Rendement d'un ampli classe B ou AB

Le rendement d'un ampli classe B ou classe AB dépend énormément de sa façon de l'utiliser, sa valeur est donc tout sauf constante. Lorsqu'on ne demande aucune puissance de sortie, le rendement de l'ampli est nul alors qu'à puissance maximale, le meilleur rendement est atteint. Sa valeur théorique est connue et vaut 78,5% dans le meilleur des mondes avec des composants électroniques théoriques.

Cet article est illustré par un prototype d'ampli classe B (sans courant de repos). Les mesures sont faites sur ce prototype.

Les mesures faites ci dessous prennent en compte l'ampli complet : le transfo, le pont de diodes et le filtrage.

Mesures du rendement d'un ampli classe B

Le rendement est mesuré sur un prototype d'ampli classe B alimenté par un transformateur cubique. La valeur bien connue de 78.5% de rendement ne prend pas en compte les pertes dans le transformateur d'alimentation ni par le fait de l'ondulation de la tension d'alimentation (cycles de charge / décharge des condensateurs de filtrage).

Ampli classe B réalisé

L'ampli testé est réalisé de façon artisanale et repose sur des transistors Darlington TIP142 et TIP147 :

Ampli mono bridgé 300W à transistors Darlington TIP142 et TIP147

Ici, le rendement est défini comme le rapport entre la puissance de sortie efficace et la puissance apparente absorbée. Le but est ici de mettre en évidence qu'on est toujours loin des 78.5% en pratique.

Les condensateurs de filtrage sont des 10000 uF 50 V.

La réalisation est présentée en détail dans un article précédent sur Astuces Pratiques (schéma et réalisation "Ampli mono bridge"). Le fait que l'ampli soit bridgé ne change rien au rendement global : la puissance de sortie est double et que la dissipation dans les transistors est aussi double, en se répartissant sur chaque moitié de l'ampli. Le rendement est donc identique à un ampli simple.

L'alimentation se fait par un transfo cubique 2 x 30V 300 VA et donne +/-43 V continus environ à vide. A pleine puissance, la tension chute à +/-3 7V environ.

Mesures du rendement de l'ampli classe B

On mesure le rendement global de tout l'ampli, transformateur, redressement et filtrage compris.

La puissance de sortie est déterminée en mesurant la tension aux bornes de la charge de sortie (résistance de 8 Ohms) en appliquant la loi d'Ohm. La puissance efficace P vaut donc U²/R, U étant la valeur efficace mesurée au voltmètre et R la résistance égale à 8 Ohms.

Test et mesures de puissance et rendement de l'ampli mono bridgé 300 W

On voit la résistance de 8 Ohms formée d'une multitude de petites résistances montées en parallèle. Il faut un oscilloscope pour visualiser l'allure du signal et un ampèremètre True RMS (valeur efficace vraie) pour mesurer le courant absorbé sur le secteur.

La puissance apparente d'entrée est égale à la tension secteur mesurée (230 V environ) multipliée par le courant efficace mesurée avec un ampèremètre qui mesure la valeur efficace vraie ("True RMS"). Ce point est important parce que le courant absorbé n'est pas sinusoïdal à cause du redressement et du filtrage d'alimentation (pont de diodes et condensateurs). La fréquence du signal audio est de 1 kHz environ.

Ci dessous, les mesures du rendement global de l'ampli classe B complet :

Rendement de l'ampli classe B en fonction de la puissance de sortie

On constate que le rendement de l'ampli classe B ne cesse d'augmenter avec la puissance de sortie. A très faible puissance de sortie, le rendement est faible. Lorsque la puissance de sortie est nulle, il existe toujours une petite puissance consommée au repos (perte dans le transfo, étages d'entrée de l'ampli, voyant lumineux, etc). Le rendement est alors nul. Ceci est à comparer au rendement d'un moteur thermique qui fonctionne au ralenti : il consomme une petite quantité de carburant pour maintenir sa rotation mais il ne produit aucun effort mécanique (pour faire avancer la voiture). Au ralenti, un moteur thermique présente donc un rendement de 0% tout en consommant environ 0,5 à 1L par heure.

La puissance absorbée est certes faible, mais aucune puissance n'est restituée en sortie. C'est, d'un point de vue énergétique, une pure perte, comme un robinet qui fuit doucement, mais dont l'eau ne produit rien :

Comparaisons entre puissance absorbée au repos, moteur thermique au ralenti ou robinet qui fuit

Rendement : 0% ! La puissance apparente absorbée au repos vaut 18 VA.

Appliquons maintenant un signal à l'entrée de l'ampli. Plus la puissance de sortie augmente, plus la tension de sortie augmente et ainsi, plus la proportion de la tension d'alimentation qui va à la sortie est importante et moins la tension aux bornes du transistor de sortie est importante. A chaque instant, on peut considérer que le transistor de sortie est en série avec la charge. Le fait que l'ampli soit bridgé ne change rien au rendement global (tension de sortie double et deux transistors en série).

Lorsque la puissance maximale est atteinte (sans saturation), la tension de sortie crête frôle la tension d'alimentation : on est à la limite de la saturation. Le rendement théorique de l'ampli classe B se calcule alors en prenant en compte l'allure sinusoïdale de la tension de sortie sur une demi-période. Il s'agit d'un calcul d'intégrale mathématique (non présenté ici) lié à la fonction sinus et on obtient un rendement théorique de 0,785 (pi/4).

Si on souhaite amplifier un signal non sinus, le rendement théorique maximum de l'ampli classe B ne sera pas de 78.5%.

Cette rendement théorique de 78,5% est maintenant discuté et critiqué.

Rendement de 78,5% : une valeur bien connue

Le rendement d'un ampli classe B est de 78,5% lorsqu'il atteint sa puissance maximale, juste avant écrêtage. Ce calcul mathématique suppose une tension d'alimentation constante et définit le rendement comme le rapport entre la puissance de sortie et la puissance absorbée sur les alimentations continues +Vcc et -Vcc. Cela néglige les points suivants :

• pertes dans le transformateur et le pont de diodes
• ondulation réelle de la tension d'alimentation (qui est de plusieurs Volts) pour un ampli de quelques dizaines ou quelques centaines de Watts.

Cependant, le rendement de 78,5% est une valeur indépendante de la charge (impédance connectée en sortie de l'ampli vers la masse) et de la tension d'alimentation. Cette valeur ne dépend que de l'allure du signal à restituer (ici, un sinus).

Abordons maintenant un cas où le rendement dépasse les 78,5%...

Saturation de l'ampli classe B et rendement jusqu'à 100%

Au delà de la puissance maximale, si on continue d'augmenter le niveau d'entrée, l'ampli va saturer. Le sinus en sortie est écrêté et la puissance délivrée à la charge de sortie (résistance, haut-parleur) augmente encore. Un ampli de 300 W efficaces peut ainsi donner 350 ou 400 W lorsqu'il sature. En théorie, on peut arriver à exactement doubler la puissance sur un signal carré (sinus complètement saturé) et ainsi atteindre 600 W (pour un ampli de 300 W efficaces). ce facteur 2 est dû au calcul de la puissance moyenne en régime sinus.

Saturation et rendement de l'ampli qui tend vers 100%

Lorsque l'ampli sature, le rendement de l'ampli classe B augmente alors et dépasse les 78,5% théoriques parce que la tension de sortie n'est plus sinusoïdale. Lorsque le signal de sortie est saturé, le rendement théorique tend alors vers 100% : la tension aux bornes du transistor passant est nulle et ainsi la dissipation de puissance aussi. Mais cela ne présente aucun intérêt vu la distorsion du signal. Un ampli audio est destiné à restituer de la musique et non un signal carré.

Ecrêtage de la tension de sortie : rendement de l'ampli classe B de 78,5% à 100%

On voit ici l'allure des signaux écrêtés. Cela se produit lorsqu'on "met le son trop fort". Le rendement de l'ampli classe B dépasse alors 78,5% dans ce cas et les transistors de sortie chauffent moins (quasiment aucune tension à leurs bornes durant les plateaux d'écrêtage).

En revanche, le transformateur d'alimentation doit délivrer une puissance plus élevée et chauffera donc davantage ! Il n'y a aucun intérêt à mettre le son plus fort pour qu'un ampli chauffe moins. De plus, la musique est signal d'amplitude variable et l'échauffement de l'ampli reflétera une moyenne.

Nouvelle définition du rendement de l'ampli

Etant donné qu'on applique un signal sinus en entrée, on pourrait redéfinir le rendement de l'ampli comme limitant la puissance de sortie à la puissance contenue par le premier harmonique (le fondamental) contenu dans le signal de sortie.

Dans le cas d'un signal très écrêté, si on considère tous les harmoniques (tout le signal), le rendement tend vers 100%, mais si on limite au fondamental, ce n'est plus vrai. Il s'agit dans ce cas de déterminer la densité spectrale de puissance contenue dans le fondamental par rapport à tous les autres harmoniques.

De toutes façons, dans le cas de signaux écrêtés (et désagréables à écouter...), parler de rendement n'est plus très pertinent.

Cas particulier de l'ampli classe B : rendement 100%

Voici un cas très particulier pour faire réfléchir... Si le signal à amplifier est justement un signal carré, lorsqu'on l'amplifie et qu'on arrive à la limite de la saturation, la tension de sortie ne prendra que les valeurs extrêmes égales aux tension d'alimentation. Les transistors de sortie fonctionneront alors en tout ou rien et le rendement théorique sera de 100% pour un ampli classe B.

En pratique, la chute de tension aux bornes des transistors de sorties limitera le rendement quelque peu. Si par exemple, il reste 3V de chute de tension minimale, cela signifie que que pour une tension d'alimentation de +/-30V, la tension de sortie ne pourra jamais dépasser +27V et -27V.

La valeur bien connue de 78,5% pour un ampli classe B, égale à pi/4, n'est valable qu'à pleine puissance et seulement pour un signal sinus.

Amplis de classe B vs amplis de classe D

Peut-on réellement augmenter le rendement d'un ampli et faire qu'il chauffe moins ?

C'est ce que font les amplis classe D mais à haute fréquence (200 à 500 kHz souvent) et avec un filtrage LC passe bas adapté. Les transistors d'un ampli classe D fonctionnent en tout ou rien et ne présente que de très faibles dissipations. Ceci explique l'excellent rendement des amplis classe D dans la réalité (souvent supérieur à 90%). On peut donc réaliser des amplis classe D très puissants avec de petits radiateurs et donc un volume réduit. De plus, pour restituer une même puissance de sortie, ils consommeront un peu moins.

Exemple :

• un ampli de 100W classe B dissipe 40W et son rendement est de 71%. Pour produire 100W, l'ampli absorbe 140W.
• un ampli de 100W classe D dissipe 9W et son rendement est de 92%. Pour produire 100W, l'ampli absorbe 109W seulement.

Ceci est aussi utile dans des applications sur batterie où l'énergie électrique est précieuse.

Exemple de réalisations d'ampli classe D 4 x 250W avec alimentation à découpage

Le format de la réalisation (circuit imprimé 13 x 15 cm) est compact et ultra léger grâce au bon rendement de l'ampli et de l'alimentation. Peu de chaleur est donc à évacuer.

Pertes réelles d'un ampli classe AB ou B

En pratique ici, la puissance de sortie vaut 300 W efficaces (49 V efficaces sur 8 Ohms) et le rendement global est de 58% environ. Au delà de 49 V ou 50 V efficaces, le signal en sortie est ecrêté. Ceci s'explique par différentes raisons :

Tension de déchet

- tension de déchet aux bornes de l'étage de sortie. Il n'est pas possible d'obtenir une sinusoïdale en sortie dont l'amplitude vaut exactement la tension d'alimentation. Il manquera toujours 3V ou 4V par rapport à la tension d'alimentation. Si l'alimentation vaut +/-35V, la tension de sortie ne pourra pas dépasser +32V ou -32V instantantés environ. Les ampli op "rail to rail" offrent une bien meilleure performance sur ce point (meilleure excursion de la tension de sortie).

Pertes dans le transformateur

- pertes dans le transformateur et le pont de diodes. La résistance des bobinages primaire et secondaire conditionnent les pertes Joule dans le transfo à forte puissance de sortie. C'est pour cela que la tension d'alimentation chute lorsqu'on consomme du courant. L'inductance de fuite du transformateur contribue aussi à l'impédance série qui fera chuter la tension à forte puissance.

Ondulation

- ondulation de la tension d'alimentation (condensateurs). La tension d'alimentation fluctue avec une ondulation de fréquence 100Hz. En fonction de l'instant où la tension de sortie prend sa valeur crête, il se peut qu'elle soit limitée par la tension d'alimentation lorsqu'elle est au plus bas, juste avant la recharge du condensateur.

redressement

- perte dans le pont de diodes. La tension perdue aux borne de chaque diode du pont de diodes est de l'ordre de 1V pour un courant de 10A instantané environ.

Puissance déformante

- allure non sinusoïdale du courant absorbé. Comme on lit la valeur efficace vraie du courant consommé sur le secteur, les harmoniques de courant contribuent à faire augmenter la valeur mesurée mais ne fournissent pourtant aucun Watt utile. Il s'agit de la puissance déformante qui ne fait que chauffer davantage les lignes électriques et les bobinages du transformateur, dégradant ainsi le facteur de puissance.

Pour toutes ces raisons, on n'arrive qu'à un rendement de 58% environ au lieu de 78,5% théoriques sur le prototype d'ampli classe B présenté ici.

On pourrait augmenter le rendement en faisant saturer l'ampli mais cela n'a pas d'intérêt pour restituer de la musique.

Dissipation dans les transistors de puissance

La dissipation dans les transistors de puissance dépend énormément de la puissance de sortie demandée à l'ampli. Cette dissipation est théoriquement maximale lorsqu'on est à 62% (c'est mathématiquement 2/pi) de la puissance nominale maximale de l'ampli.

Quand l'ampli classe B est "à fond" en régime sinus, il chauffe moins. En pratique sur de la musique, c'est faux.

Intuitivement, les transistors sont en moyenne plus passants et présentent une tension moyenne plus faible à leur borne lorsque la tension de sortie est grande. On peut trouver des relevés faits sur un ampli audio intégré, le LM3886. La puissance dissipée passe par un maximum puis diminue lorsque la puissance de sortie approche la puissance maximale :

Dissipation de puissance dans l'ampli LM3886 en fonction de la puissance de sortie

Lorsque le LM3886 est à pleine puissance (sur signal sinus permanent), il chauffe donc un peu moins que lorsqu'il est à 60% de sa puissance. Mais avec de la musique, on balaye toute une zone de points de fonctionnement et plus la puissance moyenne est élevée (le son est fort), plus on parcourt la zone de dissipation maximale (le haut de la courbe). La dissipation moyenne a ainsi toutes chances d'être plus grande sur le long terme quand le son est à fond, c'est-à-dire que les crêtes musicales frôlent ou dépassent la puissance maximale du LM3886. Ceci est vrai pour les amplis de classe B ou AB de façon générale. Plus le son est fort, plus l'ampli chauffe sur de la musique, en moyenne.

Potentiomètres d'un ampli de sono à fond ?

Faut-il mettre le volume sur un ampli de sono à fond pour qu'il chauffe moins ? La réponse est non. Certaines personnes croient qu'il est judicieux de mettre les potentiomètres d'un ampli de sono à fond pour qu'il chauffe moins. Ceci est faux parce que la dissipation dans les transistors de sortie dépend de la puissance réelle et non d'une position d'un potentiomètre. La dissipation ne se fait qu'en fonction de la puissance réelle instantané et il est faux de croire que si le potentiomètre est à fond, le signal "passe mieux" !

Potentiomètre d'un ampli sono à fond : non, pas forcément !

La dissipation de chaleur dans l'ampli se localise dans les transistors de sortie qui pilotent le haut-parleur et non dans le potentiomètre dont la dissipation est infinitésimale (dosage du niveau de signal sur des impédances de plusieurs de dizaines de kOhms.

Si par exemple, on tourne le potentiomètre pour diminuer le niveau de signal mais que le niveau de signal est augmenté (volume augmenté sur la table de mixage par exemple), l'ampli se retrouvera dans la même situation exactement.

"A fond, l'ampli chauffe moins"... Au contraire, en moyenne, étant donné qu'il s'agit de musique, on constate plutôt que plus le son est fort, plus l'ampli chauffe. Ceci est absolument vrai pour le transformateur (plus la puissance de sortie est grande, plus le courant consommé est grand, plus le transformateur et le pont de diodes chauffent). Et ceci est aussi en moyenne vrai pour de la musique qui sollicite l'ampli à des puissances instantanées diverses, même si c'est vrai que la dissipation dans les transistors est légèrement plus faible à 100% de la puissance nominale qu'à 62%.

Ces théoriques n'ont plus aucun fondement lorsque l'ampli fonctionne en classe D et ne se vérifient pas en pratique pour un ampli classe B.

Rien ne sert donc de mettre les potentiomètres d'un ampli de sono à fond par principe.

Mot de la fin

La réalisation d'un ampli audio réel avec un transformateur d'alimentation, un redressement et un filtrage permettent de montrer les différentes causes de pertes dans l'ampli. Le rendement est d'autant meilleur que la puissance de sortie est plus importante, mais il est faux de croire qu'il faut toujours, pour cette raison, mettre les potentiomètres d'un ampli de sono à fond. En effet, la musique n'est pas un signal stationnaire constant mais sollicite l'ampli à des niveaux instantanés très variables et en moyenne, globalement, plus le son est fort, plus l'ampli chauffera.