Ampli guitare 50W : réalisation

Le circuit de l'ampli de puissance est réalisé en simple face. Il est insolé aux ultraviolets avec le typon pour impressionner la résine photosensible, puis gravé au perchlorure de fer pour attaquer le cuivre. L’opération dure au total une heure environ. Après perçage des trous, les composants sont placés puis soudés sur le circuit imprimé. Une fois câblé, il pourra être testé.

 

Ares Lite : logiciel de traçage de typon

 

Ce logiciel prend en compte les dimensions des composants, leur « package ». De plus il propose une gestion des pistes qui adopte la configuration la plus simple et la plus sûre (évite les nœuds par exemple).

 

Temporisation à l'enclenchement

 

Pour l'alimentation du tube, il faut que le filament puisse chauffer avant que la haute tension soit appliquée. Le retard souhaitable est de l'ordre de la minute. La temporisation permet de réaliser un retard à l'enclenchement, à l'aide d'un amplificateur opérationnel qui commande un relais.

 

Circuit de temporisation de l'ampli

 

L'ampli op fonctionne en comparateur : dès que la tension aux bornes du condensateur atteint une valeur de seuil, la sortie bascule, le transistor entre en conduction et le contact du relais se ferme. L'alimentation de l'ampli op se fait par une tension simple. Le transistor est nécessaire pour alimenter la bobine du relais car l'amplificateur opérationnel ne peut pas commuter la tension Vcc (70V). L‘ amplificateur opérationnel est alimenté par une tension simple. La diode Dz peut avoir une tension zener entre 9V et 30V (maximum absolu de 36V pour le TL082). On pourra prendre 12V de tension zener. Pour disposer de 7mA, on choisit R1 :

 

R1 = (70 – 12) / 0.007 = 8,29kO maximum.

 

En pratique, il s'agit de 3 résistances 22k 0.25W en parallèle visibles sur la photo.

 

Une résistance de 4.7k limite le courant de base, et R7 fixe le courant circulant dans la bobine du relais à la bonne valeur. Nous avons opté pour un BD139, dans la mesure où il doit tenir 70V.

Une LED rouge indique la présence de tension aux bornes du filament avant l'enclenchement. En effet, tant que la sortie de l'amplificateur opérationnel se trouve à 0V, la LED brille, puis elle s'éteint au moment ou l'amplificateur opérationnel bascule et fait saturer le transistor.

 

 

Circuit de la temporisation

Test de l'ampli et vérification du cahier des charges

 

 L'étage d’amplification de puissance met en jeu des courants de quelques ampères, ce qui peut être destructeur en cas d’erreur de montage. C’est pourquoi lors du premier test, on peut placer en série avec le secondaire du transformateur une résistance de quelques centaines d’ohms pour limiter le courant. On remarquera également qu’une résistance coûte moins cher qu’un fusible. En cas d’erreur, la résistance serait détruite immédiatement. Le circuit peut alors être testé comme suit :

 

- insertion de la résistance série- mise sous tension- mesure de la tension Vcc si la résistance ne grille pas sur le champ- déconnexion de l'appareil- suppression de la résistance série encore bonne- mise sous tension- mesure des tensions statiques (voltmètre DC)

 

Autre astuce : insérer une ampoule à incandescence ou halogène de 40W ou 60W en série avec la prise de courant de l'ampli à tester. Un appel de courant excessif ferait briller l'ampoule qui limiterait le courant.

 

Tensions statiques de l'ampli

 

Toutes les tensions statiques sont données en référence à la masse, et il est intéressant aussi de mesurer les tensions statiques aux bornes des composants eux-mêmes. En particulier, la tension aux bornes des résistances d’émetteur pour connaître le courant de repos de l’étage de sortie. Si sa valeur n’est pas nulle, le circuit fonctionnera en classe AB, sinon, en classe B pure.

 

Mesures des tensions statiques

 

 Tout d'abord, la tension d'alimentation est très légèrement inférieure aux 70V nominaux, mais ce n'est pas gênant. Aux bornes de R3 (100k), une légère tension continue est due au courant de base de Q1. Les tensions aux bornes de R4 (0.585V) et R5 (1.199V) sont différentes : on ne pourra pas négliger le courant de base de Q2 devant le courant de R4 : il est en fait du même ordre de grandeur (60uA). Enfin, le circuit fonctionne en classe B car les tensions statiques sont négligeables aux bornes de R10 et R11 : le courant de repos est inférieur à 3mA.

 

Il est intéressant de remarquer l'offset en sortie. En effet, le courant continu de la source de courant C5-R6 circule dans le haut-parleur lui-même, créant ainsi cette tension continue. Ceci est une originalité de cet ampli.

 

Mesure de la puissance de sortie et bande passante de l'ampli

 

Une résistance de forte puissance (50W minimum) de valeur 8 Ohms est connectée à la place du haut parleur. Un signal sinus 1kHz est injecté à l'entrée de l'ampli et l'amplitude de ce signal est augmentée progressivement. La tension aux bornes de la charge est visualisée à l'oscilloscope. Lorsqu'on arrive à la limite de la saturation, on mesure la valeur avec un voltmètre en position AC. Pendant ce test, on vérifiera qu’aucun composant ne surchauffe, en particulier les transistors de sortie.

 

Tension efficace mesurée : 19V efficaces

 

La puissance se déduit par P = U²/R = 19²/8 = 45W efficaces

 

La puissance de sortie de l'ampli est légèrement inférieure à ce qui est attendu, ce qui tient à la taille du transformateur principalement.

 

 Notre amplificateur fonctionne pour un domaine fréquentiel de 11 Hz à 93 kHz. Ceci répond amplement au cahier des charges (50 - 18000 Hz).

 

Consommation et rendement de l'ampli

 

Il peut être intéressant de mesurer le courant consommé par l'amplificateur lorsqu’il développe sa puissance maximale. Pour cela, on insère un ampèremètre en série avec le primaire du transformateur et on mesure le courant consommé à pleine puissance. L'ampèremètre peut venir court circuiter le bouton marche arrêt mis en position OFF. On prendra soin d’utiliser la mesure «True RMS» sachant que la forme du courant n’est pas sinusoïdale à cause du pont redresseur. Une mesure "RMS" simple entraînerait une erreur peu maîtrisée. Attention : l’ampèremètre est en contact direct avec le secteur.On mesure 0.38 A sous 229 V (0.38A x 229V = 87W).

 

Le rendement r peut être défini par :

r = puissance efficace de sortie / puissance consommée au secteur.

Nous obtenons : r = 45 / 87 = 0.52

 

A pleine puissance, le rendement est de 52% environ. Le résultat est modeste, à comparer aux 78.5% (= Pi/4) théoriques de l'ampli classe B.

 

Les principales pertes sont dues à la résistance des enroulements du transformateur et  l’échauffement des transistors de sortie. De plus, l'allure non sinusoïdale du courant augmente le courant efficace à cause de la puissance déformante.

 

Test de la temporisation de l'ampli

 

Nous vérifions que la LED s’allume bien pendant environ une minute puis qu’elle s’éteint au moment où le relais commute (on entend un «clic»). La tension d’alimentation de l’amplificateur opérationnel est de 12.1V.

 

Exemple de relais 12V

 

Alimentation de l'ampli de puissance

 

Un transformateur de puissance suffisante est choisi : 80VA, en rapport avec les 50 W efficaces demandés. La tension secondaire est de 2 x 25V, placés en série (en phase et non en opposition). Redressée avec un pont de Graetz, la tension aux bornes des capacités de filtrage (2 x 2200µF/100V en parallèle) est de 70V. Le dimensionnement de la capacité de filtrage obéit à la règle suivante : 1000µF minimum par ampère de sortie. C'est un peu empirique, mais c'est un compromis satisfaisant entre ondulation, rendu sonore,  prix et encombrement. Il suffit de brancher le +70V au circuit d'amplification sans oublier le 0V pour la masse.

 

Conclusion sur l'ampli

 

Le cahier des charges est satisfait. L'ampli de puissance repose sur une structure quasi complémentaire qui a fait ses preuves en matière d'amplification de puissance. Autour d'une alimentation commune si le budget est serré, ce schéma d'ampli peut être réalisé en double pour un modèle stéréo HiFi.