions défavorables comme un éclairage venant de puissants projecteurs de scène.

Rrad = (200 - 50) / 41 - 0,1 - 1,5 Rrad = 2,06°C/W

On aurait pu tenir compte de l'impédance thermique transitoire, mais on ne connaît pas à l'avance la fréquence audio à reproduire. Nous avons donc choisi le cas le plus défavorable (régime continu et non puissance impulsionnelle). Par ailleurs, la dissipation thermique des transistors dépend de l'impédance du haut parleur, elle varie fortement avec la fréquence et crée un déphasage courant / tension.

Les radiateurs pourront être montés à l'intérieur de l'ampli de guitare. En pratique, deux grandes plaques en alu de 10 x 40 cm et 2 ou 3 mm d'épaisseur conviennent tout à fait.

Alimentation de l'ampli

Pour obtenir 60 à 70 V continus, on peut utiliser un transformateur de 40 V à 50 V au secondaire. La puissance du transfo doit être de 50 à 100 VA. Un pont de diode redresse la tension secondaire lissée par un condensateur 4700 uF de 80 V ou 100 V. Une valeur minimale de 2200 uF est souhaitable.

Transfo torique 50 VA 2 x 24 V (mettre en série les 2 enroulements)

Bibliographie

- Curtis Roads, Ciruits numériques, DUNOD, 1999.

- Guy Raedersdorf, 305 Circuits, Publitronic, Paris, 1997.

- Guy Raedersdorf, 306 Circuits, Publitronic, Paris, 1999.

- « Crescendo Millennium », Elektor, avril 2001.

- Ronald J. Tocci, Circuits numériques : théorie et applications, DUNOD, 1985.