Principe de l'ampli classe D : mesures

Principe de l'ampli classe D : mesures

Cet article présente des mesures concrètes faites sur un ampli classe D auto oscillant dans différentes conditions de fonctionnement.

Lorsque l'ampli classe D est au repos (pas de musique, pas de signal), l'ampli classe D oscille à sa fréquence naturelle, déterminée par les retards successifs dans les différents étages (intégrateur U1b, translateur de niveau, commande des transistors mosfet). Cette fréquence se situe autour de 200 kHz. Ce n'est pas très rapide, mais cela fonctionne tout de même bien.

Lorsqu'on applique un signal à l'entrée de l'ampli, la tension instantanée du signal modifie le rapport cyclique généré par l'intégrateur (ampli op U1b). L'intégrateur reçoit une contre réaction en forme de signal carré issu de l'étage de commutation de l'ampli (transistors mosfet). Le signal issu de l'intégrateur est ensuite "décalé" au niveau de la tension négative d'alimentation pour pouvoir attaquer le IR2184.

Le signal carré issu des transistors est filtré par un filtre passe bas d'ordre 2 (filtre LC, L1 et C13) pour recréer la valeur moyenne : ce filtrage passe bas représente la partie démodulation. A la sortie du filtre, on retrouve la valeur analogique : le haut-parleur se branche là.

Voyons l'allure des commutations des transistors (rapport cyclique) et l'allure de la tension de sortie (après filtrage LC). Ici, l'alimentation est de +/-55V et la sortie est chargée par une résistance de puissance de valeur 4 Ohms :

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Tension de sortie de l'ampli classe D : avant et après filtrage

En violet : signal commuté (tantôt à +55V, tantôt à -55V)
En turquoise : tension de sortie de l'ampli

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Schéma de l'ampli classe D testé (avec intégrateur d'ordre 2)

La fréquence de 4kHz est assez "rapide" pour qu'on puisse voir à l'oscilloscope les variations du rapport cyclique de l'ampli classe D auto oscillant.

Lorsqu'il n'y a pas de signal, le rapport cyclique est de 50% et la tension de sortie est de 0V avec une ondulation résiduelle en sortie :

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Fonctionnement de l'ampli classe D au repos : tension de sortie nulle

Lorsqu'on augmente l'amplitude du signal audio, le rapport cyclique s'écarte encore davantage de 50% :

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Tension de sortie de l'ampli classe D : avant et après filtrage

Ici, l'ampli classe D auto oscillant est proche de la saturation. La fréquence de fonctionnement diminue et tend vers zéro lorsqu'on s'approche de la saturation. Lorsque la saturation est atteinte, la fréquence de fonctionnement atteint zéro exactement ! Cela fait que l'ondulation est importante sur les crêtes du signal (ici le sinus 4kHz). Il y a tout de même 15V crête à crête d'ondulation sur le haut de la sinusoïde !

Si on augmente encore un peu l'amplitude du signal d'entrée, on arrive à la saturation : l'ampli classe D reste au niveau haut ou bas de façon permanente. Il n'y a plus d'oscillation :

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Début de saturation de l'ampli classe D auto oscillant.

Il y a environ 290W efficaces débités à la charge de 4 Ohms ! L'alimentation vaut +/-52V ici dans ce test.

Lorsqu'on augmente encore l'amplitude pour forcer la saturation, le phénomène s'accentue :

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Ampli classe D auto oscillant fortement saturé

Lorsque la saturation est atteinte, l'ampli classe D n'oscille plus. Le système est en "butée", soit bloqué au +Vcc, soit au -Vcc.

Pour voir cela sur une échelle de temps un peu plus longue, voici le fonctionnement à la limite de la saturation et en cas de forte saturation de l'ampli classe D :

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Ampli classe D auto oscillant presque saturé et fortement saturé

Lorsque l'ampli est fortement saturé, la puissance débitée à la charge atteint 400W efficaces environ. La puissance nominale est dépassée, comme sur tout ampli qui sature.

Saturation de l'intégrateur d'ordre 2

L'intégrateur de l'ampli classe D génère un signal périodique qui oscille entre 1V et 4V environ pour piloter le transistor qui décale le signal vers l'entrée du IR2184. Lorsque l'ampli classe D sature, la sortie de l'intégrateur dépasse les bornes de 1V et 4V.

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Intégrateur de l'ampli classe D : saturation

L'intégrateur sature : c'est l'ampli op lui-même qui sature en fait à +/-6.5V environ (il est alimenté par +/-8.2V). Lorsque cette saturation cesse, il faut un certain temps (15us environ) à l'intégrateur pour revenir à une plage de fonctionnement normal. L'ampli classe D reste saturé pendant ce laps de temps alors qu'il ne devrait plus l'être, ce qui ajoute une petite distorsion supplémentaire lorsqu'il sature. Ce temps est dû aux condensateurs C5a et C5b qui sont en train de "revenir" à leur état normal de charge.

Pour accélérer ce temps de recouvrement (retour au fonctionnement normal), on aurait intérêt à ce que l'intégrateur sature à des niveaux moins éloignés de son fonctionnement normal (entre 1V et 4V), par exemple -2V et 5V plutôt que -6.5V et +6.5V. Il faut faire attention à la dynamique d'entrée (l'entrée - de l'intégrateur fluctue autour de 0V).

La tension sur l'entrée - de U1b (v-) doit se trouver à 0V vu que l'ampli op U1b fonctionne en linéaire : on a v+ = v-. En réalité, on constate un signal de faible amplitude (<100mV), sauf lorsque l'intégrateur sature. Dans ce cas, la tension sur l'entrée - suit le signal d'entrée sans être exactement compensé par ce qui se passe à la sortie de U1b :

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Apparition d'une tension sur l'entrée - de l'intégrateur

Les arches de sinus traduisent la saturation de l'intégrateur. v- n'est plus égal à v+ (relié à la masse). L'ampli op est en butée.

Conclusion sur l'ampli classe D auto oscillant

L'état de repos d'un'ampli classe D auto oscillant correspond à un rapport cyclique de 50%. Lorsqu'on applique un signal à l'entrée de l'ampli, le rapport cyclique s'écarte de 50% et la fréquence de découpage (auto oscillation) tend à diminuer. C'est le fonctionnement de l'intégrateur qui veut cela. Lorsque l'ampli classe D sature, l'oscillation s'arrête, la tension de sortie atteint l'alimentation positive ou négative et l'intégrateur sature aussi.

  Principe de l'ampli classe D : mesures, publié par nina67 le 17 Août 2015
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Nina67
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