Entre le secteur (prise de courant !) et la fonction amplificatrice, il y a donc un élément majeur : la partie alimentation de cet appareil.
L’alimentation d’un ampli hifi ou sono est un élément essentiel.
Oui l'alim est primordiale et fait partie intégrante de la conception de l'amplificateur.
Elle est constituée d’un transformateur, un pont de diodes et deux condensateurs.
L’alimentation d’un ampli audio hifi ou sono possède généralement un transformateur, un pont de diodes et deux condensateurs.
Le plus visible, c'est le choix de filtrage (condensateur), selon les fabricants.
La tension primaire doit être 230 V (attention, danger avec la tension secteur !).
La tension secondaire est redressée par un pont de diodes (pont de Graetz) et lissée par des condensateurs.
Par exemple : un transfo de 24 V AC fournira une tension continue de 24 x 1,414 = 33,9 V.
La tension de seuil des diodes est négligée pour simplifier.
Lorsque du courant est consommé sur l’alimentation (aux bornes des condensateurs), la tension chute et l’ondulation augmente.
En pratique, elle doit être dimensionnée pour ne pas chuter de plus de 20 %.
La tension de sortie est proportionnelle à la tension du secteur.
Un dimensionnement plutôt minimaliste mais utilisé dans beaucoup d’amplis de sono du commerce figure ci dessous.
La tension d’alimentation continue symétrique est égale à la tension délivrée par le transfo multipliée par 1,414 (à deux tensions de seuil près).
Empiriquement, la valeur minimale semble 4700 uF.
C’est un compromis entre ondulation, encombrement et prix des condensateurs.
Les amplis de sono grand public utilisent souvent ce genre de valeur (3300 uF à 6800 uF).
On peut encore réduire la capacité mais au détriment d’une ondulation vraiment très importante (10 V et plus !).
En hifi, une valeur aussi petite que 4700 uF semble ridiculement faible.
tension que supportent les diodes en inverse : c’est la tension crête du transfo.
Pour un transfo 2 x 24 V, le pont de diodes reçoit 48 V et doit supporter au moins 48 x 1,414 = 68 V.
La puissance nominale du transfo peut être inférieure à la puissance totale RMS de l’ampli.
En effet, la puissance nominale d’un transfo est une puissance à respecter sur le long terme.
On peut largement dépasser (5 fois et plus !) la puissance du transfo pendant quelques secondes, à condition qu’il ait le temps de refroidir ensuite.
L’inertie thermique importante régule la température des bobinages.
C’est le pari que font les constructeurs d’amplis de sono grand public et professionnels.
De plus en plus d’amplis de sono sont équipés d’alimentations à découpage.
En sono, le transfo est sous dimensionné : sa puissance nominale ne vaut que 60 à 70 % de la puissance totale de l’ampli.
Les condensateurs sont souvent des 4700 uF, éventuellement davantage.
Le pont de diodes est dimensionné en fonction de la tension et du courant nominal du transfo.
Contrairement à une idée largement portée par le marketing, le plus n'est pas systématiquement le mieux.
Au-delà d'un optimum, les courants de charge deviennent tels que les redresseurs, même rapides,se mettent à devenir bruyants au moment des commutations.
Ces pics augmentent avec la demande de puissance de sorte qu'au repos, la surabondance de condensateurs de filtrage parait bénéfique, mais à mesure que le niveau sonore demandé augmente, les pics de commutation deviennent plus présents et interfèrent avec le signal utile à divers degrés suivant la conception de l'amplificateur.
Une solution simple et très rarement mise en oeuvre lorsque une très grosse réserve d'énergie est recherchée par l'emploi d'une batterie conséquente de condensateurs comme sur les illustrations, est de séparer le groupe de condensateurs en lignes par exemple, lignes alimentées par leur propre redresseur, et reliées au point de consommation via des diodes qui jouent le rôle d'isolateur anti-retour.
De cette manière, les appels de courant sont répartis entre les diverses lignes et la réserve d'énergie est celle du groupe de condos dans son entier.
Cette solution est préférable à la mise en parallèle de redresseurs, dans la mesure où il y en a toujours un qui s'amorce avant les autres ou se désamorce après les autres, et qui produit donc le pic de commutation (s'il est) redouté.
Les alims linéaires régulées étant pour la plupart fondées sur un système de contre-réaction, elles présentent selon moi les mêmes défauts que les amplis contre-réactionnés.
En tête de filtrage massif, elles peuvent être intéressantes en ce qu'elles isolent l'impédance du transformateur (qui sinon se trouve mise en parallèle 100 fois par seconde) du filtrage et n'affectent pas trop le circuit alimenté dans la mesure où elles en sont écrantées par la batterie de condensateurs.
Je n'ai pas beaucoup d'expérience des alims à découpage dans les amplis mais je dirais a priori que leur emploi se heurte à la bande passante des circuits, car il ne faut pas oublier que si la bande passante globale des amplis est (souvent volontairement) limitée, ses différents étages peuvent monter très haut, en particulier les étages d'entrée.
L'alimentation des amplificateurs opérationnels
L’amplificateur opérationnel, dont nous avons déjà parlé (notamment pour la conception d’une pédale de boost pour guitare) est un composant essentiel dans les circuits de nos pédales de guitares, au même titre que le transistor.
Il est normalement conçu pour fonctionner en alimentation double (ou bipolaire, ou symétrique), par exemple + 9V et -9V.
Cependant, et vous l’aurez remarqué tout du moins sur les pédales d’effet les plus récentes, celles-ci ne nécessitent qu’une seule pile 9 V.
On parle donc d’ampli op en alimentation simple.
Comment ceci est il possible ?
L’idée est d’appliquer une tension de polarisation au signal audio par l’intermédiaire d’un pont diviseur de tension.
Dans cet article, je vais donc expliquer le concept qui permet d’alimenter les amplificateurs opérationnels en alimentation simple.
C’est d’ailleurs le circuit que l’on retrouve dans la pédale de distorsion RAT.
Auparavant, afin d’introduire le concept nous verrons brièvement ce qu’est la structure d’un amplificateur en général.
Enfin nous verrons le montage de l’ampli op en alimentation simple et les précautions qu’il faut prendre au niveau du choix des composants pour réduire le bruit audio généré par ceux-ci.
J’ai représenté sur la figure suivante le principe de fonctionnement d’un montage amplificateur (qui peut inclure un transistor ou un amplificateur opérationnel).
Cette figure est inspirée de la ref [2].
L’idée est simple, on veut en sortie le signal d’entrée amplifié.
Pour que ceci soit possible, le montage est doté d’une alimentation qui est une source de tension continue.
Les signaux d’entrée et de sortie sont des signaux alternatifs, c’est-à-dire qui dépendent du temps.
L’amplificateur est dit linéaire si le signal s(t) est proportionnel à e(t), c’est-à-dire si le gain en amplification est constant quelque soit la fréquence.
Ici nous nous intéressons au cas où il y a une boucle de contre-réaction entre la sortie de l’ampli op et l’entrée inverseur par une résistance nommée R2 sur le schéma suivant.
Cette boucle permet de contrôler par des composants externes la valeur du gain en amplification, comme nous allons le voir dans les formules.
Notons que dans d’autre montages comme les comparateurs, la boucle de contre-réaction se fait sur l’entrée non inverseur, conduisant à un comportement différent de l’ampli op.
La différence entre montage non inverseur et inverseur se fait au niveau du signal d’entrée, selon qu’on le connecte sur l’entrée non inverseur ou l’entrée inverseur.
Alors pourquoi y a t’il ces deux types de montages, inverseur et non inverseur ?
En regardant l’expression du gain des deux montages, on va trouver des différences.
On voit que le simple ajout de deux résistances nous donne le contrôle sur la valeur du gain de l’ampli op.
le montage inverseur permet d’avoir un gain plus grand ou plus petit que 1.
Passons de côté un moment le signe moins.
Si on a par exemple R2=10 kohms et R1=1 kohms, G=10k/1k=10.
Par contre si R2=1 kohms et R1=10 kohms, G=1k/10k=0.1.
Dans le premier cas on a un amplificateur, dans le deuxième cas on a un atténuateur.
Dans le cas du montage non inverseur, il n’est pas possible d’atténuer, car le gain sera toujours supérieur à 1.
Au minimum on peut avoir un gain de 1, c’est à dire un signal ni amplifié, ni atténué (ce montage existe, il s’appelle montage suiveur et sert pour les adaptations d’impédance ou les buffers).
Le signe moins dans la valeur du gain du montage inverseur signifie que le signal en sortie est déphasé de 180º.
Cela peut avoir son importance en fonction de ce que l’on veut faire.
L’impédance d’entrée du montage non inverseur est très grande car elle correspond à l’impédance d’entrée de l’ampli op.
En revanche pour le montage inverseur, elle chute en raison de la présence de R1 entre le signal et l’entrée de l’ampli op.
Cela faisait un bout de temps que je cherchais des informations sur l’alimentation simple, et j’ai trouvé il y a peu un super article qui décrit les problèmes de bruit et d’instabilité que l’on peut rencontrer et comment y remédier [1].
Montage non inverseur d’un ampli op en alimentation simple.
Le circuit est un peu plus compliqué, mais pas tant que ça !
Remarquons que nous avons maintenant deux condensateurs CIN, COUT, C1 et Cd.
Ce dernier sert à filtrer le bruit de l’alimentation, c’est un condensateur de découplage.
Je vais revenir au cas de CIN et COUT dans un instant…
Le plus important est de voir que l’ampli op est branché maintenant entre +9 V et la masse c’est-à-dire 0 V.
Lorsque l’ampli op est alimenté entre +9 V et -9 V, l’ampli op sort une tension alternative centrée en 0 V qui peut valoir au plus +/- 9 V (l’ampli op ne peut donner plus que ce qu’il reçoit).
Par exemple si en entrée on a +/-10mV et si on a un gain de 10 en choisissant bien R1 et R2, en sortie on aura +/-100mV, le tout centré en 0 V.
Vous me suivez ?
En noir on voit un signal d’entrée qui a 10 mV d’amplitude.
Et en rouge, c’est le signal de sortie qui a 100 mV d’amplitude.
Il correspond au signal d’entrée multiplié par 10 (valeur que l’on a choisi pour cet exemple).
Les deux sinusoïdes sont centrées autour de l’axe horizontal (des abscisses).
Maintenant, si on alimente l’ampli op seulement en positif avec l’autre borne à la masse (0 V), l’ampli op ne pourra pas amplifier les signaux négatifs.
L’astuce réside alors à déplacer le potentiel du signal d’entrée entre 0 V et 9 V, au milieu.
Ainsi la sortie est portée elle aussi à 4,5 V et elle pourra amplifier l’alternance négative.
Les deux signaux ont la même amplitude (10 mV et 100 mV).
En revanche, ils oscillent autour de 4,5 V.
Cette technique permet donc avec une seule pile 9 V d’amplifier un signal avec un amplificateur opérationnel.
Par contre on passe en sortie à une amplitude maximale de 4,5 V au lieu de 9 V en alimentation double.
Et pour déplacer le signal d’entrée à 4,5 V, on utilise les résistances Ra et Rb qui forment ce qu’on appelle un pont diviseur de tension.
Au-dessus de Ra, la tension vaut 9 V, en dessous de Rb elle vaut 0 V.
Et au milieu elle vaut quelque chose entre 0 et 9 V qui dépend de Ra et Rb.
Intuitivement on peut comprendre que si Ra=Rb, ce potentiel sera à la moitié de 9 V soit 4,5 V.
En pratique, on fera cela en utilisant des résistances assez grandes pour ne pas pomper trop de courant à la batterie.
En entrée de l’ampli op on a donc 4,5 V, et en sortie aussi.
Mais on doit s’affranchir de cette tension constante en sortie de la pédale.
Pour la bloquer, on va utiliser un condensateur de liaison, appelé Cout sur le circuit.
Ainsi en sortie ne reste que le signal alternatif amplifié, donc les 100 mV de notre exemple mais centrés autour de 0V.
C1 permet de ne pas amplifier les basses fréquences.
En effet, un condensateur ne laisse pas passer les basses fréquences, par conséquent, tout se passe comme ci celles-ci voyaient une résistance R1 de résistance infinie.
Voilà pour le principe, simple en théorie : on élève la tension d’entrée d’une tension continue qui vaut la moitié de ce que donne la tension d’alimentation, ce qui permet au signal alternatif d’osciller entre les valeurs max 0 V et 9 V autour de 4,5 V.
Cependant, en faisant cela, c’est-à-dire en utilisant un pont diviseur de tension, on connecte l’alimentation et l’entrée de l’ampli op, ce qui n’est pas top car on va générer du bruit non négligeable dans le signal audio.
En effet, tout générateur de tension n’est pas parfait et peut montrer des variations de tension au cours du temps.
Mais la solution au niveau du circuit est de découpler le circuit de polarisation (le pont diviseur de tension Ra-Rb) de la source de tension.
Montage non inverseur de l’amplificateur opérationnel en alimentation simple stable.
J’ai enlevé le condensateur Cd pour des raisons de clarté.
Le condensateur C2 est un condensateur de découplage qui permet de restaurer la réjection de la tension d’alimentation.
RIN permet d’augmenter l’impédance d’entrée de l’amplificateur.
Le courant qui passe en RIN est très faible, par conséquent la tension à l’autre bornes de RIN est très proche de 4,5 V.
On peut également faire la même chose avec le montage inverseur.
On voit qu’il n’y a plus besoin de RIN ni de CIN, remplacés par R1 et C1.
Nous avons vu qu’un réseau de polarisation composé d’un pont diviseur de tension (Ra et Rb) permet d’utiliser l’ampli op en alimentation simple.
Cette manière de mettre l’entrée de l’ampli op à 4,5 V est la plus communément utilisée, car c’est la plus économique.
Il est cependant possible d’utiliser d’autres alternatives, en remplaçant une des résistances du pont diviseur de tension par une diode Zener, car celle-ci maintient une tension constante à ses bornes lorsqu’elle est polarisée en inverse.
Si on veut du 9 V, on peut utiliser les diodes Zener 1N4623 ou 1N4687.
Alimentation symétrique pour ampli audio
Deux diodes et deux condensateurs permettent de créer une alimentation symétrique pour un ampli audio.
Un pont de diodes utilisé en doubleur de tension permet de réaliser une alimentation symétrique pour ampli audio à partir d’une tension simple.
Les diodes doivent tenir 2 fois la tension d’alimentation (par exemple 160V pour une alimentation +/-80V à partir d’un transfo 1x56V).
L’astuce consiste à utiliser un gros pont de diodes où on associe en parallèle les diodes deux par deux en connectant les 2 entrées AC ensemble.
Le courant que doivent supporter les diodes se calcule à partir de la tension du transfo (56V x 10A = 560W par exemple).
Le pont de diodes doit supporter la tension et le courant maximum avec une certaine marge.
Il faut utiliser des condensateurs chimiques de valeur assez élevée puisque leur recharge se fait au rythme d’une période secteur (20ms) et non d’une demie période comme pour une alimentation pour ampli classique.
Si on ne souhaite pas doubler la valeur prévue, l’ondulation sera deux fois plus importante.
En termes de boitier, il existe deux grands types de ponts de diodes : les plats et les carrés.
Les ponts de diodes carrés supportent des courants de 15A à 35A.
Il est facile d’utiliser un transformateur avec un secondaire unique pour créer une alimentation symétrique d’un ampli audio.
Optimisation de l'alimentation pour une expérience d'écoute supérieure
L’alimentation électrique est un élément essentiel mais souvent sous-estimé dans une installation HiFi. Pourtant, son impact sur la qualité sonore est indéniable.
Une alimentation de mauvaise qualité, ça s’entend tout de suite en HiFi et ça se voit en audio-vidéo.
Un câble basique ou une alimentation instable peut générer du bruit parasite et affecter la restitution sonore.
Une meilleure alimentation se traduit immédiatement par une amélioration sonore.
On gagne en dynamique, chaque musicien trouve mieux sa place, la scène sonore est plus aérée.
À l’inverse, une mauvaise alimentation rend tout brouillon.
Il insiste également sur l’importance de la stabilité du courant pour éviter les variations de tension qui pourraient altérer la clarté sonore.
Quand tous nos composants travaillent dans les meilleures conditions, on obtient une restitution optimale, avec une meilleure séparation des instruments et une précision accrue.
Que ce soit pour un ampli, un DAC ou un lecteur réseau, optimiser l’alimentation électrique, c’est exploiter pleinement son matériel.
L’association d’un câble secteur de qualité avec un conditionneur est une solution efficace.
Ces conditionneurs protègent les appareils des surtensions et stabilisent le courant, ce qui évite les variations nuisibles à l’écoute.
Sur un PowerQuest 303, certaines prises sont spécifiquement dédiées aux appareils à forte consommation énergétique comme les amplis, tandis que d’autres sont conçues pour les sources numériques sensibles.
Certains modèles filtrent même les hautes fréquences des signaux 4K, ce qui est un vrai atout pour les installations audiovisuelles modernes.
En plus d’améliorer le rendu sonore, ces conditionneurs prolongent aussi la durée de vie des équipements en les protégeant contre les surtensions et les pics de tension.
De nombreux appareils HiFi, comme certains DACs et lecteurs réseau, utilisent des blocs d’alimentation externes génériques.
Les fabricants cherchent à réduire les coûts, donc ils fournissent souvent des alimentations standards, loin d’être idéales pour l’audio.
Le remplacer par un modèle filtré et stabilisé améliore immédiatement le rendu sonore.
Chez iFi Audio, les modèles comme l’iPower 2 offrent un courant propre et réduit les bruits parasites.
Certaines marques proposent des blocs d’alimentation linéaires dédiés à leurs produits.
Le PSU d’Innuos est conçu pour leur gamme de lecteurs réseau.
Il offre une puissance stable et sans bruit.
Chez des fabricants comme Auralic, les Vega S1 et Aries S1 sont conçus pour fonctionner avec des alimentations linéaires dédiées, ce qui permet d’isoler totalement l’alimentation des circuits de traitement audio.
En séparant les composants d’alimentation du reste du système, on obtient un signal parfaitement filtré et stabilisé.
Cette séparation évite toute interférence et permet aux appareils HiFi de fonctionner avec une efficacité maximale, pour une restitution sonore plus pure.
Que ce soit avec un conditionneur, un bon câble secteur ou un bloc d’alimentation linéaire, chaque amélioration apporte un gain sonore significatif.
Une bonne alimentation, c’est une garantie d’un son plus détaillé, plus précis et plus dynamique.
L'amplificateur : Un élément central du système Hi-Fi
L’amplificateur est l’un des éléments qui composent le système Hi-Fi, mais pas n’importe lequel.
Sans lui, impossible d’amplifier le signal issu du lecteur et de l’envoyer vers les enceintes.
En outre, il est indispensable pour gérer le volume et sélectionner la source (lecteur CD/DVD, platine vinyle, etc.).
Ce dispositif permet de rétablir et de restaurer la qualité sonore et sa puissance vers les enceintes.
Il est employé pour amplifier les sorties et les entrées sonores de la même manière.
Le but est d’avoir une puissance assez conséquente pour faire fonctionner un haut-parleur.
Il est important de préciser qu’un bon amplificateur ne dénature pas les sons.
Comment fonctionne un amplificateur ?
Un amplificateur fonctionne avec un rapport d’amplificateur constant.
Il s’agit d’une constance entre les signaux d’entrée et de sortie, appelée fonctionnement « à gain fixe ».
Le fonctionnement de l’amplificateur est relativement simple.
Il dispose de courants modulés, d’une alimentation chargée et d’un signal préamplifié.
Avec un dispositif d’alimentation, il est facile d’apporter à l’ampli un courant continu sous forme de tensions symétriques.
De plus, le niveau du signal d’entrée se doit d’être réglé par un ou plusieurs stades de pré-amplification.
Cela, afin d’éviter l’encombrement des amplificateurs.
Quelles sont les caractéristiques d’un amplificateur ?
Nombreux sont les amplificateurs que l’on trouve sur le marché.
Pour choisir son amplificateur sans se tromper, il importe de connaître toutes ses caractéristiques.
À savoir l’impédance, la puissance et l’alimentation.
L’impédance
Il s’agit de la « résistance » minimale sous laquelle l’amplificateur peut fonctionner.
Dans le domaine de la sonorisation, les amplificateurs de classe AB ou B démontrent une bonne efficacité et une bonne résolution sonore.
La puissance
La puissance des amplificateurs s’exprime en Watts RMS.
Cela permet d’indiquer la puissance qu’un amplificateur peut délivrer à long terme, sans aucune limitation de durée.
En Watts crête ou peak, il s’agit de la puissance instantanée sur courte durée.
D’ailleurs, la puissance ici se traduit sous une certaine charge telle que 8, 4 ou 2 ohms.
Le choix de l’enceinte
Savoir choisir son enceinte est primordial lorsque l’on décide d’acquérir un amplificateur.
Non seulement les enceintes doivent être de la même qualité que l’ampli, mais elles doivent également s’accorder en même temps.
Ces deux appareils doivent être conciliables pour offrir une meilleure qualité de son.
L’alimentation
Dans cette partie, il est question d’une alimentation à découpage et d’une alimentation par transformateur.
La première représente l’alimentation secteur qui permet de donner du dynamisme à l’amplificateur.
Elle possède peu de réserve d’énergie.
La deuxième présente l’importance du poids de l’alimentation ayant besoin d’un transformateur considérable et d’un système de régulation.
La qualité du son
Le signal sonore doit être de bonne qualité.
Pour cela, il est nécessaire de revoir le taux de distorsion harmonique (THD).
Ce taux permet de restituer le son.
À noter que plus le taux de distorsion harmonique augmente, plus le son sera dénaturé.
Il importe de vérifier la bande passante de l’amplificateur et le rapport signal/bruit.
Quels sont les différents types d’amplificateurs ?
Le choix des amplificateurs réside essentiellement dans la manière de les utiliser et des autres appareils qui composent le système Hi-Fi.
- Amplificateurs Hi-Fi
- Amplificateurs Audio/Vidéo Home Cinéma
- Amplificateurs de sonorisation
- Amplificateur audio de monitoring et pour casque
- Amplificateur 100 Volts
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