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Réalisation d'un amplificateur classe A de 20 watts
2. Construction
Jean Hiraga
(l’Audiophile No. 11)
La première partie de l'article sur cet ampli est présentée dans le chapitre précédent. A l'heure actuelle il est difficile de trouver des schémas d'amplificateurs en classe A de haute qualité, de plus, le circuit décrit offre de nombreux atouts, en particulier une grande simplicité de réalisation. Que le lecteur se rassure, nous allons décrire dans cet article les divers aspects de la construction en abordant les composants passifs à utiliser, les radiateurs, l'alimentation, et le châssis.
Pour la petite histoire...
Avant de rentrer dans le vif du sujet, nous vous devions de préciser que le circuit décrit (fig. 8 chapitre 13) n'est pas en réalité un circuit complètement original. Il s’agit d'une amélioration d'un circuit datant de près de deux ans, et commercialisé en kit sous licence au Japon. Cet amplificateur a rencontré un très grand succès pour son prix de revient, sa facilité de montage et ses dimensions réduites. Pour les lecteurs français, nous avons apporté quelques perfectionnement au schéma original. Celui-ci est caractérisé par une alimentation symétrique de tension légèrement plus élevée : +/-25 V et l'emploi de transistors complémentaires différents. En fait, la valeur de la tension n'est pas très critique puisqu'elle peut varier, pour ce schéma, entre 19 et 26V, sans modification. Pour ce qui est des transistors, le schéma original (fig. 1) emploie la paire complémentaire 2SA539/2SC815 proche de celle retenue dans notre réalisation, 2SA872A/2SC1775A (page de garde). Cette dernière, plus récente, est cependant plus performante sur les paramètres de bruit, Cob et Ft. Par ailleurs, la tension d'alimentation plus élevée offre un léger surcroît de puissance, entre 20 et 21 W sans distorsion, alors que le circuit amélioré est limité à 18 W dans ces conditions, 20 W au maximum à la limite de l'écrêtage, cela à cause de la diminution de l’alimentation à + et – 18 V. Cette diminution présente sur de nombreux autres critères bien des avantages, c’est pour cela que nous l’avons retenue.
Fig. 1 : Version non modifiée du circuit.
Possibilité d'évolution du circuit
Le schéma amélioré peut être modifié de telle sorte que la classe de fonctionnement glisse du mode A au mode AB. La modification est simple et ne porte que sur les résistances de 12 kohm, lesquelles sont remplacées par des valeurs supérieures. La puissance disponible est ainsi largement doublée, la tension d'alimentation devant toutefois être augmentée.
Toutefois, dans le cas d'utilisation d'enceintes à rendement relativement bon (réalisations Y. Neveu et J. Mahul) l'amplificateur tel qu'il est décrit suffit à bien des systèmes destinés à la reproduction en appartement, le niveau sonore disponible peut en fait être très élevé.
Toutefois, le schéma peut évoluer en ce qui concerne la puissance. Le circuit de base n'est pas remis en cause, les changements portent sur l'alimentation, les radiateurs et les transistors. La technologie des semiconducteurs à effet de champ verticaux, V FET de puissance, permet d'obtenir en pure classe A prés de 60 W. La figure 2 montre les modifications à apporter ; on remarquera que le module de base, le circuit imprimé, reste inchangé.
Fig. 2 : Version modifiée, classe A, 60 watts, utilisant en sortie les transistors à structure V-Fet.
L'obtention de puissance plus élevée passe naturellement par le choix d'autres transistors de puissance, tels que les V FET, R.E.T. (Ring Emitter Transistor) MOS FET, VMOS FET, et bipolaires. Il faut noter que la mise en parallèle sur t'étage de sortie n'est pas possible dans le cas où l'étage précédent n'a pas lui-même une structure parallèle. En effet, dans le montage particulier de l'étage de sortie, Darlington inversé, le transistor d'attaque et le transistor de sortie ne constituent, du point de vue fonctionnement, qu'un seul transistor. Toutefois, un étage de sortie constitué par la mise en parallèle des transistors de puissance limite les performances en matière de bande passante, distorsion, par rapport à un étage constitué par un seul transistor à Pc élevé et convenablement choisi. Dans tous tes cas, l'augmentation de la puissance de sortie s'accompagne d'un accroissement de la capacité Cob, laquelle est déjà suffisamment importante pour limiter les performances.
Cela peut paraître en contradiction avec de nombreux circuits «commerciaux». Il faut bien voir qu'au niveau de la production de série, les considérations économiques sont nécessairement prises en compte. Sur les catalogues des fabricants américains en particulier, il existe des transistors de puissance très élevée, à Pc de plus de 350 W, disponibles en paires complémentaires. Malgré cela, dans la réalisation des amplificateurs de forte puissance, on préfère employer les montages parallèles de transistors à prix de revient très inférieur. Les constructeurs peuvent dire ce qu'ils veulent, mais les paires complémentaires parfaites n'existent pas encore en transistor de puissance en particulier. L'utilisation de montage parallèle conduit inévitablement à placer les transistors de puissance en divers points du radiateur. Aussi, les moindres variations de température dispersent aussitôt les paires, a priori parfaites, et perturbent inévitablement le fonctionnement de l'amplificateur. C'est pourquoi nous attendons avant de publier la description d'un amplificateur de forte puissance et de haute qualité. Les progrès de la physique du solide et des semiconducteurs en particulier, sont si rapides que nous sommes persuadés que d'ici un an, on pourra trouver dans les séries MOS FET et VMOS FET de puissance, des transistors tels qu'il sera possible de concevoir un amplificateur de classe A de 100 W n'utilisant que quatre transistors en tout et pour tout. Car n’oublions pas que la simplicité est un critère décisif. A quand l’ensemble prépréampli/préampli/ample n’utilisant que cinq ou six étages au total ?
Circuit imprimé
La figure 3 représente le circuit imprimé de la version non modifiée. En figure 4, on trouve la version améliorée, circuit imprimé, implantation des composants. Le circuit est réalisé en verre époxy dont les pistes conductrices ont une épaisseur de 70 microns. Celles-ci sont argentées. L'ensemble après soudure n est pas recouvert de vernis.
La largeur des pistes imprimées tait souvent l'objet de discussion. Il faut bien voir que si la résistance linéique des pistes était nulle, la meilleure solution serait d'utiliser des pistes de très faible largeur, plutôt que des bandes plus larges apportant des capacités parasites plus élevées. Les mêmes constatations s'imposent pour les circuits de masse.
Comme pour les circuits de préamplificateurs, qu'ils soient à tubes ou à transistors, la réalisation d'un amplificateur doit respecter les conditions suivantes :
- Liaisons courtes
- Entrée éloignée de la sortie
- Distribution des courants pour tes différentes sections du circuit à partir d'un point donné, l'alimentation par exemple. Cette distribution se fera de préférence par les pistes séparées lorsque cela est possible, sinon il faudra avoir recours à des pistes d'épaisseur de 70 à 120 microns ou encore, souder sur le circuit un fil de cuivre de 1 mm^2 de diamètre
- Utilisation du verre époxy (la différence de prix pour des circuits de petite surface est très peu importante)
- Longueur des pistes équivalentes dans le cas d'un circuit symétrique.
Ces quelques aspects de détails peuvent contribuer dans une large part aux qualités subjectives. Il ne faut pas oublier non plus qu'un circuit imprimé n'est pas une amélioration par rapport à un montage en l'air, c'est simplement un gain énorme en pratique. Toutefois, les dégradations sont toujours plus importantes dans le cas d'un circuit imprimé. C’est ainsi que pour quelques «fameux appareils» des améliorations sensibles ont été observées par le simple tait de doubler certaines pistes imprimées par un fit de cuivre. Naturellement, ces considérations ne sont que d'ordre subjectif, car les moyens d'investigations et d'analyse dont nous disposons à l'heure actuelle ne sont pas suffisamment «fins» pour expliquer de telles influences.
Fig. 3 : Version non modifiée, implantation des composants.
Fig. 4 Circuit imprimé, version modifiée, vu de dos, côté soudures, et vu également côté composants (circuit imprimé vu en transparence). Echelle 1.
Suivant la même idée, les bornes de sortie haut-parleur (figure 5) retenues offrent d'excellentes caractéristiques. Elles sont constituées, pour la partie conductrice, de cuivre pur fondu sous vide, dénommé «non oxygéné», avec dorure directe. Elles ont été conçues pour être adaptées à des câbles de fortes sections, jusqu'à 3,2 mm^2.
Châssis
La conception du châssis dans un amplificateur en classe A passe inévitablement par l'implantation des radiateurs. Nous avions indiqué dans la première partie une solution possible. Si celle-ci est satisfaisante du point de vue thermique, elle ne l'est pas tellement du point de vue esthétique. Sur la base d'un rack 19", on peut placer les deux ou quatre radiateurs, version mono ou stéréo, en ligne sur la face arrière. Au-dessous de ces radiateurs pourront être implantées les entrées et les sorties avec, pour petit inconvénient l'accessibilité. Il y a, bien entendu, la solution de placer les radiateurs à l'intérieur du rack. Mais cela est relativement critique, compte tenu de la grande dissipation thermique inhérente au fonctionnement en classe A. Si, malgré tout, cette solution est retenue, on choisira pour le dessus et le fond, une grille ou un panneau très aéré.
Profitons de cet article pour examiner les diverses dispositions rencontrées dans les amplificateurs de ce genre.
a. A l'intérieur du châssis : ou bien les radiateurs sont de dimensions importantes, ou bien l'utilisation d'un ventilateur s'avère nécessaire, sinon la température à l'intérieur du châssis devient très vite très importante et provoque l'échauffement de composants qui s'en accommodent souvent très mal : condensateurs électrochimiques en premier lieu, transformateur d'alimentation, circuits imprimés comportant les étages d'attaque et d'entrée.
b. Sur le dos du châssis : la ventilation est meilleure mais la surface est généralement réduite aux dimensions du coffret. Par ailleurs, cette implantation limite l'accessibilité des entrées et des sorties.
c. Sur l'avant, c'est une solution très originale qui procure une bonne ventilation. De plus, même placé dans un endroit mal aéré, la face avant se trouve en général dégagée.
d. Sur les côtés, la puissance est limitée à 30 W en classe A pour un appareil stéréo. Pour des puissances supérieures, il faut avoir recours à d'autres solutions.
e. Sur les côtés et sur le dos : la surface de dissipation est beaucoup plus importante, c'est une solution adoptée par de nombreux constructeurs américains et japonais.
f. Disposition en carré avec des ailettes placées à l'intérieur constituant ainsi une cheminée à l'intérieur de laquelle doit être placé un ventilateur. Cette solution n'est cependant pas la meilleure.
Certains constructeurs, comme Mitsubishi ou Sony ont recours à des solutions beaucoup plus élégantes telles que des ailettes refroidies au fréon ou le «Heat pipe». Cette dernières technique, développée par Sony, est constituée d'un tube de cuivre, rempli de vapeur de fréon, une extrémité comporte des ailettes de refroidissement ; sur l'autre extrémité sont fixés les transistors de puissance qui se trouvent ainsi localisés très près les uns des autres, et placés ainsi dans d'excellentes conditions du point de vue variation thermique.
Une autre solution consiste à utiliser les radiateurs en cuivre, ou encore en aluminium cuivré pour améliorer la conductibilité thermique, mais alors se posent des problèmes de fabrication.
Pour rester dans le réalisable, il faut donc gagner de la surface. Dans un châssis rectangulaire normal, les côtés et le dos n'offrent qu'une faible partie de la surface totale. Le dessus et le dessous ne sont en fait que très rarement utilisés, cependant si on veut dégager beaucoup de chaleur, il est évident qu'on doit se rapprocher des appareils conçus à cet effet, les radiateurs de chauffage !
Fig. 5 : Exemple de bornes de haut-parleur de très haute qualité (fabrication artisanale japonaise), pouvant entre autres recevoir des câbles de diamètre 3,2 mm^2.
Fig. 6 : Exemple de configuration du châssis et des radiateurs permettant un maximum de dissipation thermique, tout en isolant thermiquement les autres composants.
Il est en effet plus astucieux de disposer les parois de plus grandes surfaces verticalement, de sorte à dissiper le maximum de calories. C'est très vraisemblablement la solution qui sera retenue pour la réalisation du 50 W. Les avantages sont les suivants : radiateurs de grande surface, effet de cheminée important, emplacement latéral réduit, possibilité de séparer thermiquement l'étage d'entrée et l'alimentation de l'étage de puissance (figure 6). Naturellement, cette solution élégante peut être adaptée à la présente réalisation. La seule difficulté étant de se procurer un profilé d'aluminium adéquat. Heureusement, il existe de nombreuses formes et tailles de radiateurs disponibles dans le commerce. Si toutefois, cela posait des problèmes, il est possible de faire un montage de radiateurs sur deux plaques de cuivre ou d'aluminium, en utilisant de la graisse de silicone ou certains nouveaux produits synthétiques encore plus efficaces, parmi lesquels on peut même trouver des colles spéciales pour radiateurs.
Composants passifs
Le nombre de composants passifs étant très réduit, il y a peu de choses à dire sur ceux-ci. Les résistances sont de type 1 %, 1/2 W, au tantale, et d'une fabrication japonaise de petite série. Du point de vue influence subjective, ce sont celles qui donnent le moins de coloration et de défauts sensibles. Les fils de sortie sont en cuivre étamé et sont reliés au corps de la résistance par des capuchons eux aussi en cuivre. Seules les résistances de puissance de 0,47 ohm sont de type cimenté, cela pour une question de place et d'encombrement. La soudure employée est de la Multicore Savbit ou de la Multicore LMP (figure 7).
Les condensateurs électrochimiques utilisés sur les prototypes sont des modèles à très faible résistance série, d'origine japonaise et de valeur 150 000 uF. Deux autres condensateurs de 39 000 uF étaient mis en parallèle de sorte à donner 189 000 uF pour chacune des polarités d'alimentation. Ces valeurs ne sont pas très courantes en France.
Conclusion
Cet amplificateur au circuit simple est facile à régler. Il peut évoluer en un amplificateur plus puissant sans modifications majeures. Il présente de plus un rapport qualité-prix très intéressant. A l'exception des transistors de sortie et de leurs transistors d'attaque, ce schéma peut être «refait» à partir d'autres transistors de références européennes, sans grand risque d'échec. Pour conserver le maximum de ses qualités subjectives et un maximum de fiabilité, sa puissance est volontairement limitée à 18 W sans distorsions audibles. Cette puissance est largement suffisante pour dès enceintes de rendement moyen ou assez bon. Il ne faut pas perdre de vue non plus que tout appareil n'est qu'un compromis, lequel dans le cas présent est améliorable. Il est possible de le «fignoler» en particulier au niveau de l'alimentation : alimentation des étages d'entrée par un circuit séparé de l'alimentation des étages de puissance, séparation des alimentations gauche et droite... ou encore à l'exemple de préamplificateurs expérimentaux, la faible tension symétrique +/- 18 V peut être fournie par des batteries de voiture de 6 V, soit 6 au total, cela étant réservé aux fanatiques.
Fig. 7 : Résistances au tantale, d'origine japonaise, de type 1/2 W, 1 % de tolérance ; stabilité thermique 50 PPM. Ce sont celles qui ont donné à tout point de vue les meilleurs résultats ; lorsque comparées à plus de vingt autres types de résistances, dont les fameuses Vishay ultra-stables (+/- 5 PPM).
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