CHOUR - Amplificateur triphonique Classe D

Appareil : Amplificateur triphonique (v3) classe D (Echec total !)
Date : 2018-2020
Marque : personnelle
Puissance théorique (voir texte) : 2 x 150W (4 ohms), 1x300W (8 ohms)
Puissance souhaitée en utilisation : 2 x 70W (8 ohms), 1x150W maximum (8 ohms)
Coupure : 100Hz
Entrees : 4 haut niveau
Sorties : 2 médium-Aigu, 1 grave
Autres caractéristiques : Voir texte

Pour des détails concernant la triphonie (à ne pas confondre avec le 2.1), voir la page sur la réalisation d'un amplificateur triphonique en classe AB. La présente page décrit la réalisation d'un amplificateur similaire mais utilisant des modules en classe D. Elle est surtout l'occasion de présenter ces modules, l'amplificateur lui-même n'étant encore qu'à l'état de projet (et il risque de le rester un certain temps... Vous comprendrez pourquoi à la fin).

Génèse

Je souhaitais modifier l'amplificateur triphonique que j'avais réalisé il y a quelques années en substituant des modules Classe D aux modules en Classe AB que j'avais utilisés. Intérêt ? Gain de place et (intellectuellement), une meilleure cohérence entre la puissance délivrée par les modules pour les médium-aigus et le module dédié aux graves.

En Hifi, une grande partie de la puissance est absorbée par les sons graves. Il y a toutes sortes de raisons à cela, la plus importante étant liée à la physiologie : l'oreille humaine est moins sensible aux graves qu'aux médiums. Les compositeurs ont intuitivement compensé ce phénomène en augmentant (parfois artificiellement comme Prokofiev) les sons produits par les instruments graves (en augmentant leur nombre, en les faisant jouer plus fort lorsque cela est possible, etc.).

Par ailleurs, les haut-parleurs graves ont souvent un rendement moindre que les haut-parleurs médium ou aigus. Il faut compenser cette caractéristique en augmentant la puissance de l'amplification des sons graves (ou en diminuant celle des haut-parleurs aigus et médiums, ce que l'on fait le plus souvent au niveau des filtres ou via des atténuateurs sur des enceintes multivoies).

Donc, si vous faites un amplificateurs avec filtre actif, vous avez intérêt à prévoir un amplificateur plus musclé pour les graves.

Comme il s'agissait d'une transformation d'un amplificateur existant, il fallait que les modules classes D utilisés puissent se substituer facilement aux modules en classe AB, en particulier, pour leur alimentation. Il me fallait donc des modules acceptant 2x24V ou au pire, 1x48V en alternatif.

Par ailleurs, je souhaitais que les modules disposent d'une protection intégrée des haut-parleurs.

En 2018, on trouve un module qui répond parfaitement à ce cahier des charges. On le trouvait facilement sur e-bay ou Aliexpress en tapant les mots clés "2x170W class D Audio Amplifier Board AMP 8950". Ce module semble conçu par la société FX-Audio et a pour référence M-DIY 8950.

8950 ou TDA8950 est la référence d'un circuit NXP permettant de réaliser un amplificateur stéréo en classe D ayant les performances constructeur suivantes :

• 2×150W sous 4 Ω (VP = ±37V)
• 2×170W sous 4 Ω (VP = ±39V)
• 2×100W sous 6 Ω (VP = ±37V)
• 1×300W sous 8 ohms (V P = ±37V) en mode bridgé

Voici une vue de ce module dont les dimensions sont de l'ordre de 10cm par 10cm, le tout pour un prix de l'ordre dune vingtaine d'euros en 2018.

Dans mon cas, l'amplificateur est alimenté par une tension de 24V alternatif. Un module est dédié aux médium-aigus (en stéréo), l'autre aux graves en dessous de 100Hz (en mono). On a donc une puissance RMS de l'ordre de 2x76W sous 8 ohms pour les médiums-aigus et de l'ordre de 300W pour les graves. L'alimentation délivrant 300W, on se doute que la puissance totale de l'ampli ne pourra jamais être atteinte, ce qui n'a pas d'importance : l'utilisation que j'envisage serait plutôt 2x50W pour les médiums-aigus et 1x150W maximum pour les graves, à ajuster en fonction du rendement de l'enceinte grave.

Certains trouveront que c'est du gâchis mais pour ma part, je préfère des modules d'amplification largement dimensionnés plutôt qu'une utilisation aux limites de leurs caractéristiques.

La suite est dédiée à ce module, les explications sur la réalisation du reste de l'amplificateur se trouvant sur cette page.

Le module à base de TDA8950

Construction

La construction est très propre avec un circuit imprimé double face et une remarquable compacité ce qui est souhaitable pour un amplificateur classe D. Toutefois, je doute que la taille du radiateur soit suffisante pour une utilisation aux limites. Pour information, la température en fonctionnement à vide comme sous une puissance faible (quelques watt) est de l'ordre de 40°C

Un problème cependant : les trous pour le passage des vis sont très proches de la partie conductrice du circuit imprimé (en général, la masse). Du coup, si vous voulez isoler la masse du boitier, vous pouvez avoir un problème, ça m'est arrivé. Pour ce qui me concerne, j'ai remplacé les entretoise métallique par des entretoise en plastique.

Fonctionnalités

Le module comporte son propre redressement et filtrage. Il suffit donc de le brancher à un transformateur (dans mon cas, 2x24V) pour l'alimenter.

Les sorties sont protégées, tant par le module TDA8950 que par une détection de courant continu séparée. En cas de problème, un relais déconnecte les enceintes de la carte. A noter que ce relais ne se met en fonction que quelques secondes après la mise sous tension de la carte, ce qui permet également d'éliminer un éventuel "cloc" dans les enceintes.

Les entrées peuvent se faire en mode non-équilibré (mode non-balancé, cas habituel en HiFi, J3 sur l'image) ou en mode équilibré (mode balancé, cas habituel en sonorisation, J5 sur l'image).

Le circuit imprimé dispose d'une réservation permettant l'ajout d'une alimentation basse tension ±15V. Evidemment, aucune explication n'est disponible pour réaliser cette alimentation. Et de manière générale, on trouve peu de documentation sur cette carte.

J'ai pensé (dans un moment d'égarement) qu'il suffisait de mettre un 7815 et un 7915 plus quelques capas pour réaliser cette alimentation. Que nenni.

Le relevé du circuit laisse supposer l'utilisation de LM337 et LM317 (tant du fait du brochage que du fait du calcul des ponts de résistances câblées sur le circuit imprimées).

Pour information, le LM317 est U2 sur le circuit imprimé et le LM337 est U4.

Cette basse tension pourra alimenter un préamplificateur ou dans mon cas, le filtre actif et la sélection des entrées qui se fait par relais.

Les connexions se font à l'aide de borniers (sauf pour les entrées "ligne" qui disposent d'un petit connecteur (3 broches en mode non balancé, 4 broche en mode balancé).

A ce propos, rien n'est indiqué sur le fonctionnement en mode symétrique et asymétrique. Le relevé du schéma ci-dessous permet de comprendre comment il faut modifier la carte pour passer de l'un à l'autre.

Par défaut, le module est livré pour être utilisé en mode asymétrique. Ce sont R22 et R23 qui définissent ce mode. Si vous voulez l'utiliser en mode symétrique, il faut supprimer R22 et R23. Des straps (0 ohm) sur R16 et R17 permettent de bypasser le potentiomètre.

Précautions avant le branchement

Si pour vos expérimentations, vous souhaitez alimenter ce module à l'aide d'une alimentation de laboratoire, ne dépassez pas ±30V en continu sinon, vous risquez de détruire le régulateur basse tension 7812.

En effet, le circuit est prévu pour être alimenté en alternatif jusqu'à environ 28V. Pour produire la tension de 12V nécessaire à son fonctionnement, un redressement mono-alternance est réalisé sur la tension alternative d'entrée (D2 et D3 sur l'image). Le régulateur reçoit donc une tension moyenne (de 24V dans mon cas) et non pas la tension redressée en double alternance (de 35V dans mon cas).

Si vous alimentez le montage en continu à une tension supérieure à 30V (pour des tests paer exemple), le régulateur recevra cette tension et rendra l'âme puisque sa limite de fonctionnement est normalement de 30V.

Fonctionnement en mode bridgé

les vendeurs de ces cartes indiquent qu'il est possible de faire fonctionner cet amplificateur en mode bridgé. Mais plusieurs d'entre eux font suivre cette indication par "Can be convenient for BTL output, need very strong beginning ability, if you don't have a real master, please don't try this kind of connection". Je vous laisse traduire !

Tout cela n'indique pas comment faire fonctionner cette carte en mode bridgé. Voici comment j'ai mis en fonction le mode bridge avec entrée asymétrique.

• Le haut-parleur doit être branché entre R+ et L-.
• L'entrée se fait entre GND et L. R doit être mis à la masse.
• R25 et R24 doivent être stappées (0 ohms).

Ecoute subjective

Le son délivré par ce module est tout a fait correct. A vrai dire, je n'ai pas entendu de différences avec d'autres amplificateurs en classe AB. A noter toutefois un léger bruit de fond et parfois, sur un des modules, un sifflement à vide qui dépend de la position des câbles de sortie du haut-parleur.

Mesures

Les mesures ont été faites sans précautions particulières : amplificateur nu sur la paillasse, utilisation de câbles non blindés (sauf indication contraire). Les conditions sont les suivantes :

• Alimentation 2x24VAC
• Résistance pure de 8 ohms en sortie

Il y a quelques surprises. En premier lieu, la courbe ci-dessous représente le signal de sortie en l'absence d'entrée. On y voit un signal parasite de l'ordre de 2V crête à crête. Ce signal, à 325kHz environ, est l'image du signal triangulaire qui sert au découpage. Le moins que l'on puisse dire, c'est que le circuit rayonne beaucoup.

Evidemment, à l'écoute, on n'entend rien mais quand même... Lorsqu'on est habitué à un amplificateur en classe AB, on ne s'attend pas à trouver ce genre de signal parasite en sortie de l'amplificateur.

Voici maintenant un signal carré (1000Hz) injecté en entrée de l'amplificateur. J'ai utilisé la sortie 600ohms du générateur avec de simples fils de câblage. Le signal est très perturbé par le rayonnement de l'amplificateur.

Le même signal à la même fréquence mais injecté via un câble blindé depuis la sortie 50ohms du générateur. c'est moins pire.

Enfin, la mesure du temps de montée de l'amplificateur (signal bleu). On voit bien le signal à la fréquene de découpage qui module le signal BF. Sinon, le temps de montée est de l'ordre de 4µS à la moitié de la puissance maximum ce qui est plutôt bien.

La mesure de la distorsion (distortiomètre HP 334A, générateur BF Philips PM5145, oui, je sais, tout ça n'est plus tout jeune) donne des résultats décevants :

• 1000Hz, signal sinusoïdale, niveau d'entrée à 0dB, puissance avant écrêtage : 6%
• 10000Hz, signal sinusoïdale, niveau d'entrée à 0dB, puissance avant écrêtage : 4%

J'ai également fait une mesure à moyenne puissance (sinus à 1000Hz), le résultat a été plus mauvais ce qui est un peu surprenant. Pour mémoire, à ces puissances, on devrait plutôt mesurer une distorsion entre 0,01 et 0,1% selon les données du constructeur.

Comme je n'utilise pas le distortiomètre tous les jours, j'ai fait une mesure à pleine puissance dans les mêmes conditions sur un matériel du commerce (un amplificateur Yamaha RXE100 que j'avais sous la main) pour vérifier que je n'étais pas en train de faire une erreur de manipulation. Le résultat de la distorsion est de l'ordre de 0,1%. A mi puissance, la distorsion est à peine mesurable. Ce résultat est cohérent avec les caractéristiques de l'amplificateur "témoin".

La distorsion mesurée sur le module classe D est tout de même anormale. Je suppose que le distortiomètre est perturbé par les signaux parasites à la fréquence de découpage ce qui pourrait expliquer que la distortion mesurée est plus importante à faible puissance qu'à forte puissance : la valeur relative (constante) du signal parasite est moins peturbante à forte puissance qu'à faible puissance.

Ce problème de perturbation et de signal bruité par la fréquence de découpage semble assez courant. Il doit dépendre de la conception car il semble que tous les amplificateurs classe D n'aient pas ce problème même si, en glanant sur le net, j'ai pu me rendre compte que je n'étais pas le seul dans ce cas.

Si vous devez utiliser un tel module, il faudra prendre soin de blinder correctement l'ensemble. N'hésitez pas à torsader tous les fils qui peuvent l'être. Soignez les masses. utilisez du câble blindé pour les signaux faibles. Il est possible que mettre des ferrites aux endroits stratégiques limitent le risque de voir les câbles se transformer en antennes d'émission susceptibles de perturber votre environnement.

Si vous êtes arrivé jusqu'ici et que vous vous rappelez qu'au début, j'expliquais que j'hésitais à remplacer mes modules d'amplification en classe AB par ces modules en classe D, vous aurez compris pourquoi...

Réalisation

J'ai donc substitué mes modules classe AB (un stéréo, l'autre mono) de mon amplificateur triphonique par deux modules classe D de ce type. Un fonctionne en stéréo, l'autre en bridge. Du fait de la présence d'une alimentation intégrée +15V -15V, j'ai supprimé le transformateur basse tension qui alimentait le filtre actif et le sélecteur de voies. Je n'avais plus besoin non plus du module de redressement et filtrage pour l'amplificateur de grave monophonique. Le coffre s'est trouvé tout vide.

Je vous passe les détails. Malgré plusieurs mode de câblage, je n'ai pas pu éviter une ronflette très audible. Il est vrai que ce montage particulier est propre à créer des boucles de masse. Théoriquement, j'en ai tenu compte. Mais rien n'y a fait.

J'ai donc tout décâblé et je me suis retrouvé sans amplificateur !

Bref, échec total. Ca arrive... Et je n'ai pas de photos à vous montrer.

septembre 2018-février 2020