Le filtre de sortie d'un ampli classe D

Le filtre de sortie d'un ampli classe D se dimensionne en tenant compte du courant maximum de sortie et de la fréquence de coupure du filtre passe bas. Le filtre est formé d'une inductance et d'un condensateur : c'est un filtre LC du deuxième ordre sur lequel le haut-parleur est branché. C'est de loin la façon de faire la plus répandue.

Voici comment dimensionner les composants du filtre de sortie LC (pour les amplis classe D mais pour tout le reste le l'électronique, c'est valable aussi !).

Filtre de sortie d'un ampli classe D

Le schéma du filtre de l'ampli classe D ressemble habituellement à cela, en simplifié :

le filtre de sortie d'un ampli classe d

Schéma simplifié d'un filtre de sortie d'ampli classe D

Nous verrons plus tard (plus bas dans le texte) pourquoi ce schéma à lui seul est insuffisant en pratique.

Pour que toutes les fréquences audio sont envoyées au haut-parleur, il faut que la fréquence de coupure fc du filtre passe bas soit :

fc > 20 kHz

Si la fréquence de coupure était inférieure à 20 kHz, il manquerait les aigus dans la musique et ce serait bien triste !

La fréquence de fonctionnement de l'ampli classe D est très supérieure à 20 kHz et doit être le plus atténué possible pour ne pas aller vers le haut-parleur (en fait, le but de filtre est de la bloquer pour éviter qu'elle ne sorte de l'ampli). La plupart des amplis classe D fonctionnent entre 200 et 500 kHz. La fréquence de coupure fc du filtre de sortie peut se situer autour de 30 à 40 kHz : c'est un compromis entre laisser passer correctement le 20 kHz et atténuer fortement la fréquence de fonctionnement de l'ampli classe D.

Cette fréquence de coupure du filtre passe bas se calcule avec la relation :

le filtre de sortie d'un ampli classe d

Réponse en fréquence du filtre de sortie

le filtre de sortie d'un ampli classe d

Voici un premier ordre de grandeur correct pour un ampli classe D et son haut-parleur de 8 Ohms :

Filtre de sortie d'un ampli classe D : 47 uH, 470 nF et charge 8 Ohms

La charge influence la réponse en fréquence. Ici, la résistance de 8 Ohms simule évidemment le haut-parleur. C'est une approximation assez grossière il est vrai, mais cela permet tout de même de voir comment évolue la réponse en fréquence du filtre en fonction de L et de C.

On suppose que la régulation de l'ampli classe D se fait avant le filtre de sortie et non après. La régulation ne "voit" donc pas ce qui se passe sur le haut-parleur. Par exemples, les pertes de tension dues à la résistance série de l'inductance ne sont pas compensées.

Influence de la charge sur le filtre de sortie

Si le haut-parleur fait 4 Ohms, 8 Ohms ou 16 Ohms, la réponse en fréquence du filtre de sortie change. Voici comment, toujours avec L = 47 uH, C = 470 nF :

le filtre de sortie d'un ampli classe d

Réponse en fréquence du filtre en fonction de la charge (4, 8, 16 Ohms)

L'impédance du haut-parleur (modélisée par R) influence la réponse en fréquence. On note :

- la fréquence de coupure n'est pas ou très peu affectée par la valeur de R- la valeur de R joue sur la réponse du filtre autour de la fréquence de coupure : plus R est faible, plus la réponse en fréquence est arrondie. Ceci est dû à l'amortissement du filtre qui dépend de R.

Avec un haut-parleur de 16 Ohms, il apparaît une surtension pour les fréquences autour de 30 à 40 kHz. En soi, cela n'est pas dangereux mais c'est bien d'en avoir conscience.

Optimiser le filtre de sortie pour une autre impédance

On voit que les valeurs pour le filtre ci dessus (47 uH, 470 nF) sont très adaptées à un haut-parleur de 8 Ohms mais moins pour du 4 Ohms ou du 16 Ohms. Si on souhaite utiliser un haut-parleur de 4 Ohms au lieu de 8 Ohms, il faut diviser chacune des impédances L et C par 2 pour garder la même proportion, et ainsi le même amortissement (et donc la même réponse en fréquence).

Pour adapter un filtre de sortie prévu pour 8 Ohms à 4 Ohms, il faut :

  • diviser L par 2
  • multiplier C par 2 (ce qui revient à diviser par 2 son impédance, Z = 1 / Cw)

On obtient ainsi un filtre optimisé pour 4 Ohms avec les valeurs standard :

Filtre de sortie d'ampli classe D pour 4 Ohms

le filtre de sortie d'un ampli classe d

Filtre de sortie d'ampli classe D optimisé pour 4 Ohms et 8 Ohms

Avec 4 Ohms, on peut choisir 22 uH pour l'inductance et 1 uF pour le condensateur.

On n'a pas intérêt à diminuer l'inductance de trop parce que le courant qui circule dans les transistors augmente inversement proportionnellement à l'inductance. Il n'y a pas d'intérêt à descendre en dessous de 22 uH pour les amplis classe D habituels.

Surtensions dans le filtre de sortie

Tout circuit LC peut former une résonance, c'est-à-dire amplifier (démesurément) un signal pour peu que sa fréquence soit précisément la fréquence de résonance d'un filtre LC.

Problème de la résonance LC

Lorsqu'il n'y a pas de haut-parleur, aucun composant ne dissipe d'énergie, et l'amortissement du filtre de sortie est quasi nul. La résonance crée en simulation une tension qui peut être 100 fois plus grande ! Si l'ampli doit reproduire 20 V en sortie, le filtre verra 2000 V aux bornes du condensateur ! Et au passage, l'inductance en verra à peu près autant... Cela ne peut se produire sans grand danger pour les composants et pour l'utilisateur qui pourrait toucher le bornier haut-parleur de son ampli.

Dès qu'on branche le haut-parleur, la résonance n'a plus lieu, comme on l'a vu. Cette situation de résonance n’apparaît que lorsque rien n'est branché à l'ampli.

Pour éviter ce phénomène qui risquerait de détruire le condensateur du filtre (qui verrait trop de tension à ses bornes et claquerait), on ajoute un circuit RC qui amortit le filtre LC. Voici comment ajouter ce circuit :

le filtre de sortie d'un ampli classe d

Circuit RC (ici, R1 et C1) destiné à amortir la résonance du filtre LC à vide

le filtre de sortie d'un ampli classe d

réponse en fréquence : amortissement de la résonance avec R1 et C1

Ici, on voit une résonance de +20 dB environ, ce qui multiplie la tension par 10. C'est déjà bien mieux que multiplier la tension par 100. Au juste, de quelle tension parle-t-on ? Il s'agit de l'amplitude de la fraction de signal dont la fréquence est égale à la fréquence de résonance. Il y a donc en principe très très peu de cette fréquence précise contenue dans le signal qui passe par le filtre. Il n'y a pas de raison que l'ampli soit amené à amplifier du 40 kHz !

Les valeurs typiques qu'on trouve dans les amplis classe D professionnels de 100 W à 500 W environ sont les suivantes :

C : 100 nF - 220 nF

R : 10 Ohms / 3 Watts

Pour choisir R, il faut une résistance capable de dissiper 3 ou 5 W pour éviter qu'elle ne grille. Il se peut que quelques Watts soient à dissiper dans cette résistance tout de même.

La valeur de C1 = 220 nF est mieux adaptée. Discutons les valeurs de R1 et C1.

Valeurs du circuit d'amortissement RC

Plus C1 est grand, plus la résonance est amortie, et donc mieux cela semble. Cependant, plus C1 est grand, plus son impédance est faible et plus du courant circulera dans R1. C1 limite le courant dans R1. R1 voit un courant issu d'un filtre passe bande. A basse fréquence, C1 lui bloque le passage du courant : elle ne chauffe pas. A haute fréquence, le condensateur du filtre court-circuite la tension aux bornes de l'ensemble R1-C1. C'est autour de la fréquence de résonance que R1 verra la plus grande tension à ses bornes. Donc, plus C1 est grand, mieux sera amorti le filtre lorsqu'il n'y a pas de haut-parleur, mais plus la résistance R1 dissipera potentiellement. Plus C1 est petit, plus la résonance est prononcée. A la limite, si C1 tend vers zéro, son influence tend aussi vers zéro, et on retrouve la situation précédente (résonance de +40 dB et plus !).

La valeur de R1 est un compromis. Si R1 est trop faible (mettons 1 Ohm), C1 se comportera comme un simple condensateur en parallèle avec C : il n'y aura pas d'amortissement et la résonance persistera, mais à une fréquence un peu plus basse (C équivalent sera égal à C1 + C). Si R1 est trop grand, autant de rien mettre et enlever C1. La branche R1-C1 sera un circuit quasi ouvert et son influence sera quasi nulle. On pourra la négliger. R1 ne doit être ni trop grand, ni trop petit. Une valeur typique entre 10 Ohms et 22 Ohms est optimale avec les valeurs typiques mises en jeu. Vous pourrez faire des simulations LTSpice pour tester et retrouver les résultats présentés ici.

Ecrêtage supplémentaire des surtensions en sortie d'ampli

Certains filtres présentent des diodes supplémentaires pour éviter que la tension instantanée crête aux bornes du condensateur de sortie ne dépasse les tensions d'alimentation. Ces diodes constituent une protection supplémentaire pour la partie filtre :

le filtre de sortie d'un ampli classe d

Diodes d'écrêtage anti surtension dans le filtre de sortie d'un ampli classe D

Le choix de ces deux diodes (identiques) se fait avec ces critères :

  • tension : 2 x Vcc minimum (une alimentation symétrique +/-70V donne une tension inverse minimum de 140V à respecter. On choisira une diode 200V)
  • courant : pas de contrainte. Il s'agit uniquement d'écouler les pics éventuels de surtension. 1A est suffisant
  • vitesse de commutation. Il faut des diodes ultra rapides (éviter les 1N4007 ou 1N5404 lentes).

On peut choisir sans problème des diodes ES1D (1A 200V ultrafast) pour cette fonction. Ce système de diodes est facultatif.

Amplis classe D sans filtre (filterless)

Certains amplis classe D fonctionnent sans filtre. C'est un argument commercial pour séduire les concepteurs d'amplis : avec un ampli classe D sans filtre, pas besoin de trouver une inductance adaptée et les composants nécessaires au filtre.

C'est surtout le cas pour les amplis classe D miniature et de très faible puissance (haut-parleurs de téléphone, d'ordinateur, etc). Pour de la sono ou de la hifi, c'est impossible à envisager. Le filtre est impératif.

On ne peut pas compter sur l'aspect inductif des haut-parleurs pour jouer le rôle de l'inductance. Les pièces de champ magnétiques du haut-parleurs vont générer de grandes pertes parce qu'elles ne sont pas prévues pour subir des cycles de magnétisation à 200 kHz et plus.

De plus, le fait d'envoyer sur plusieurs mètres du courant de fréquence élevée (200 kHz et plus) est générateur de parasites importants. Le câble de haut-parleur agirait comme une antenne émettrice !

Pour la hifi ou la sono, les amplis classe D doivent posséder un filtre de sortie. Pour des raisons de compatibilité électromagnétique, on peut partager l'inductance et le condensateur en 2 pour créer une symétrie entre les polarités du haut parleur. On trouve ainsi des montages avec 2 inductances et 2 condensateurs identiques pour le filtre de sortie des amplis classe D.

Confusions possibles entre filtre de sortie et ...

Un peu à la façon du diagnostic différentiel en médecine, il ne faut pas confondre le filtre de sortie d'un ampli classe D avec les éléments suivants. Ils ressemblent, et pourtant n'ont pas la même fonction !

  • réseau de Zobel ou Boucherot en sortie d'ampli classe AB. L'inductance qu'on voit dans les amplis hifi sert à stabiliser le fonctionnement de l'ampli hifi en haute fréquence (marge de phase).
  • snubber RC en parallèle avec les triacs pour éviter les surtensions transitoires
  • circuits d'aide à la commutation dans les alimentations à découpage

Inductance du filtre de sortie

On a vu qu'il existe une bonne valeur d'inductance et de condensateur, mais surtout pour l'inductance, d'autres critères interviennent :

  • courant maximum admissible
  • fréquence de fonctionnement
  • compatibilité électromagnétique et blindage

Le courant maximum admissible dans l'inductance avant saturation doit être au moins égal au courant crête qui peut circuler dans la charge (haut-parleur). Avec un ampli classe D alimenté en +/-70 V et un haut-parleur de 8 Ohms (ce qui pourra faire 50 V efficaces aux bornes, soit 310 W rms), le courant crête peut atteindre :

I = 70 V / 8 Ohms = 8,75 A.

Il faut choisir une inductance qui sature au delà de 8,75 A, sinon elle pourrait saturer en fonctionnement normal. Cela se traduira par une chute de l'inductance, entraînant distorsion et pertes supplémentaires. Attention à ce paramètre, donc !

La fréquence de fonctionnement de l'inductance est très importante pour éviter un échauffement anormal du noyau magnétique. Il existe de nombreux types de noyaux magnétiques. Certaines inductances ne sont pas du tout adaptées à un filtre de sortie d'ampli classe D.

On peut choisir l'inductance 47 uH (référence 1447385C de Murata). De nombreuses réalisations sont déjà présentes sur Astuces Pratiques !. Son noyau convient, et son courant de saturation est de 8,5 A. C'est limite pour faire passer 310 W à 8 Ohms, mais pour un prix raisonnable, elle fait très bien l'affaire.

le filtre de sortie d'un ampli classe d

Inductances pour le filtre de sortie : exemple (non blindé, le moins coûteux)

Idéalement, on choisit une inductance blindée (le matériau magnétique englobe le bobinage et évite que les lignes de champ sortent à l'extérieur).

Condensateur du filtre de sortie

Le condensateur doit supporter la tension d'alimentation et le courant d'ondulation correspondant à sa fonction (de l'ordre de 1 A circulant à la fréquence de fonctionnement de l'ampli). Il doit être non polarisé. On peut choisir un condensateur CMS ou film plastique de tension 100 V minimum. Le mieux adapté est de choisir 470 nF 250 V ou 1 uF 250 V.

Exemples d'amplis classe D professionnels et leurs filtres

On peut présenter des extraits de schémas d'amplis classe D professionnels. Ici, une enceinte amplifiée de 300 W efficaces environ :

le filtre de sortie d'un ampli classe d

Exemple de schéma d'ampli classe D, filtre de sortie 33uH et 470nF

Conclusion

Le filtre de sortie d'un ampli classe D est basé sur un filtre LC passe bas. Il n'y a pas que les valeurs des composants à choisir, mais aussi pour l'inductance son courant de saturation et son domaine de fréquence. On peut récapituler l'essentiel :

  • inductance : typiquement 22 uH, 33 uH ou 47 uH. courant de saturation > 9A pour un ampli de 300 W rms / 8 Ohms, si possible blindée.
  • condensateur : typiquement 470 nF 250 V ou 400 V
  • ajouter (en parallèle avec le condensateur du filtre) un ensemble série 10 Ohms 3 W / 220 nF 100V

Vous avez maintenant de quoi dimensionner un vrai filtre de sortie pour un vrai ampli classe D

class d amplifier filter

Réalisation d'ampli classe D artisanale basée sur tous ces principes

Salah
Le 28 nov. 2016 à 21:01

Comment peut on savoir la puissance d'un moteur a partir de son bobinage

Gréface Kanouté
Le 3 déc. 2016 à 00:10

Comment peut-on réparer les téléphones portables? répond moi s'il vous plaît

Drickc
Le 17 mai 2017 à 18:19

bonsoir est-il normal que l'induction est tres chaud?

nina67 Nina67
Le 18 mai 2017 à 10:40

Bonjour, l'inductance doit atteindre 50 - 60°C maximum. Si elle chauffe davantage, c'est que le matériau magnétique n'est pas adapté à ces fréquences (200kHz environ). Il faut changer d'inductance même si pour les premiers essais, cela peut dépanner. Cordialement

Drickc
Le 16 juin 2017 à 19:01

bonsoir j'ai monter un ampli class d avec le driver ir2110 le probleme c'est que quand je met en marche sa fonction quand je coupe l'alimentation  sa en dommage les transistor je c pas pourquoi est que vous pouvait m'éclairer s'il vous plait.merci voici le schéma  Le filtre de sortie d'un ampli classe D

nina67 Nina67
Le 20 juin 2017 à 17:11

bonjour difficile à dire comme ça d'un coup d'oeil. Les tensions d'alimentation sont correctes ? On peut commencer par alimenter le montage avec +/-80V ou +/-100V, c'est déjà bien suffisant. Vérifier alors l'alimentation du IR2110. J'ai trouvé un schéma identique avec une alimentation +/-300V, mais cela doit être faux, les IRFP460 ne supportent pas 600V. Cordialement

Jojoelle
Le 12 avr. 2018 à 13:21

Bonjour,Je travaille sur un grand site avec un problème au niveau de la sono. Il y a un grésillement constant sur les haut-parleurs. J'ai d'abord pensé à une masse qui se baladait, mais après avoir tous vérifié RAS. C'est sans doute un problème d'interférence, entre les courants forts, les lampes et le WiFi. J'ai donc pensé à insérer un filtre, mais où ? Avant chaque HP, après les amplis ? Il faut savoir que j'ai 29 HP branchés en série.Bonne journée !

Glume91
Le 18 juil. 2018 à 12:59

Bonjour, article très intéressant. Merci.J'ai une question sur le choix de l'inductance. Lors du développement d'un ampli Classe D, il faut choisir des inductances parmi une grande variété. Quels sont les critères à regarder outre la valeur en Henry ? Quels caractéristiques du composant peut jouer sur notamment, le THD de l'ampli, ou son intermodulation ? 

nina67 Nina67
Le 20 juil. 2018 à 14:38

Bonjour, le choix de l'inductance est évidemment très important. Les valeurs de base sont l'inductance et le courant maximum avant saturation (Isat donné par les constructeurs). Cependant, la ferrite utilisée dans l'inductance joue un rôle sur les pertes (certaines inductances chauffent beaucoup, d'autres moins). Eviter la poudre le fer (iron powder) pour le noyau. Le mieux est de choisir une inductance blindée où le noyau de ferrite englobe les spires. Si vous optez pour une solution économique, il faut éloigner les inductances (cas d'un ampli stéréo) pour éviter un couplage magnétique entre elles. Pour ma part, un bon compromis est l'inductance 1447385C Murata. Cordialement

Glume91
Le 23 juil. 2018 à 09:34

Merci pour votre retour rapide et intéressant. Je vais regarder cette référence d'inductance.Cordialement.

Jiemfatty
Le 21 nov. 2019 à 18:36

Bonjour, tout d'abord bravo pour votre site, c'est super bien fait et expliqué ... alors aux vues des derniers commentaires datant de juillet 2018 je suis pas sur que votre site soit toujours actif mais bon J'ai une paire de focal chorus 726 ( 8 ohm/ puissance ampli recommandée 40W-250W) pour le moment je vais les driver avec un mini chaine pioneer X HM50 ( 4 ohm/ puissance 2 fois 50 W) vous pouvez me confirmer que çà passera sans abîmer le materiel et bien sûr en ne poussant pas trop le volume ? Et afin d'évoluer auriez vous un conseil pour changer d ampli en terme d'impédance et de puissance pour optimiser l'ensemble du système ? Il parait que la taille des cables aussi influent sur la qualité et la sécurité du sytème ? Et si vous aviez par bonheur qq exemples d'ampli ou mini chaine qui pourraient correspondre avec un bon rapport qualité prix jke vous serais eternellement reconnaissant Merci Cordialement JM

nina67 Nina67
Le 22 nov. 2019 à 12:05

Bonjour, les enceintes 726 fonctionneront bien avec l'ampli. En fait n'importe quel ampli hifi fera l'affaire... vu que les enceintes font 8 Ohms. Quant aux câbles des enceintes, il est inutile de se ruiner, du simple fil électrique convient tout à fait, malgré ce que prétendent certains audiophiles. La section doit être d'au moins 0,5mm² pour ne pas avoir de pertes sensibles dans le signal. Cordialement

Yann07
Le 9 déc. 2019 à 11:54

Bonjour, Je possède des enceintes Bose 161 sur lesquelles il est indiqué 4-8 ohms. Je souhaite acquérir un ampli Sony STR-DH190 sur lequel l'impédance renseignée est 6-16 ohms. Est-ce compatible? Que signifie le 4-8 ohms des enceintes? Quelle est l'impédance à prendre en compte: 4 ou 8? D'avance merci pour vos réponse et bonne journée.

nina67 Nina67
Le 10 déc. 2019 à 11:55

Bonjour, l'ampli Sony fonctionne en effet avec une impédance de 6 Ohms minimum. Quant à l'enceinte dont l'impédance est 4-8 Ohms, cela ne veut pas dire grand chose. L'impédance d'une enceinte est une valeur propre à l'enceinte, au même titre que son poids ou son volume. Il faudrait mesurer à l'ohmmètre pour mesurer la résistance électrique. Si elle est entre 2,5 et 4 Ohms, c'est une enceinte 4 Ohms, si on mesure entre 5 et 8 Ohms, il s'agit d'une enceinte 8 Ohms compatible avec l'ampli Sony (6 Ohms min.). Cordialement

Frasch.davis
Le 21 janv. 2020 à 21:47

Bonjour, j'ai une enceinte muse 1920 dj et j'ai voulu la modifier pour avoir plus de puissance Quand j'ai ouvert l'enceinte j'ai vu qu'il y avait un tweter de 4ohms et un haut-parleur de 3ohms Or jai acheter un filtre crossover de 4-8 ohms Sachant pas limpedence de l'amplificateur, jai acheter 2 focal de 4 ohms + un tweeter de 4 ohms et un haut-parleur de grave de 8ohms Le filtre me fais pas de soucis car il es de 4 à 8 ohms Mais la quand je pousse un peux plus le volume vers les 17 c'est comme si lampli diminue le volume Est ce que c'est possible une explication dois modifier les haut-parleur en 8 ohms ? Jai pas envie de faire griller lampli mais jailli que cest possible de modifier donc HELP Merci cordialement

nina67 Nina67
Le 23 janv. 2020 à 09:17

Bonjour, il faut connaitre l'impédance minimum que l'ampli peut supporter. Si l'ampli voit une surcharge en courant (impédance de l'enceinte trop faible), il peut se mettre en protection, limiter le volume sonore ou griller. En mettant les haut-parleurs en série , vous réglerez le problème. Cordialement

ENRICO93
Le 16 avr. 2020 à 20:19

bonsoir je voudrais réaliser un relais d'intensité avec réglage de déclenchement. merci à bientôt

nina67 Nina67
Le 18 avr. 2020 à 15:04

Bonjour, je ne peux rien vous proposer malheureusement. Cordialement

Laurent
Le 10 mai 2020 à 12:08

Bonjour, Pour un ampli class D en pont , L et C de chaque ampli avec une charge de 8ohms au total doivent etre a 22µH et 1µF si j ais bien compris ?

nina67 Nina67
Le 10 mai 2020 à 19:09

Bonjour, non, pour un ampli en pont, il faudra plutôt utiliser deux inductances (une pour chaque ampli) et deux condensateurs. Cordialement