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Les classes d'amplification
Amplificateurs
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Nous décrivons dans cet article les différentes classes d'amplificateurs, et plus particulièrement la classe D qui est souvent utilisée dans les amplificateurs surround et les appareils très compacts.
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Classe A


Classe B


Classe C

Le fonctionnement d'un transistor est décrit ici.

Un amplificateur se compose de composants actifs, actuellement il s'agit uniquement de transistors (souvent sous forme de circuits intégrés). Ce sont ces composants actifs qui amplifient le faible signal en provenance du lecteur de CD ou de la radio. Une radio fournit un signal de 50µW environ, qui doit être amplifié jusqu'à une puissance de 50W, soit une multiplication de la puissance d'un million de fois.

Un transistor (ou un circuit plus complexe) fonctionne selon une certaine classe, dépendant du mode de fonctionnement.

Classe A

La classe A est le mode de fonctionnement le plus courant. Le transistor amplifie le signal normalement, et le signal en sortie est plus puissant que celui à l'entrée.

Le mode a le moins bon rendement, puisque le transistor absorbe continuellement 50% de la puissance maximale (quelle que soit la puissance demandée à un moment donné). Le rendement maximal qui peut être obtenu est de 25%: 50% dissipé dans le transistor et 50% dissipé dans la charge, qui se compose d'une résistance et de l'utilisateur (voir schéma). La résistance et l'utilisateur utilisent chacun 50% de ce qui reste. Il y a donc au mieux 25% de l'énergie utilisée par le circuit qui est effectivement utilisée. La consommation électrique est élevée, quel que soit la puissance fournie.

Le rendement peut monter à 50% s'il n'y a pas de résistance de charge (la charge est par exemple une ampoule qui est modulée en amplitude ou un transfo qui alimente un haut parleur).

Le type de circuit est utilisé dans tous les étages de faible puissance, car il produit relativement peu de déformations. Pour obtenir un fonctionnement linéaire en classe A, il faut des circuits auxiliaires qui polarisent correctement l'entrée de l'étage amplificateur. Il y a une contre-réaction dans les circuits haute fidélité: elle réduit les déformations en réduisant l'amplification (il faut donc plus d'étages d'amplification).

Classe B

La classe B est un mode de fonctionnement où le transistor n'ampliffie que pendant une demi-période. Le transistor n'a pas de polarisation. Ce type de circuit n'est jamais utilisé tel quel, car il produit trop de distortions, ou bien il est utilisé dans des applications spécifiques où la déformation du signal ne joue aucun rôle (allumage d'une ampoule, commande d'un relais,...)

Classe C

La classe C est un mode de fonctionnement où le transistor ne fonctionne qu'un court moment pendant chaque période. Ce mode de fonctionnement est utilisé dans les circuits de sortie des émetteurs radio. Il faut nécessairement que le transistor soit suivi d'un circuit accordé pour éliminer les distortions. Le transistor donne en quelque sorte un coup de pouce au circuit accordé pour compenser les pertes (énergie émise par l'antenne).


Classe AB et mode push-pull

Classe AB

La classe AB qui se situe entre la classe A et la classe B ne peut permettre à elle seule de fournir un signal sans distortion. Par contre, quand on ajoute un second transistor, on peut s'arranger pour que le premier transistor fournit du signal pendant l'alternance positive et le second pendant l'alternance négative. Pour éviter les distortions pendant la relève, on polarise légèrement les transistors pour que l'un commence à amplifier alors que l'autre n'est pas encore à l'arrêt.

Ce type de circuit amplificateur est très souvent utilisé comme étage final pour commander les hauts parleurs. Le rendement peut atteindre 75%, ce qui veut dire que pour commander un haut parleur de 100W à sa puissance maximale, il y a environ 25W qui sont dissipés dans les transistors de puissance. Il faut utiliser des refroidisseurs pour empècher la surchauffe des transistors et il faut des circuits de compensation pour stabiliser le fonctionnement de l'ensemble.

De nombreux circuits intégrés spécifiques ont un étage de sortie de type push pull. Ces circuits sont utilisés dans de nombreuses applications: étage audio de puissance, commande de moteurs bi-directionnels, etc. Il y a pour chaque application et puissance demandée un circuit spécifique.


Classe G


Classe H

Classe G et H

Aux puissances faibles et moyennes, il y a une puissance relativement forte qui est dissipée en pure perte. Il s'agit du courant de repos de la classe AB (pour maintenir les transistors en conduction). Cette énergie qui se perd dépend de la tension d'alimentation: plus elle est élevée, et plus les pertes sont importantes (pour une configuration de circuit donnée). Pour les faibles puissances, il ne faut pas une tension d'alimentation si élevée.

Il existe plusieurs systèmes pour augmenter la tension d'alimentation selon les besoins. La classe G dispose d'un circuit qui va mesurer le signal à l'entrée et va augmenter la tension appliquée à l'amplificateur. Il peut soit s'agir d'une augmentation linéaire de la tension d'alimentation, soit une commutation entre deux tensions d'alimentation. La commutation agit sur les deux tensions à la fois pour éviter les imbalances.

Le passage à une tension plus élevée est commandé par un transistor qui connecte le transistor de puissance à une tension plus élevée. Le changement linéaire de la tension est produit par une alimentation à découpage, dont le fonctionnement à haute fréquence (fréquence plus élevée que la fréquence de sortie) permet relativement facilement ce genre d'opération.

Les caractéristiques de cette classe sont un réglage à priori (mesure du signal à l'entrée) et une modification symmétrique des deux tensions d'alimentation.

La classe H utilise continuellement deux tensions d'alimentation et c'est la construction de l'étage d'amplification même qui permet de passer d'une source d'alimentation à l'autre. Dans l'exemple donné, ce sont les transistors T1 et T3 qui composent l'étage push pull classique (classe AB). Il fonctionne normalement sous une tension de +40 et -40V. Quand le signal à produire s'approche de 40V, les transistors T2 et T4 sont alternativement mis en conduction pour augmenter la tension (ils fonctionnent en classe C). A pleine puissance, la plus grande partie de la puissance est dissipée dans ces deux transistors.


Principe de la classe H
La tension d'alimentation basse est généralement située entre la moitié et les deux tiers de la tension haute. Cela permet une distribution équitable de la puissance à dissiper.

La plupart des fabricants utilisent le terme classe G ou H de manière interchangeable (l'information technique n'est jamais arrivée au service commercial qui rédige le mode d'emploi). Certains utilisent une dénomination propre qui désigne une variante de ces classes de fonctionnement.

Limites de fonctionnement

Dans tous ces exemples d'étage final, il faut compter sur les limites de fonctionnement des transistors. Je ne parle ici pas des limites physiques des transistors (puissance, tension et courant maximaux), mais des limites imposées pour permettre un fonctionnement linéaire des transistors. Ces limites sont toujours d'application, mais se font plus sentir dans les étages finaux.

Il faut tout d'abord une polarisation de l'entrée des transistors de puissance pour les mettre en conduction. L'amplitude du signal en sortie est donc toujours plus faible que l'amplitude à l'entrée. On peut compenser ce défaut en utilisant une tension d'alimentation pour l'étage "driver" qui est un peu plus élevée que la tension d'alimentation de l'étage final.

Dans le montage utilisé dans les étages de puissance, la tension de sortie ne peut pas atteindre la tension d'alimentation (même avec un étage driver sur-alimenté). Plus la tension de sortie se rapproche de la tension d'alimentation, moins il y a de tension effective aux bornes du transistor, et moins celui-ci amplifie (fonctionnement en saturation).

Ces limites de fonctionnement font que le rendement calculé (25, 50 ou 75%) n'est jamais atteint en pratique.

Classe D

Nous notons l'apparition d'une classe D qui est une classe de fonctionnement purement numérique (tout ou rien). Les transistors servent uniquement d'interrupteur, connectant alternativement la sortie avec le positif et le négatif.

Le signal de sortie est évidemment très peu linéaire. Mais la commutation s'effectue à haute fréquence, et des circuits composés de self-inductions vont rendre le signal plus linéaire.


Exemple d'amplificateur classe D à 6 voies


Combien de puissance?

On utilise normalement une commande PWM (pulse width modulation = modulation de largeur d'impulsion). On utilise soit deux niveaux de commutation (haut-bas) soit trois niveaux de commutation pour les puissances plus élevées (alimentations symmétriques).

L'avantage principal de ce type de circuit est le rendement très élevé. Il y a donc peu de pertes, ce qui le rend idéal pour les appareils portatifs où l'énergie disponible est limitée et le bruit à produire élevé (boom-box). De nombreuses auto-radios sont actuellement équipées d'un étage de sortie en classe D, ce qui limite la dissipation de chaleur.

Les amplificateurs surround sont aussi souvent réalisés avec des étages de sortie en classe D car ils permettent un gain de place important (pas de dissipateur de chaleur nécessaire). On utilise souvent une alimentation à découpage (au lieu d'une alimentation linéaire à transfo), ce qui permet également un gain de poids et de place.

Les inconvénients sont la complexité accrue du circuit, la production de bruit électronique (qui peut gêner d'autres parties de l'appareil, par exemple le récepteur radio). Ce type d'amplificateur utilise souvent des composants qui réduisent la fiabilité de l'ensemble (condensateurs de sortie, self-inductions,...)

Le circuit à droite qui fait à peine 10cm de coté permet de commander 6 hauts parleurs. La puissance fournie est heu... Basons-nous sur la fiche technique de l'appareil.

Nous avons au minimum 70W par canal multiplié par 6, donc 420W au minimum (500W "typiques"). Pas mal pour un petit boût de plastique de 10cm de coté!

Et puis je lis le restant: consommation: 120W. Pas possible de fournir 420 ou 500W avec une consommation de 120W. J'ai nettoyé un des circuits intégrés utilisés pour lire le type et rechercher ses spécifications: il peut fournir 15W par canal (au total donc 90W, ce qui correspond à la consommation de l'ensemble), ce qui est toujours énorme pour un tel circuit.

Le circuit se compose (de bas en haut)

  • d'un modulateur qui van transformer le signal linéaire en signal numérique tout-ou-rien,
  • de trois circuits intégrés composés d'interrupteurs (chaque circuit a deux sorties distinctes)
  • de condensateurs pour éliminer la composante continue
  • de selfs et de condensateurs pour filtrer fortement le signal.
On utilise en fait le même circuit intégré dans une autoradio, mais pour disposer d'un peu plus de puissance, on utilise les deux sorties d'un circuit pour commander un seul haut parleur (BTL ou Balanced Tied Load ou Bridged Transformatorless Load).

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