Maiar - partie 1.1, dimensionnement (principes généraux, enceintes et point d'écoute)
- Dimensionnement
- Cadre général : puissance de sortie, courant de sortie, sensibilité, impédance.
- Puissance dissipée et tension d'alimentation : formulaire classe B
- Puissance dissipée et tension d'alimentation : formulaire classe AB
- Gabarit pour la tension d'alimentation, répartition de la marge, impédances parasites
- Schéma de base et paramêtres d'un ampli op (article à venir...)
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Il y a quelques années, j'avais démarré la conception et la réalisation d'un ampli hifi/home cinéma 5 canaux. Suite aux travaux dans la maison et tout le reste, le projet se retrouva suspendu, avec des prototypes +/- avancés adossés à un bon paquet de notes jamais partagées. Bouuuuuuuh!...
Poum, vient de tomber un concours de circonstances qui fait souffler la vieille poussiere raviver la braise. 😅
Pour les schémas, vu de loin, l'habitué ne trouvera probablement rien de transcendant. Moyennnant quoi, comme on dit, arbre, forêt, écologie systémique, tout ça... 😁
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Principe
Au cœur de l'amplification, on va utiliser un circuit intégré audio 70W classe AB, qui fonctionne essentiellement comme un ampli op. Bah oui, quoi! La tres grande majorité des amplis audio classe AB en composants discrets reproduisent +/- les divers étages et compoensations internes des AOPs. Dès lors qu'il existe des circuits audio qui font d'emblée exactement ce job, et le font correctement, je ne vois pas grand intérêt à réinventer la poudre!
La référence du circuit sera donnée plus tard, afin qu'on se concentre sur les principes généraux. Y'a pas le feu, et ca n'empeche pas de piocher des vrais chiffres ou résultats pour illustrer la démarche.
La plage de fréquence qu’on souhaite chouchouter est classiquement 20 à 20kHz.
- Ouaaaaah, quel scoop!
Tchsittt! on se concentre siouplait 😁
- La puissance max effectivement visée sera à concurrence entre la puissance admissible par le circuit, et les puissances admissible des enceintes.
- Sachant l’impédance des enceintes à piloter, cela donnera accès aux limites de la tension d’alimentation, ainsi qu'au courant max par module d'amplification.
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Dans le système complet, le volume des enceintes est censé être réglé de façon à produire le même niveau sonore au point d'écoute. Et les enceintes n’ont pas toutes le même rendement. L'enceinte de plus faible impédance minimale servira de point de départ pour appréhender le niveau sonore a atteindre par les autres enceintes pour que le volume des canaux soit homogène.
- Cela se traduit par des puissances & courants nominaux et max correspondants par canal. On vérifiera au passage que l’objectif initial de puissance max n’est pas dépassé pour l'enceinte servant de point de départ.
- Le cumul de ces courants par canal donnera l’objectif de courant total nominal et max que l'alimentation devra fournir globalement.
- On peut ensuite se définir une enceinte de référence fictive, dont l'impédance min et la sensibilité sont calés sur l'enceinte ayant servi de point de départ, et dont l'impédance nominale est calée sur le courant nominal moyen. Cela facilitera par exemple l'étude des niveaux de bruits.
Le constructeur du circuit d’amplification audio a spécifié une plage pour le gain.
- Pour réduire la sensibilité aux bruits de l’amplification audio, le gain global de l’amplification doit être minimisé. Il ne faut pas pour autant dépasser le gain minimal préconisé par le constructeur (10 à 24dB), sinon le circuit peut devenir instable (au mieux, ça chauffe, au pire ça crame!).
- Dans une version précégdente du projet, le gain était ajustable de 2dB, afin de d’égaliser les volumes sonores dans l'ampli plutot que le préampli. Cette idée a été abandonnée :
- gain de place sur le circuit imprimé,
- tracé du circuit imprimé plus compact et plus facile,
- le gain ajustable permet -au mieux- de gagner 2dB de rapport signal sur bruit. Bof...
- Une fois le gain nominal de l’amplification figé, et connaissant la tension de sortie max pour la référence, cela permettra de calculer la sensibilité du module d’amplification. Il y aura alors lieu de vérifier qu'elle est adéquate.
Au besoin, on pourra mettre du gain dans l'étage d'entrée situé avant module d’amplification. Car oui, il est prévu un étage d'entrée 😉 - Moyennant un peu de décorticage des datasheets, et quelques caractérisations (à faire, ou obligeamment partagées par de rares “chevelus”), la connaissance du gain retenu permettra d’appréhender :
- la plage intéressante pour l’impédance d’entrée et l’impédance de la rétroaction,
- la marge disponible pour le bruit propre,
- le budget a priori pour le bruit d’alim et son découplage,
- les considérations de réjection de bruit hors bande utile, et de stabilité à puissance normale ainsi qu'à puissance max.
Les abaques et valeurs qu'on retirera de tout cela pourront servir par la suite pour l'étude du stress des composants.
Par ailleurs, il nous faudra aussi dimensionner la dissipation de chaleur. Pour l’amplification proprement dite, en classe B et AB, le pire cas n’est d’ailleurs pas la puissance max en sortie.
Il y a bien sûr d’autres considérations, dimensionnantes d’entrée de jeu ou pas du tout :
- la sécurité des personnes
- la variabilité de la tension secteur (+/-10%!)
- la compatibilité électromagnétique (entrées/sorties, réseau secteur, rayonnement)
- la protection des enceintes, de l’ampli (dont la considération des modes de faute des composants dans les chemins critiques de l’électronique)
- les longueurs/sections caractéristiques du cablage interne et sur les circuits imprimés
- la possibilité de “couper” manuellement les modules d’amplification de la centrale et des arrières, pour une qualité maximale en mode hifi = frontales seules
- l’intégration mécanique
- les gadgets envisagés :
- ampli pour casque filaire (bon, ça, je vais probablement mettre un mouchoir dessus...)
- vu-mètres
- allumage/extinction pilotable par le préampli
- ventilateur thermorégulé si le besoin s’en fait sentir, etc.
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A partir des enceintes et du point d'écoute
Le niveau sonore d’une enceinte est fonction de la "puissance fournie à impédance nominale".
En vrai, la courbe réelle de l’impédance d’une enceinte selon la fréquence est assez tourmentée. Elle présente toujours des pics de résonance à certaines fréquences, qui montent généralement bien au-delà du double de l’impédance nominale.
La sensibilité SPL0 d’une enceinte selon la fréquence est proportionellement beaaauucoup plus plate. Elle est donnée en niveau acoustique (dBc) pour 2.83V à 1m. Il faut comprendre ici qu’une enceinte moderne pilotée par un ampli moderne est concrètement pilotée par une tension, et non en puissance.
Oookay... Mais tension crête ou tension efficace? La définition de départ pointe la réponse : tension efficace..
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En champ libre, une enceinte rayonne sur 2π stéradians (demi-sphère), sans résonance ni anti-résonance. L'affaiblissement acoustique est alors en 20 log(d). Dans une pièce d'écoute, l'affaiblissement est plutôt de l'ordre de 10 log(d). Ca nous fait un niveau sonore au point d'écoute :
SPL(Vs_eff,d) ~ SPL0 + 20.log(Vs_eff/2.83V) – 10.log(d) = SPL1 + 20.log(Vs_eff/2.83V)
Comme dit précédemment, dans un système audio, le volume sonore des diverses enceintes devra être égalisé au point d'écoute. Pour que 2 enceintes apportent le même niveau acoustique au point d'écoute, il faut :
SPL1+20.log(Vs_eff) = SPL1' + 20.log(Vs_eff')
Pour y arriver, leurs tensions respectives doivent donc vérifier :
Vs_eff' = Vs_eff / 10(SPL1'-SPL1)/20
Yapluka dérouler la pelotte...
- On part du facteur limitant :
- l’enceinte la plus faible en puissance Pmax, qui se trouve correspondre ici avec la puissance maximale supportable par le circuit intégré audio visé.
- l’impédance Zmin la plus basse, dont l’enceinte correspondante va nous servir de point de départ
- On en tire la tension efficace maximale de l’enceinte de référence Vsmax(référence).
- Par ailleurs, on calcule la sensibilité de chaque enceinte au point d’écoute pilotée par 1Veff, soit SPL1.
On retient en particulier la valeur pour l’enceinte de référence.- Cela nous permet de prévoir l’ajustement de volume qui sera nécessaire pour obtenir le meme niveau sonore pour chaque enceinte au point découte : δVs/Vsref
- SPL1(référence) nous servira plus tard pour dimensionner la limite acceptable pour les bruits
- On en déduit les tensions efficaces maximales Vsmax que verront les autres enceintes après égalisation du volume de chacune.
- Puis les puissances et courants nominaux et maximaux en charge (Psnom, Isnom, Psmax, Ismax). Le courant maxi de l'enceinte de référence Ismax(référence) dénote le maximum déilivrable par un module d’amplification isolé. On vérifie au passage que les puissances/courants max des modules ampli et enceintes ne seront pas dépassés.
- On en déduit les courants nominaux et maximaux Isnom(ampli) et Ismax(ampli) que l'alimentation devra supporter. Au passage, on calcule les puissances nominales et max de l'ampli, qu'on n'exploitera en pratique que si la
conception oblige à réduire la voilure vis à vis de l'objectif général de 5x70W. - Et enfin, on détermine l'impédance nominale Znom(ampli) supportée par l'ampli complet.
Enceinte |
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Voilà...
S'il n'y a pas de quoi sonoriser un cinéma, on est quand même sur des courants forts!
Cela appelle au sérieux dans la conception, le prototypage et la réalisation, avec toutes les précautions nécessaires...
Au passage, il y a lieu d'envisager un partitionnement pour l'alimentation, en 2 (hifi & hc ou gauches & centrale+droites).
Prochaine étape du dimensionnement : puissance dissipée par l'amplification, et établissement d'un gabarit pour la tension d'alimentation. 😎