Ampli classe D 100W à 300W : schéma

Le driver IR2184 est adapté à la réalisation d'ampli classe D simples et puissants. Vous trouverez ici un schéma et ses explications détaillées sur le fonctionnement d'un ampli classe D de grande puissance et simple à réaliser autour d'un driver de Mosfet IR2184.

Voici donc le schéma de cet ampli classe D qui est auto oscillant.

Principe de fonctionnement de l'ampli classe D

Cet ampli classe D utilise le minimum de composants pour assurer son fonctionnement et sa robustesse. Il repose sur une structure auto oscillante de fréquence variable.

Schéma de l'ampli classe D

Voici le schéma de l'ampli :

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Schéma de l'ampli classe D 50 W à 400 W

Etage d'entrée de l'ampli

L'étage d'entrée est basé sur le premier ampli op U1a monté en amplificateur inverseur. Son gain dans la bande passante de l'ampli est défini par -R2 / R1.

R1 définit l'impédance d'entrée (choisir 10 k à 100 k).

R2 définit le gain avec R1. Choisir un gain entre -1 et -5 pour ce premier étage.

C1 supprime la composante continue qui pourrait être présente dans le signal et forme un filtre passe haut de fréquence de coupure fc égale à :

fc = 1 / (2.pi.R1.C1) = 7 Hz

C2 forme un filtre passe bas qui atténue les parasites haute fréquence liés à la fréquence d'oscillation de l'ampli classe D. Il est conseillé de le monter.

fc = 1 / (2.pi.R2.C2) = 34 kHz (choisir un peu au dessus de 20kHz)

Intégrateur d'ordre 2 dans l'ampli classe D

C'est la partie fondamentale de l'ampli classe D. Cet intégrateur ne repose que sur un simple ampli op, le TL072 (U1b). Il est ultra standard et même si la fréquence d'oscillation au repos est de 180kHz environ, l'ampli op n'a pas besoin d'être très rapide (et donc cher et plus rare). Lorsqu'il y a un signal d'entrée, la fréquence d'oscillation tend à diminuer.

Il s'agit d'un intégrateur d'ordre 2 basé sur C5a, C5b et R5a. Pour la simplicité, C5a et C5b sont choisies égales. L'intégrateur se comporte comme un filtre passe bas d'ordre 2 et réduit les parasites audibles de l'intermodulation dans le cas d'un ampli classe D stéréo et / ou d'une alimentation à découpage.

R5a permet d'ajuster un peu la fréquence. Plus R5a est élevée (4,7 kOhms et plus), plus le comportement ressemble à un intégrateur d'ordre 1 (comme si R5a est absente). On ne peut pas choisir R5a en dessous de 300 Ohms environ (fréquence d'oscillation trop basse et instabilité du montage).

Un bon compromis pour R5a se situe vers 1 kOhm. Si on réalise un ampli classe D stéréo avec 2 montages identiques, le bruit audible d'intermodulation vis à vis d'une alimentation à découpage ou d'un canal par rapport à l'autre si les fréquences d'oscillation sont différentes est toujours plus faible avec un intégrateur d'ordre 2. En réalité, tous ces parasites sont à peine audibles dans des enceintes acoustiques avec un intégrateur d'ordre 2, mais ça vaut le coup d'essayer de supprimer R5a pour entendre.

C4 filtre les transitoires à l'entrée de l'intégrateur.

R4 protège l'entrée inverseuse de U1b en cas de défaut (sortie de T1/T2 bloquée à +Vcc ou -Vcc). En effet, l'entrée inverseuse atteint alors la tension suivante :

+/-Vcc x R4 / (R4+R6) (environ 5VDC seulement)

Il s'agit d'un diviseur de tension basé sur R4 et R6. On peut aussi placer 2 diodes 1N4148 en parallèle et montées tête bêche pour limiter à +/-0,6 V la tension. Ici, une résistance est plus simple que 2 diodes.

C3 supprime la composante continue présente en sortie de U1a (+/-10 mV environ). Le gain de l'intégrateur est égal au gain de l'ampli classe D sans l'étage d'entrée et vaut :

-R6 / R3 = -21,3

L'étage d'entrée n'est pas indispensable, mais l'impédance d'entrée de l'intégrateur ne vaut de 4,7k (R3) et est un peu faible. Dans ce cas, l'ampli audio présente un gain négatif et la sortie (+) doit se connecter à la borne négative du haut-parleur. La masse de l'ampli correspond alors aux + des haut-parleurs.

Le gain de l'ampli vaut ici :

gain de l'étage d'entrée x gain de l'intégrateur = -2,14 x (-21,3) = 45,5

Pour éviter de modifier le fonctionnement de l'ampli classe D, il vaut mieux ajuster R2 si on souhaite plus ou moins de gain pour l'ampli classe D. Jouer sur R2 n'entraîne aucune conséquence.

La fréquence d'auto oscillation de l'ampli classe D se situe autour de 180 kHz avec R5a = 1 k. La plage de bon fonctionnement se situe entre 150 kHz et 300 kHz pour fixer les idées.

Translateur de niveau de l'ampli classe D

La tension de sortie de l'intégrateur est référencée à la masse 0V et doit être décalée au niveau de -Vcc pour attaquer l'entrée du IR2184. C'est le rôle de T3, R5 et R7. L'intégrateur fournit une tension triangulaire qui varie entre +1 V et +4 V environ, T3 est toujours en conduction (mode linéaire). Si on néglige son courant de base, la tension aux bornes de R5 est égale à celle aux bornes de R7. La tension base-émetteur fluctue peu et on peut considérer qu'elle est constante (-0,6 V). R16 protège le IR2184 dans le cas où T3 court-circuiterait et viendrait relier l'entrée du IR2184 directement à la masse 0 V. Par simplicité, on choisit la même valeur.

D3 protège la base de T3 contre les tensions inverses, si U1b sature au niveau bas (-7 V environ). La tension base-émetteur inverse des bipolaires est souvent de +/-5 V seulement.

Etant donné que T3 est en mode linéaire et que le potentiel de son collecteur varie peu (quelques volts), il n'ajoute pratiquement pas de retard sur le chemin du signal.

T3 peut être par exemple un 2N5401 ou un MPSA92, éventuellement un BC556 pour des tensions d'alimentations inférieures à +/-50 V DC.

Commande des transistors MOSFET de sortie

Il est difficile de contourner les circuits intégrés tout faits pour piloter 2 transistors Mosfet en demi-pont. Avec une seule entrée logique, le IR2184 pilote en opposition de phase et avec un temps mort de 0,5us les transistors T1 et T2.

D4 est une diode de bootstrap (minimum 200 V 1 A) ultra rapide. R13 évite d'éventuelles surtensions du condensateur de bootstrap C12 dans le cas où la source de T2 verrait un transitoire de tension inférieur à -Vcc (à l'ouverture de T2). Ceci est dû à l'inductance parasite en série avec la source de T2.

Les grilles de T1 et T2 sont pilotées avec un temps mort supplémentaire bien utile. Le temps mort prévu par le IR2184 ne semble pas suffisante pour éviter une brève conduction simultanée (shoot through) de T1 et T2 lors des commutations.

La patte 2 du IR2184 est une entrée "shutdown" qui désactive le fonctionnement. Si on la laisse en l'air, la pull up interne l'amène autour de 3,8 V. Pour mettre le IR2184 en mode silencieux, il faut tirer la patte 2 à la masse. C16 lisse la tension présente et permet un petit retard du à l'hystérésis interne du IR2184.

La commande des transistors avec le IR2184

En remplacement du IR2184, il existe différentes solutions basées sur un IR2011 associé à un 74HC02 pour créer deux signaux en opposition de phase pour chaque transistor mosfet.

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Il n'est malheureusement pas simple de créer l'équivalent du IR2184 en discret avec force transistors, diodes et autres composants.

Filtrage de sortie de l'ampli (filtre LC)

Ultra classique, le filtre de sortie est un circuit LC (L1 et C13). R13 et C14 sont facultatifs mais conseillés pour éviter des surtensions si aucun haut-parleur n'amortit la résonance possible entre L1 et C13. R13 n'est pas dimensionnée thermiquement pour supporter en permanence une forte puissance (ce qui arriverait si l'ampli classe D reproduisait des signaux autour de 20-50 kHz à forte puissance. En pratique, on peut se contenter d'une résistance de 2 W. C14 peut éventuellement être réduite à 100 nF si R13 surchauffe réellement.

L'inductance ne doit jamais saturer, même au courant crête qui vaut la tension d'alimentation divisée par l'impédance du haut-parleur. Avec un haut-parleur de 4 Ohms et un inductance 10 A, la tension d'alimentation ne doit pas dépasser +/-40V à pleine charge. En pratique, si on dépasse le courant limite, l'ampli classe D fonctionne quand même, mais en cas de court-circuit, la protection est probablement moins efficace.

L'inductance doit aussi être adaptée au domaine de fréquence autour de 200kHz.

Transistors de sortie

Il faut choisir des Mosfet qui supportent :

Vds : 200 V (pour alim jusqu'à +/-75 V environ)

Id : 20 A à 40 A continus

Exemples de transistors adaptés à l'ampli classe D : IRFB4620, IRFB5620, STP40N20, IRFB31N20D

Il faut monter les transistors de sortie sur un petit radiateur (eh oui, c'est suffisant) d'environ 5 x 5 cm de côté.

Protection de l'ampli classe D

Simple et économique, la protection contre les courts-circuits repose sur une lecture du courant dans une résistance série de faible valeur (shunt). Il s'agit de R22 (0,1 Ohm 5W). R23 et R24 forment un diviseur de tension. Lorsque la sortie de l'ampli est court-circuitée, le courant va augmenter en rampe avec une vitesse limitée par L1 (valeur : Vcc/L1 = 1,3 A/us environ au repos). Si l'inductance sature, la vitesse d'augmentation du courant sera beaucoup plus rapide (inductance réelle plus faible). La protection des amplis classe D fonctionne plutôt bien de façon générale parce que l'augmentation du courant est progressive en cas de court-circuit.

L'astuce réside dans le montage de T7 et T8.

Si la tension atteint +2 V sur la borne "sortie (-)", T7 entre en conduction.

Si la tension descend à -2 V sur la borne "sortie (-)", T8 entre en conduction.

Cette méthode détecte donc les deux sens du courant. Tout ceci fait entrer T4 en conduction. T4 décharge instantanément C16 et le IR2184 se coupe (shutdown actif). C16 se recharge, et une nouvelle tentative s'amorce à un rythme de 1ms environ (pull up interne du IR2184).

C16 est nécessaire pour laisser une "pause" entre deux tentatives. Dès que le court-circuit est supprimé, l'ampli redémarre.

C35 évite le déclenchement intempestif de T4. Ceci arrive si l'inductance de sortie est non blindée, non torique et se trouve proche de T4. On remarque ce défaut si des craquements apparaissent lorsqu'on "monte le son". Ceci est très visible à l'oscilloscope sur charge fictive et signal sinus.

Le court-circuit peut durer indéfiniment sans dommage pour l'ampli. Ici, le test a été fait avec une inductance de 47 uF 8,5 A (inductance 1447385 chez Murata) et qui sature probablement au courant limite de 20 A, mais l'ampli supporte tout de même le court-circuit.

Le seuil est fixé à 20 A environ pour le cas où un haut parleur de 4 Ohms est branché et que l'alimentation est +/-60 V en charge. Lorsque R22 chauffe, si T7 et T8 sont à proximité, leur tension de seuil va diminuer (-2 mV/°C) et le seuil de protection en courant va diminuer. Toute cette partie est facultative mais conseillée !

Vous pouvez trouver un montage d'ampli classe D simplifié, sans protection contre les courts-circuits en sortie

Ampli classe D simple sans protection

Les 2 limites de cette méthode de protection sont :

- réduction du facteur d'amortissement (on insère 0,1 Ohm en série avec le haut-parleur)

- pas possible de conserver cette protection si on souhaite bridger ce type d'ampli classe D). En mode bridge, le haut-parleur n'est pas connecté à la masse.

Mais l'avantage de la simplicité et la fiabilité de cette méthode font qu'elle a été retenue ici.

R23 et R24 fixent le seuil de courant max avant mise en protection.

Découplage de l'ampli et routage

Les condensateurs C31 à C35 doivent être montés au plus près des transistors T1 et T2 pour minimiser les boucles de courant et les surtensions (surtout la tension négative transistoire sur la source de T2)

La piste qui relie la patte 3 du IR2184 à la source de T2 ne doit en aucun cas être traversée par des courants importants (entre T2 et l'alimentation -Vcc par exemple). Sinon, le IR2184 peut être détruit par la tension négative transitoire qui entraîne une tension trop élevée aux bornes de C12 (bootstrap capacitor overload). R13 est là pour limiter cet effet détecteur de crête de D4/C12. Les pistes de "puissance" doivent être bien séparées des pistes de signaux et le IR2184 doit être monté proche de ses transistors T1 et T2.

Si l'ampli classe D fonctionne à faible signal, produit un excellent son mais casse dès qu'on atteint de forts courants, c'est peut-être le routage de cette zone qui est en cause.

Alimentation et puissance de l'ampli classe D

L'alimentation de cet ampli classe D peut alors de +/-30 V à +/-70 V. La puissance en sortie d'ampli atteint 300Wrms / 4 Ohms pour une alimentation de +/-60 V qui chuterait à +/-50 V environ à pleine charge. Pour récapituler, l'ampli classe D donne :

+/-70 V (chute à +/-60 V) : 400 W rms / 4 Ohms et 200 W rms / 8 Ohms

+/-60 V (chute à +/-50 V) : 300 W rms / 4 Ohms et 150 W rms / 8 Ohms

+/-40 V (chute à +/-30 V) : 100 W rms / 4 Ohms et 50 W rms / 8 Ohms

La puissance de sortie de l'ampli ne dépend que de son alimentation, non des transistors de sortie. C'est pareil pour n'importe quel ampli audio classe AB ou B.

Polarisation des diodes zener d'alimentation

Concernant les polarisations des zener pour alimenter l'ampli op et le IR2184, il faut adapter R20 et R21 avec les contraintes suivantes :

- 5 mA sur le +8 V

- 20 mA sur l'alimentation du IR2184 (DZ3)

Valeur max de R20 :

R20 max. = (Vcc min. - 8 V) / 5 mA

Vcc min. est la tension d'alimentation à pleine charge et vaut 70 à 90% de la tension à vide (ordre de grandeur).

Exemple :

R20 max. = (40 - 8) / 0,005 = 6,4 k Ohms

On choisit par exemple 4,7 k. Si on réduit trop la valeur, la dissipation sera trop importante

Valeur max de R21 :

R21 max. = (Vcc min. - 8 V - 12 V) / 20 mA

Exemple :

R21 max. = (40 - 8 - 12) / 0,020 = 1 kOhm

On pourra choisir 680 Ohms / 5 W.

Temporisation à l'enclenchement

Une temporisation à l'enclenchement est vivement recommandée sur cet ampli classe D. On peut ajouter un relais comme sur ce schéma très simple :

Temporisation à relais ultra simple

Sinon, allumer d'abord l'ampli puis brancher les haut-parleurs après au moins 1 seconde.

Démarrage de l'ampli classe D auto oscillant

Il est parfois nécessaire de brancher une charge à la sortie de l'ampli classe D et de faire arriver un signal (un peu de musique par exemple) pour initier la mise en route de l'oscillation. Ceci est dû au montage bootstrap qui ne permet pas le maintien en conduction de T1 indéfiniment (entre 10 et 100 ms). L'état de repos avant démarrage est donc une tension saturée de +7 V sur la sortie de U1b ainsi qu'une tension de grille nulle pour les 2 transistors de sortie.

Avantages et inconvénients de cet ampli classe D

Avantages

- ampli classe D simple

- alimentation possible de +/-30 V à +/-70 V

- puissance jusqu'à 400 W rms à 4 Ohms et 200 W rms à 8 Ohms

- protection efficace contre les courts-circuits

- très faible intermodulation (grâce à l'intégrateur d'ordre 2)

- réalisation d'un ampli classe D stéréo performant

Limites de l'ampli classe D

- utilisation d'un circuit intégré spécifique (le IR2184 de International Rectifier)

- temporisation à relais recommandée

Références

Boucles de courant et routage des amplis classe D :

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

Surtensions transitoires et bootstrap :

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

Intégrateur et intermodulation :

http://eprints.nottingham.ac.uk/1887/1/yutancoxgoh.pdf

nina67 Nina67
jeudi 3 novembre 2016 13:48

Bonjour Guy, non parce qu'il faut une commande de Mosfet en demi pont. Le IR2184 permet de piloter le mosfet high side (tension Vgs flottante). Cordialement

Linear
jeudi 29 mai 2014 19:37

Peut-ont avoir une shemat de set amplis Nina je me ferai un plaisire de faire un test montage.

Guy
samedi 29 octobre 2016 22:29

bonjour nina, peut on adapter un SG3524, à la place du circuit utilisé ici? (j'en ai une demi douzaine...)

nina67 Nina67
mercredi 16 août 2017 11:47

Bonjour, vous pouvez ajouter un condensateur de 1nF entre la broche 2 et la broche 3 du IR2184, cette broche est assez sensible en fait. l'inductance 1447385C Murata fonctionne très bien, donc pas besoin de prendre une inductance de plaque à induction. Sur ce montage d'ampli classe D, il n'y a pas de protection contre les courts-circuits. Vérifiez aussi que les fils d'alimentation arrivent tout près des Mosfets et surtout pas à proximité du circuit de commande. Les pointes de courant perturbent le fonctionnement du IR2184. Cordialement

Ernie de la Combette Ernie de la Combette
lundi 15 octobre 2018 17:58

Bonjour Nina67, mes compliments pour vos études impressionantes!J'espère vous êtes toujours dispo, car j'ai un problème avec un ampli du marque Ampeg (ampli guitar basse 200W D-type).
Après changements des étapes finals (IRFP9140 2x parallel et IRFP140 2x parallel) dans un an ils sont cassés à nouveau même avec un courant de repose bien règlé. Pendant une période j'ai essaié un seul étape de 1x 9140 et 1x 140 et ça marche sans problèmes. Recemment revenue à double et dans un an à nouveau tout FETs brûlés :-((
Dans votre circuit je vois un petit diode sur le 47ohm, ça me manque chez moi. Savez-vous le meilleur méthode à brancher les IRFP's parallel ?Merci pour  tout info, cdt Erwin

nina67 Nina67
mardi 16 octobre 2018 12:54

Bonjour, il n'y a pas de courant de repos dans un ampli classe D. Le courant de repos ne concerne que des amplis classe AB. La petite diode pour la grille des Mosfet garantit un temps mort (dead time) entre la conduction de chaque Mosfet. Cordialement

toff67 Toff67
mercredi 31 octobre 2018 09:10

bonjour Nina67 , je me suis monter un ampli avec des carte toute faitent IRS2092S ,"celles que l'on vois un peu partout a sois disant 500W l'unité" avec une seul alimentation pour les deux cartes elle aussi commandé toute faite, elle fait 63V j'ai branché tout ça dans un boitier mais le problème est que dés que je branche une source dessus même sans son il y a un bruit parasite vraiment gênant, "pas le petit bruit de rien" avez vous une solution car je ne trouve pas, tout est isolé avec de la gaine thermo, fiche rca en entrée, j'ai essayer plusieurs câbles et rien ne changecordialement

nina67 Nina67
samedi 3 novembre 2018 10:56

Bonjour, quel est le type de bruit qu'on entend dans les haut-parleurs ? Si c'est une ronflette (le bruit du secteur parasite environnant), il se pourrait que ce soit une boucle de masse. Pour vérifier cela, débrancher une carte ou une connexion RCA qui va à une carte et cela devrait éliminer le bruit sur la carte restante. Si le bruit est un sifflement, cela pourrait être un problème d'intermodulation (interférence entre les fréquences de fonctionnement des deux cartes). Là encore, si vous ne branchez qu'une seule carte, le bruit devrait disparaitre. Vous pouvez essayer cela pour vérifier si c'est l'un ou l'autre de ces problèmes. Si le bruit est là, même avec une seule carte, c'est autre chose. Cordialement

toff67 Toff67
dimanche 11 novembre 2018 16:53

Bonsoir Nina, merci pour votre réponseje vais vérifié ça toute a l'heure et si jamais c'est ce genre de problème je serais dans l'obligation de racheter une alimentation pour la deuxième carte ?

nina67 Nina67
dimanche 11 novembre 2018 21:41

Bonsoir, non, pas forcément. Pour réduire les boucles de masse, il faudra modifier les branchements de la masse, en particulier faire arriver la masse de l'alimentation proche de la masse audio pour chaque ampli et aussi essayer en branchant la borne moins du haut parleur sur la masse de l'alimentation (si ce n'est pas un ampli bridgé BTL). Cordialement

toff67 Toff67
mardi 13 novembre 2018 11:18

Bonjour Nina, j'ai essayé de débrancher complètement une carte et toujours ce bruit, j'ai constaté aussi que l'on entend aussi les ventilateurs  des cartes dans les haut parleurs https://www.banggood.com/IRS2092S-500W-Mono-Channel-Digital-Amplifier-Class-D-HIFI-Power-Amp-Board-With-FAN-p-1152734.html?cur_warehouse=CN

nina67 Nina67
mercredi 14 novembre 2018 11:05

Bonjour, on entend donc le bruit lorsqu'il n'y a qu'une seule carte branchée à son alimentation et vers une source de son ? Et si on débranche la source de son (seuls branchements : alimentation - ampli et ampli - 1 haut-parleur) ? Si c'est le cas, c'est vraiment la conception de la carte qui est douteuse... 

Sanda18
lundi 6 janvier 2020 12:50

Bonjour, J'ai un ampli mono utilisant 10 paires de transistors de puissance en sortie (5200/1943). Alimenté sous +/-95V Résistance d'émetteur (R2) 0.33ohm Est-ce que je dois mettre alors une résistance R4 pour chaque transistor pour piquer le courant qui traverse chaque transistor??? (càd 10 résistances R4 pour les 10 tors 5200 et 10 résistances R3 pour les 10 tors 1943) Pour cette configuration, quelle valeur de R5 ( et R6) R4 (et R5) dois-je prendre pour que mon ampli résiste au court-circuit en sortie? Merci! Cordialement!

nina67 Nina67
lundi 6 janvier 2020 13:21

Bonjour, je crois que le commentaire ne correspond au bon article mais plutôt à celui ci : https://www.astuces-pratiques.fr/electronique/protection-ampli-audio-avec-relais On peut se contenter de lire le courant sur une seule des 10 résistances 0,33 Ohm. En revanche, la tension d'alimentation est très élevée et la limitation du courant en cas de court-circuit aura lieu autour de 2A (0,7V pour Vbe / 0,33 Ohm). La dissipation instantanée est alors 95V x 2A = 190W, ce qui est trop. Par ailleurs, la zone de seconde cassure ("second breakdown") limite le courant à 0,6A pour un Vce de 90V (voir datasheet) en fonctionnement permanent. Il serait donc prudent d'ajouter sur la base de Q7 une résistance de 120k qui va vers le +95V et aussi une résistance identique entre la base de Q8 et le -95V. Cela polarise la base de Q7/Q8 à environ 0,37V (95V x 470 / (120k + 470), ce qui limitera le courant maximum à 1A environ pour chaque 2SC5200/2SA1943 (ou TTC5200/TTA1943 ?). Le courant total sera donc d'environ 10A en court-circuit délivré par la sortie. Pour être plus restrictif sur le courant en court-circuit, il faut diminuer la valeur 120k à 100k, mais avec le risque que sur charge inductive (caisson de basse), la limitation intervienne de façon intempestive à forte puissance. Il s'agit de compromis. Cordialement

Thomas
jeudi 20 mai 2021 14:17

Bonjour, pourriez vous me partager les fichier pour le schema/pcb ? Un grand merci

MarcDTM
lundi 13 septembre 2021 01:23

Bonjour Nina Je veux faire cette Ampli classe D MAIS: Le IR2184 est devenu obsolète. Est-ce que je pourrais le remplacer par le IR2184PBF Ou le IR2184SPBF Digijey me suggère c'est 2 choix Merci