La réalisation d’une alimentation à découpage de grande puissance sans aucun circuit intégré spécifique pour ampli audio est présentée ici. Un multimètre et un oscilloscope sont nécessaires, du moins pour la 1ère réalisation. La puissance moyenne de sortie est de 300 Watts, mais on peut dépasser temporairement (800 Watts pendant 2 secondes). L’alimentation à découpage s’adapte parfaitement pour un ampli audio de 2 x 250 W rms à 4 Ohms alimenté par +/-55 Volts par exemple.

Voici la réalisation de l’alimentation à découpage pour ampli audio

Réaliser une alimentation à découpage pour ampli audio

Le prototype d’alimentation a été réalisé sur un circuit imprimé bakélite :

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Prototype d’alimentation à découpage pour ampli audio (côté)

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Prototype d’alimentation à découpage pour ampli audio (autre côté)

Schéma de l’alimentation à découpage

Les explications détaillées de la conception figurent dans l’article :

/electronique/alimentation-a-decoupage-pour-ampli-audio-200w-a-500w

Ci dessous, le schéma de l’alimentation.

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Schéma de l’alimentation à découpage pour ampli audio

Composants de l’alimentation à découpage

Les principaux composants sont présentés ci dessous, avec le morceau de circuit imprimé nécessaire (21 x 4 cm).

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Composants de l’alimentation à découpage pour ampli audio

On reconnaît, de gauche à droite : fusible, condensateur X2, relais 48V, résistances, pont de diodes, condensateurs 200V, résistance 22kOhm/10W, hacheur (20N60C3), TL072, Zener 27V, inductance de mode commun utilisée en transfo d’impulsion, condensateur de liaison 1uF/250V en série avec le primaire, transfo récupéré d’alimentation de PC, condensateur Y 4,7nF, radiateur pour les hacheurs, condensateurs de sortie (1000uF/63V), diodes ultra rapides MUR1520, radiateur pour les diodes.

Isolation électrique de l’alimentation

Différentes isolations sont nécessaires pour le bon fonctionnement de l’alimentation (isolation fonctionnelle) et pour la sécurité de l’utilisateur du futur ampli (isolation principale ou renforcée).

Isolation fonctionnelle

Entre les pistes de la partie primaire, il peut y avoir 320V. Une distance entre pistes de 3mm est recommandée. En revanche, l’isolation à tenir entre les composants de l’oscillateur n’est que de 27V, aucune distance particulière n’est nécessaire pour le bloc oscillateur.

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Isolation de 2 à 3mm entre pistes de l’alimentation à découpage

Isolation pour la sécurité de l’ampli

C’est l’isolation entre primaire et secondaire qui est garantie par le transfo et le condensateur Y de 4.7nF (classe Y impérative pour la sécurité électrique).

Ce composant n’est pas indispensable mais améliore les émissions conduites (parasites liés au découpage). Il est à placer entre la masse de sortie et une entrée secteur (neutre ou phase).

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Condensateur Y de 4.7nF entre masse de sortie et neutre ou phase du secteur

Une distance de 6mm entre le primaire et le secondaire est à respecter.

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Distance d’isolation de 6mm minimum sous le transformateur

La masse de sortie doit être reliée à la terre pour avoir le même niveau de sécurité électrique qu’une alimentation de PC du commerce.

Si la masse n’est pas reliée à la terre, il n’y a qu’une isolation principale. A n’utiliser que pour les premières expérimentations.

Condensateur X2 de l’alimentation à découpage

Un condensateur X2 est placé avant le pont de diode. Il filtre les hautes fréquences (résidus du découpage) sur le secteur

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Condensateur X2 0.47uF et sa résistance de décharge (680k/0.5W)

Condensateurs de lissage primaire

Sur cette carte d’alimentation, le secteur redressé est lissé par 2 condensateurs 1200uF/200V en série. On aurait pu se contenter de 2x470uF ou 2x680uF.

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Condensateurs de lissage primaire

Transistors de l’alimentation à découpage

Le transistor d' »en haut » a son drain au potentiel fixe 320VDC. On peut le relier directement au radiateur sans mica ou silicone. Dans ce cas, le mica ou silicone de l’autre transistor voit toute la tension hachée.

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Montage des 20N60C3 (20.7A 650V) de l’alimentation à découpage

Le drain de celui de gauche est relié directement par un fil noir à la source de celui de droite : cela simplifie le routage.

Inductance de mode commun utilisée en transfo d’impulsion

C’est l’astuce fondamentale de cette alimentation. Voici un exemple d’inductance de mode commun 2x3mH utilisée :

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Inductance de mode commun (et condensateur de liaison 1uF/250V en 1er plan)

Transformateur de l’alimentation à découpage

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Bobinage typique d’un transfo d’alimentation à découpage de PC ATX

Primaire du transformateur ATX

Les 2 bornes du primaire ne jouent pas le même rôle : l’une doit être reliée au point froid (vers le condensateur 1uF/250V) et l’autre au point chaud (sortie « hachée » du demi pont).

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Condensateur de liaison 1uF/250V (et condensateur de lissage 1200uF/200V sur la gauche)

Lors du montage du transfo, laisser la possibilité de connecter les 2 bornes du primaire dans l’un ou l’autre sens.

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Choix des bornes pour connecter le primaire (fil rouge)

Seule l’expérimentation permettra de déterminer le bon sens pour un transfo inconnu. On peut aussi noter la connexion du transfo lorsqu’on le démonte d’une alimentation de PC (hors service… ou pas).

Secondaire du transformateur

6 bornes sont présentes au secondaire. On peut les isoler toutes entre elles (voir ci-dessus) sauf celles qui sont visiblement déjà reliées ensemble (observer le transfo) et laisser la possibilité de connecter la masse et la sortie alternative haute fréquence sur 2 bornes au choix en fonction de la tension de sortie souhaitée.

Diodes et condensateurs

Les diodes de sortie sont montées sur un petit radiateur. le boitier d’une MUR1520 correspond à sa cathode. Mieux vaut mettre 2x1000uF que 1x2200uF. 2 condensateurs de valeur moitié, placés en parallèle, présenteront une plus faible résistance série totale qu’un seul plus gros.

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Diodes MUR1520 montées sur radiateur et condensateurs 1000uF/63V

Une LED haute luminosité peut être placée, avec sa résistance série (15k / 1W par exemple), entre le +Vcc et -Vcc.

Test de l’alimentation à découpage : attention

Lorsque le circuit imprimé est entièrement monté, c’est l’instant crucial : le test. La tension de 320VDC, la tension hachée délivrée par le demi pont à transistor et le secteur 230V sont dangereux ! Les condensateurs 200V peuvent rester chargés plusieurs secondes. Il faut avoir à l’esprit que la partie primaire du circuit est directement connectée au secteur.

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Il faut connecter (dans un sens quelquonque pour commencer) le primaire du transfo. Le secondaire est ouvert.

1. Puissance réduite

Lors de la 1ère mise sous tension, il est très conseillé de mettre en série avec l’alimentation une résistance de forte valeur pour limiter le courant en cas d’erreur ou de court-circuit éventuel. Une ampoule à incandescence ou halogène 230V de 40W ou 60 Wattts fait très bien l’affaire.

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Ampoule halogène ou à incandescence en série avec l’appareil à protéger

Test OK : l’ampoule s’allume brièvement, s’éteint ou presque. La tension secteur redressée atteint 250VDC minimum. La tension de sortie est présente, mais un peu plus faible que souhaitée (-5% à -20%).

Test mauvais : l’ampoule s’allume fort et reste allumée. La tension secteur redressée est bien inférieure à 250VDC.

Dans ce cas, vérifier le sens de bobinage de l’inductance de mode commun et la commande des hacheurs. Vérifier le sens des diodes devant les grilles respectives, la tension d’alimentation aux bornes de l’oscillateur (valeur à mesurer : 20VDC à 27VDC). Vérifier la fréquence de l’oscillateur (valeur à mesurer : 25 kHz – 40 kHz) et l’état des hacheurs.

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Oscillateur de l’alimentation à découpage pour ampli

C’est un TL082 en boitier DIP8 mais monté en CMS. Les résistances sont aussi des CMS (taille 0805).

2. Détemination de la tension de sortie

On peut souhaiter +/-40V ou +/-55V par exemple. Toujours avec l’ampoule en série pour limiter le courant, choisir 2 bornes (au hasard) du secondaire et y mesurer la tension à l’oscilloscope : un signal créneau est présent, à la fréquence de découpage. Si on mesure un créneau qui alterne entre +40V et -40V, l’alimentation délivrera +/-40V (donc 80V entre +Vcc et -Vcc).

On fait de même si on souhaite une tension auxiliaire.

3. Test de l’alimentation à découpage

Si la tension de sortie est présente (on observe toujours une légère asymétrie comme +38V et -40V par exemple), on peut brancher l’alimentation directement sur le secteur.

Lorsqu’on branche l’alimentation, on entend le « clic » du relais 0.2 seconde environ après la mise sous tension. Si on n’entend pas de « clic », vérifier la tension sur la bobine du relais (on doit trouver au moins 70% de la tension nominale).

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Relais 48V utilisé pour l’alimentation à découpage

Si le relais commute bien, mesurer les tensions de sortie. Un écart de 5% entre +Vcc et -Vcc n’est pas signe de défaut, mais vient de la simplicité de la commande des MOS. Le rapport cyclique n’est pas exactement de 50%.

4. Mesure de puissance de l’alimentation à découpage

Brancher une résistance de 8 Ohms entre +Vcc et -Vcc. La puissance dissipée est entre 500W et 800W, donc la résistance doit être prévue pour. On peut associer un ensemble de résistances en série et parallèle

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Exemple de charge pour mesure de puissance

La charge ne doit pas rester plus de 5 secondes, sinon l’alimentation risque de surchauffer. Ce test n’est pas représentatif du tout de la sollicitation de l’alimentation dans un ampli audio. Dans un ampli audio qui débite sa puissance max dans des haut parleurs, la consommation de courant sera de l’ordre du tiers. Ceci est dû à la nature variable de la musique (puissance moyenne de l’ordre de 40% à 50% de la puissance crête) et à l’impédance moyenne du haut parleur qui est 2 à 3 fois plus élevée que 8 Ohms.

Débrancher la charge 8 Ohms : un arc électrique se produit, il faut débrancher franchement et rapidement, n’ayez pas peur. Au pire, couper l’alimentation du secteur !

On peut faire de même avec une charge de 4 Ohms si la tension de sortie ne dépasse pas +/-40V. La charge doit être branchée 2 secondes maximum, juste le temps de faire une mesure de la tension de sortie.

5. Résultats de mesure sur maquette d’alimentation

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Prototype de l’alimentation à découpage sous tension (observer la LED près du radiateur, sur la droite)

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Signal mesuré aux bornes de l’inductance de mode commun de l’alimentation à découpage

Puissance de sortie mesurée en sortie d’alimentation

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L’alimentation à découpage pour ampli peut délivrer 870 Watts pendant 2 secondes.

Réalisation d’un premier prototype d’alimentation

Un premier prototype a été réalisé avant la carte d’alimentation présentée. Il est plutôt laid, enfin, au goût de chacun :

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Prototype d’alimentation à découpage pour ampli audio

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Prototype d’alimentation à découpage pour ampli audio

Mot de la fin

L’alimentation à découpage pour ampli a été réalisée avec un demi-pont basé sur deux transistors 20N60C3 et un oscillateur basé sur un TL072. L’astuce repose ici sur une inductance de mode commun comme driver high side du demi-pont (translateur de niveau). On peut réaliser cette alimentation à découpage avec un IRS2153D plus simplement :

Alimentation à découpage grande puissance très simple avec IRS2153D