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 Schéma Ampli Classe D 300W simple

 Catégorie electronique - Par nina67 - Publié le 2013-11-14 19:53:30

Schéma Ampli Classe D 300W simple

Voici un schéma d'ampli classe D puissant et facile à réaliser. C'est la version la plus simple qu'on peut proposer pour un ampli de cette puissance, idéale jusqu'à 300W rms environ avec une tension d'alimentation qui peut aller de +/-30V à +/-60V.

 

Schéma de l'ampli audio classe D

 

Voici le schéma complet de l'ampli tant attendu :

 

schema ampli classe d 300w simple 0

Ampli classe D 300W RMS : le schéma

 

Principe de fonctionnement de l'ampli classe D

 

Il s'agit d'un ampli classe D auto oscillant. Cela évite la partie oscillateur et permet un excellent rendement grâce à la variation de fréquence en fonction de la tension de sortie. Chaque partie du schéma de l'ampli est détaillée selon les fonctions :

 

schema ampli classe d 300w simple 1

Schéma de principe de l'ampli classe D auto oscillant

 

Etage d'entrée de l'ampli classe D

 

Cet étage est facultatif, mais tout de même vivement conseillé pour fixer l'impédance d'entrée. U1a est un ampli op ultra standard monté en inverseur. R1 et C1 forment un filtre passe haut de fréquence de coupure 7Hz. R1 définit l'impédance d'entrée de l'ampli classe D. R2 fixe le gain de ce premier étage à -R2/R1 = -47k/22k = -2.1. Aucune valeur n'est critique, on peut choisir toute valeur de 22k à 100k pour R2. C2 forme un filtre passe bas qui réduit les hautes fréquences parasites éventuelles. Sa fréquence de coupure est définie avec R2 : 1/(2.pi.R2.C2) = 34kHz

 

Il faut donc ajuster C2 en fonction de R2.

 

Par ailleurs, si on utilise un ampli op double comme le TL072, ça ne coûte rien d'utiliser les 2 ampli op !

 

Intégrateur inverseur de l'ampli classe D

 

C'est le noyau de l'ampli classe D présenté ici sur Astuces pratiques. C3 élimine la composante continue en sortie de U1a et forme à nouveau un filtre passe haut avec R3 : 1/(2.pi.R3.C3) = 3,4Hz. C3 peut aller de 2.2uF à 10uF sans problème.

 

C4 réduit la distorsion d'intermodulation que peut générer l'intégrateur U1b. En effet, le signal carré revient à l'intégrateur par R6. On peut utiliser l'ampli sans monter C4, mais on le rencontre fréquemment dans ce type de conception d'ampli classe D. Par ailleurs, il influence un peu la fréquence d'auto oscillation (C4 = 1nF : 255kHz, C4 = 0nF : 330kHz).

 

R6 définit le gain de l'étage intégrateur avec R3. Le gain vaut -R6/R3. Au delà de 150kOhms pour R6, l'ampli devient instable. R3 représente l'impédance d'entrée de l'intégrateur et est assez faible, d'où l'intérêt de l'étage d'entrée basé sur U1a.

 

Certains montages comportent un filtre RC (quelques kOhms et 10pF à 100pF typiquement) pour limiter le "bruit" (fronts raides de la tension issue des transistors) qui arrive à l'intégrateur via R6 et ainsi limiter la distorsion d'intermodulation. Sans ce filtre, l'ampli fonctionne très bien. Par simplicité, il n'est pas mis en place.

 

R4 protège l'entrée inverseuse de l'intégrateur U1b en cas de défaut. En effet, si la tension de sortie sature, cette entrée se retrouverait au potentiel d'alimentation (via T1 ou T2 puis R6). R4 forme donc un pont diviseur avec R6 et limite ici à +/-6VDC la tension maximum possible sur l'entrée inverseuse. On peut remplacer R4 par 2 diodes 1N4148 tête bêche, mais une seule résistance, c'est plus simple !

En fonctionnement normal, la tension à l'entrée inverseuse oscille est un créneau de +/-100mV environ et R4 est inutile (l'ampli fonctionne sans R4).

 

Si on diminue R4 (jusqu'à 1k), on augmente l'offset en sortie. Le comportement intégrateur est dégradé. A +/-50VDC d'alimentation, on mesure l'offset en sortie :

 

R4 = 10k : 6mV
R4 = 2.2k : 36mV
R4 = 1k : 71mV

 

On a intérêt à mettre la plus grande valeur possible pour R4, mais tout en limitant à +/-10V la tensio max possible sur l'entrée inverseuse. 10kOhms est un bon compromis.

 

C5 est le condensateur de l'intégrateur. Sa valeur influence largement la fréquence d'oscillation (fonctionnement de l'ampli classe D). A +/-50VDC, on mesure :


C5 = 220pF : 255kHz
C5 = 470pF : 236kHz
C5 = 1nF : 164kHz

 

En fait, il y a aussi la "lenteur" naturelle de l'ampli op TL072 qui entre en jeu. C'est pour cela que la fréquence plafonne en dessous de 300kHz, mais c'est suffisant pour un ampli classe D. L'ampli op utilisé en intégrateur n'a pas besoin d'être très rapide, l'ampli op économique standard TL072 le montre bien.

Il n'y a pas besoin de mettre de résistance en parallèle avec C5 ni de diviser C5 en 2 condensateurs en série avec point milieu à la masse via une résistance (intégrateur de 2nd ordre présent sur certains schémas d'amplis classe D). Ce montage intégrateur simple suffit à merveille.

 

La tension de sortie de l'intégrateur est un triangle qui va de +1.0V à +4.2V environ avec C5=220pF. Son alimentation +/-8V suffit largement en termes de valeur.

 

Gain de l'ampli classe D

 

Le gain de l'ampli est défini par 2 éléments successifs : l'ampli basé sur U1a et l'intégrateur.

 

Gain de l'ampli U1a : -R2/R1 = -47k/22k = -2.14

Gain de l'intégrateur : -R6 / R3 = -100k/4.7k = -21.3

Le gain total de l'ampli classe D vaut donc -2.13 x (-21.3) = 45

 

Cet article Astuces pratiques ne donne qu'une valeur possible. Si on souhaite la modifier, il faut ajuster R2.

 

Translateur de niveau de l'ampli classe D

 

Le transistor PNP T3 permet de "décaler" la tension de sortie de l'intégrateur de la masse à -Vcc (level shifter). En effet, le courant qui traverse R5 est égal (au courant de base près) au courant qui traverse R7. Or R5=R7, donc les tensions aux bornes de R5 et R7 sont égales. On retrouve aux bornes de R7 la tension de sortie de l'intégrateur, à Vbe près (erreur de 0.6V environ). Comme il s'agit d'un signal triangulaire, il n'y a pas besoin d'un transistor très rapide en commutation. Le potentiel de son collecteur varie peu et par ailleurs, T3 ne sature jamais en fonctionnement normal, ce qui favorise sa rapidité.


R6 limite le courant qui peut rentrer dans la patte 1 (IN) du IR2184 dans le cas où T3 serait tout le temps conducteur (saturation de l'ampli U1b ou défaut éventuel).

 

Sa principale contrainte est de supporter au moins Vce = Vcc (60V). On peut choisir le classique 2N5401 (150V, 600mA, 625mW) parfait pour ce translateur de niveau pour ampli classe D.

 

Commande des transistors de puissance : IR2184

 

Les transistors sont pilotés en opposition de phase avec un temps mort (0.4us environ). Un circuit intégré spécifique permet une commande très facile des 2 transistors de l'ampli. Il s'agit du IR2184 de International Rectifier. C'est une commande pour demi pont (half bridge driver).

 

schema ampli classe d 300w simple 2

Brochage du IR2184

 

Si son entrée IN est à 0V par rapport à sa patte COM (patte 3 qui est à -Vcc), T2 est passant, T1 est bloqué, ce qui assure un niveau de sortie bas (-Vcc) à la sortie (borne gauche de L1) des transistors.

Si son entrée IN est entre 3V et 5V par rapport à sa patte COM, T2 est bloqué, T1 est passant (mais ne peut le rester que 10 ou 20ms parce que sa commande est alimentée par le condensateur de bootstrap C12). Si IN reste de façon permanente à 5VDC, T1 et T2 sont bloqués et le système n'oscille pas. La sortie (borne gauche de L1) des transistors est alors à 0V (relié à la masse via R4+R6 ou le haut parleur).

 

Le IR2184 est alimenté en 12V (entre 10V et 15V, c'est idéal) et consomme environ 30mA en fonctionnement à 250kHz avec les transistors IRFB4620 comme "charge".

 

D4 et R13 permettent la charge de C12 (condensateur de bootstrap). Ce condensateur alimente la commande de T1 lorsque T1 est passant. T1 ne peut rester passant que quelques dizaines de millisecondes, mais c'est très suffisant pour l'ampli de classe D. R13 évite que C12 et D5 n'ait trop le comportement d'un détecteur de crête, ce qui risquerait de surcharger C12 (bootstrap capacitor overload) au delà de 20V et détruire le IR2184. R13 n'est pas obligatoire si le routage de l'ampli est très soigné.

 

Ce phénomène de surcharge de C12 et destruction possible du IR2184 est due à la tension négative transitoire à la source de T2 à cause de l'inductance parasite en série avec la source de T2 (à l'ouverture de T2). Un placement et un routage appropriés doivent être faits soigneusement sur cette partie sensible. Le IR2184 doit être placé au plus près de T1 et T2, eux-mêmes très proches l'un de l'autre. Le courant de "puissance" (entre source de T2 et alimentation négative -Vcc) ne doit jamais passer par les pistes qui relient la patte 3 du IR2184 à la source de T2.

 

Par ailleurs, les condensateurs C31 à C35 doivent être eux aussi montés au plus près des transistors T1 et T2.

 

Pour diminuer les pertes par commutation des transistors de l'ampli classe D, les ensembles R11-D1 et R12-D2 sont utiles. Les diodes permettent une ouverture rapide des transistors mosfet grâce à une décharge rapide des capacités de grille. Le IR2184 peut délivrer un courant supérieur à 1A pour cela. R11 et R12 jouent un peu sur le temps mort supplémentaire qu'on souhaite donner. Le IR2184 possède déjà une commande de temps mort fixée à 0.4us environ.

 

Si le routage est mal fait et/ou que le fonctionnement de l'étage de sortie à forte charge est perturbé par des oscillations parasites, il se peut que le son grésille à fort niveau à cause d'interruptions temporaires dans le fonctionnement du IR2184. On constate ce phénomène par l'apparition d'une tension moyenne continue (voltmètre en position DC sur la sortie de l'ampli).

 

Ceci peut être dû à la mise en mode "shutdown" de façon intermittente très rapide. Dans ce cas, on peut ajouter 10nF entre la patte "shutdown (patte 2) et la patte 3. Mais cela prouve que le routage est à revoir. C'est un indice de présence de fortes perturbations et surtensions transitoires dangereuses pour le IR2184.

 

Etage de sortie de l'ampli classe D

 

Elémentaire, l'étage de sortie est fait de 2 transistors Mosfet canal N identiques T1 et T2 et des condensateurs de découplage C31 à C35. Les transistors de l'ampli class D sont dimensionnés de la façon suivante :

 

VDS = 120V (avec +/-60V d'alimentation, il faut tenir 120V sans tenir compte des surtensions et ajouter 30% - 40% de marge environ). Choisir donc Vds = 200V.
ID = 15A (pire cas : Vcc=60V / charge = 4 Ohms)

 

L'intérêt d'avoir un ID élevé pour un mosfet est que la résistance Rdson est faible, d'où une dissipation (pertes de conduction) faible. Choisir donc ID = 25A minimum

 

Si on surdimensionne beaucoup trop les transistors, la charge de grille Qg est plus grande et dégrade la vitesse des fronts de tension envoyés par le driver IR2184 (qui va charger plus lentement les "grosses" grilles).

 

On peut donc retenir le IRFB4620 ou le IRFB5620 : 25A 200V 60mOhms. D'autres mosfet 200V 20A à 40A devraient fonctionner aussi : le STP40NF 20 (40A 200V 45mOhms) ou le IRFB31N20D (31A 200V utilisé chez Mackie dans l'enceinte amplifiée SRM450)

 

Les condensateurs C31 à C35 sont nécessaires pour limiter les surtensions transitoires destructrices (en cas de pleine charge : courants élevés, di/dt élevés et surtensions importantes).

 

schema ampli classe d 300w simple 3

Boucles de courant du demi pont de l'ampli classe D

 

Cela explique pourquoi C35 est utile et n'est pas redondant avec C31 à C34.

En pratique, la boucle bleue contient les plus hautes fréquences. La surface des 3 boucles présentées ci dessus doivent être minimisées : composants à placer au plus proche.

T1 et T2 doivent être montés sur un petit radiateur (une plaque en alu de 7x7 cm convient). T2 doit être isolé puisque son drain (boitier) est au potentiel variable oscillant "haché". Le boitier de T1 est au potentiel stable +Vcc (le radiateur aussi si T1 n'est pas isolé).

 

Référence : Application Note AN-1135 de International Rectifier

 

Filtre de sortie de l'ampli classe D

 

Classique, le filtre de sortie est un 2e ordre LC (L1 C13). R13 et C14 amortissent les surtensions oscillantes dues à la résonance entre L1 et C13 si aucun haut parleur n'est branché. Le filtre est optimisé pour un haut parleur de 8 Ohms mais supporte aussi un haut parleur de 4 Ohms.

 

L'inductance doit supporter au moins le courant crête de sortie sans saturer. Les inductances à poudre de fer (iron powder) chauffent fort (100°C au repos) à cause des pertes dans le noyau (cycles de magnétisation/démagnétisation) à 250kHz environ. Ici, l'inductance est à poudre de fer : à part l'échauffement, tout l'ampli fonctionne très bien avec.

 

Le filtre de sortie ne fait pas partie de la boucle de contre-réaction. Sa tension de sortie n'est donc pas asservie par l'intégrateur. Ceci permet un montage plus simple, plus stable, mais réduit un peu le facteur d'amortissement de l'ampli.

 

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Réponse en fréquence du filtre de l'ampli classe D à 8 Ohms (avec et sans 220nF 10Ohms)

 

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Réponse en fréquence du filtre de l'ampli classe D à 4 Ohms (avec et sans 220nF 10Ohms)

 

Avec un haut parleur de 4 Ohms (ou 2 de 8 Ohms en parallèle), on entend en pratique qu'il y a un manque d'aigus. Le filtre n'est pas tout à fait adapté à 4 Ohms, comme le montre la simulation (simulation faite avec le logiciel gratuit LTSpice).

 

Autodémarrage de l'ampli classe D

 

On a vu que si l'entrée "IN" du IR2184 est au niveau haut de façon statique, T1 et T2 sont bloqués (C12 étant déchargée et D4 bloquée).

 

Il faut faire arriver un signal de quelques millivolts (un tout petit peu de musique) à l'entrée de l'ampli classe D pour que l'auto oscillation démarre. Si on ajoute une résistance de quelques mégohms en parallèle avec C5 pour éviter la saturation de l'intégrateur, il ne se passe que des tentatives de démarrage ratées. Rien ne vaut un peu de musique pour lancer et établir l'oscillation. Ce phénomène est dû au blocage de T1 et T2 à la fois en régime statique établi (sortie de l'intégrateur bloquée à +7.4V, et IN au niveau haut, autour de 5.2V par rapport à -Vcc).

 

L'ampli démarre spontanément si +Vcc s'établit après -Vcc, mais ce démarrage est un peu tordu (réalisable avec une double alim stabilisée de labo).

 

En utilisation habituelle d'un ampli audio, cela ne pose aucun problème. Cet ampli classe D est simplement en "veille" avant la première toute petite sollicitation musicale.

 

Alimentation des étages de l'ampli classe D

 

Côté +Vcc, R20 polarise la zener DZ1. Il faut minimum 4mA pour alimenter U1 en fonctionnement. On peut insérer une LED (couleur au choix !) en série avec R20.

 

Côté -Vcc, R21 crée les 2 alimentations avec DZ2 et DZ3. Même s'il ne faut que 4mA pour U1, U2 demande environ 30mA. C'est pourquoi R21 ne fait "que" 1kOhm. On peut choisir 680 Ohms ou 820 Ohms en version 5W sans problème, ce qui permet à l'ampli de fonctionner encore à des tensions plus faibles (+/-35VDC).

 

Première maquette d'ampli classe D à IR2184

 

La toute première réalisation de cet ampli classe D a permis d'ajuster les valeurs de chaque composant, et de prouver qu'un ampli classe D est assez facile à réaliser avec un circuit intégré commande de demi pont (IR2184). Quelques images de l'ampli classe D

 

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Maquette d'ampli classe D avec transfo 2x40VAC (+/-56VDC)

 

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Le module d'ampli classe D : vue de dessous

 

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Le module d'ampli classe D : vue de dessus

 

On reconnaît sur cette maquette d'ampli classe D :

 

- 2 condensateurs 4700uF 63V de filtrage

- Circuits intégrés TL072 et IR2184

- Résistance 5W 680 Ohms

- Filtre de sortie

- Condensateur bleu entre +Vcc et -Vcc (470nF 250VDC)

- Transistors de puissance IRFB4620

- Connecteurs

- Composants CMS pour le reste


Caractéristiques

 

Alimentation : +/-40V ... +/-60V
Puissance de sortie : 300Wrms à 4 Ohms environ
Pas de ventilateur : refroidissement naturel suffisant à pleine puissance sur 4 Ohms (charge fictive résistive) !

 

Conclusion

 

L'ampli classe D se laisse réaliser facilement grâce à la commande de l'étage de sortie. C'est étonnant de voir comme les transistors de puissance chauffent peu, ce qui permet de réduire considérablement la taille du radiateur et donc de l'ampli à réaliser.

 

Schéma Ampli Classe D 300W simple, posté par nina67 le 2013-11-14 19:53:30
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9 COMMENTAIRES

Constant ( 16 Novembre 2013 14:02 )

bonjour ! et bien voila l'ampli tant attendu par les fans pur et dur classe D que d'ailleur que je vous remercie pour ce beau schéma. comme promis je vais m'occuper du Typon, mais il me manque des information sur la self de sortie : dimantion du tores et combien de spires à bobinés et ainsi le nombre d'ampère pour le transformateur. je pourrai me mettre au travail des réception des informations. cordialement Constant

nina67 ( 16 Novembre 2013 17:32 )

Bonjour, oui, après de nombreux tests sur cet ampli classe D, je l'édite donc, mais j'attendais d'avoir passé en revue différents essais pour garantir son bon fonctionnement. Pour la self, on peut choisir une 2309-H-RC de Bourns. Le nombre de spires dépend du noyau (ferrite, poudre de fer, etc), donc on ne peut pas dire à l'avance sans connaitre le noyau. L'alimentation doit donner 3A minimum (360W à +/-60V). Bien sur, c'est un courant moyen et le transfo doit faire 2x40V 200VA minimum pour une version mono. Concernant l'étage de sortie, il faut être soigneux. Aucun courant de puissance ne doit passer par les pistes du IR2184. Cordialement

niala2450 ( 21 Avril 2014 19:40 )

bonjour bravo pour cette etude serait il possible de connaitre le fournisseur de vos composants et si CONSTANT avait l aimable attention de communiquer son typon ce serait sympa je vais me lancer dans la realisation bien cordialemnt

nina67 ( 23 Avril 2014 13:54 )

Bonjour, j'ai bien un typon à proposer qui me vient de Constant, il sera bientôt en ligne. Ce schéma ultra simple n'a pas de protection contre les courts-circuits. Je vais proposer un schéma intégrant la protection. Cordialement

niala2450 ( 25 Avril 2014 20:44 )

Merci . pour le futur typon j'ai hâte de tester ce type d ampli Par contre j'ai un petit souci pour l'approvisionnement des composants Sont ils dispo de les magasins de composants courants ou es ce une commande spéciale Merci

nina67 ( 26 Avril 2014 17:48 )

Bonjour, le schéma présenté ici est ultra basique, juste l'ampli audio : pas de temporisation à l'enclenchement, pas de protection contre les courts circuits en sortie. Le seul composant un peu spécifique est le IR2184. Le TL072 est ultra standard et les MOS de sortie peuvent être différents. Ils doivent faire 200V et 15 à 30A. Je vais prochainement éditer un ampli classe D avec protection contre les courts-circuits, c'une partie à ajouter au montage existant. Cordialement

Mickos47 ( 7 Mai 2014 1:32 )

Quelle est l'allure du signal qui rentre sur la pin "IN" du IR2184,? (Signal de sortie de U1b) L'ampli U1b correspond à une Commande par hystérésis ? Comment peut on avoir une tension de 3 à 5V au point "IN" quand la tension de sortie de U1b est de 1V à 4,2V et on passe par un pont diviseur de tension 10k et 20K? Recevez mes cordiales salutations

ralambo ( 22 Mai 2014 10:19 )

Bonjour, je voudrais savoir quel est l'équivalent du composant MURS120? Ce genre de composant ne se trouve pas dans mon pays. Est ce qu'on peut ponter cet amplificateur, pouvez vous le mettre sur le site? Je vous remercie. Cordialement

kouam d ( 24 Octobre 2014 14:32 )

schema ampli 300w

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