Amplificateur audio de classe B

PIÈCES ET MATÉRIAUX

• Quatre piles 6 volts
• Double amplificateur opérationnel, modèle TL082 recommandé (catalogue Radio Shack n° 276-1715)
• Un transistor de puissance NPN dans un boîtier TO-220—(catalogue Radio Shack n° 276-2020 ou équivalent)
• Un transistor de puissance PNP dans un boîtier TO-220—(catalogue Radio Shack n° 276-2027 ou équivalent)
• Une diode de commutation 1N914 (catalogue Radio Shack n° 276-1620)
• Un condensateur, 47 µF électrolytique, 35 WVDC (catalogue Radio Shack n° 272-1015 ou équivalent)
• Deux condensateurs, 0,22 µF, non polarisés (catalogue Radio Shack n° 272-1070)
• Un potentiomètre 10 kΩ, cône linéaire (catalogue Radio Shack n° 271-1715)

Assurez-vous d'utiliser un ampli-op qui a un taux de balayage élevé . Évitez le LM741 ou le LM1458 pour cette raison.

Plus les deux transistors sont rapprochés, mieux c'est. Si possible, essayez d'obtenir des transistors TIP41 et TIP42, qui sont des transistors de puissance NPN et PNP étroitement appariés avec des valeurs de dissipation de 65 watts chacun. Si vous ne pouvez pas obtenir un transistor NPN TIP41, le TIP3055 (disponible auprès de Radio Shack) est un bon substitut. N'utilisez pas de très gros transistors de puissance (c'est-à-dire un boîtier TO-3), car l'amplificateur opérationnel peut avoir du mal à conduire suffisamment de courant vers leurs bases pour un bon fonctionnement.

REFERENCES CROISEES

Leçons En Circuits Électriques , Volume 3, chapitre 4 :« Transistors à jonction bipolaire »

Leçons En Circuits Électriques , Volume 3, chapitre 8 :« Amplificateurs opérationnels »

OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE

• Pour illustrer comment construire un amplificateur de classe B « push-pull » à l'aide de transistors bipolaires complémentaires
• Pour illustrer les effets de la "distorsion croisée" dans un circuit d'amplificateur push-pull
• Pour illustrer comment utiliser la rétroaction négative via un amplificateur opérationnel pour corriger les non-linéarités du circuit

SCHÉMA SCHÉMA

ILLUSTRATION

INSTRUCTIONS

Ce projet est un amplificateur audio adapté pour amplifier le signal de sortie d'une petite radio, d'un lecteur de cassettes, d'un lecteur de CD ou de toute autre source de signaux audio. Pour un fonctionnement stéréo, deux amplificateurs identiques doivent être construits, un pour le canal gauche et l'autre pour le canal droit. Pour obtenir un signal d'entrée à amplifier par cet amplificateur, connectez-le simplement à la sortie d'une radio ou d'un autre appareil audio comme celui-ci :

Ce circuit amplificateur fonctionne également bien pour amplifier le "niveau de ligne ” signaux audio provenant de composants stéréo modulaires de haute qualité. Il fournit une quantité surprenante de puissance sonore lorsqu'il est joué à travers un grand haut-parleur, et peut-être fonctionner sans dissipateurs thermiques sur les transistors (bien que vous devriez l'expérimenter un peu avant de décider de renoncer aux dissipateurs thermiques, car la dissipation de puissance varie selon le type de haut-parleur utilisé).

Le but de tout circuit amplificateur est de reproduire la forme d'onde d'entrée aussi précisément que possible. Une reproduction parfaite est bien sûr impossible, et toute différence entre les formes d'onde de sortie et d'entrée est connue sous le nom de distorsion . Dans un amplificateur audio, la distorsion peut entraîner la superposition de tonalités désagréables sur le vrai son. Il existe de nombreuses configurations différentes de circuits d'amplificateur audio, chacune avec ses propres avantages et inconvénients. Ce circuit particulier est appelé « classe B », push-pull circuit.

La plupart des "puissance audio ” les amplificateurs utilisent une configuration de classe B, où un transistor alimente la charge pendant la moitié du cycle de forme d'onde (il pousse ) et un deuxième transistor alimente la charge pendant l'autre moitié du cycle (il tire ). Dans ce schéma, aucun transistor ne reste "on " pour tout le cycle, en donnant à chacun un temps pour " se reposer ” et refroidir pendant le cycle de forme d'onde. Cela permet d'obtenir un circuit amplificateur économe en énergie, mais conduit à un type distinct de non-linéarité connu sous le nom de « distorsion de croisement ."

Voici une forme d'onde sinusoïdale, équivalente à une tonalité audio constante de volume constant :

Dans un circuit amplificateur push-pull, les deux transistors amplifient à tour de rôle les demi-cycles alternés de la forme d'onde comme ceci :

Si le « transfert " entre les deux transistors n'est pas précisément synchronisé, cependant, la forme d'onde de sortie de l'amplificateur peut ressembler à ceci au lieu d'une onde sinusoïdale pure :

Ici, la distorsion résulte du fait qu'il y a un délai entre le moment où un transistor s'éteint et l'autre transistor s'allume. Ce type de distorsion, où la forme d'onde « aplatit ” au point de croisement entre les demi-cycles positifs et négatifs, est appelée distorsion de croisement . Une méthode courante pour atténuer la distorsion de croisement consiste à polariser les transistors de sorte que leurs points d'activation/de désactivation se chevauchent réellement, de sorte que les deux les transistors sont en état de conduction pendant un bref instant pendant la période de croisement :

Cette forme d'amplification est techniquement connue sous le nom de classe AB plutôt que de classe B car chaque transistor est « on ” pendant plus de 50 % du temps au cours d'un cycle de forme d'onde complet. L'inconvénient de faire cela, cependant, est la consommation d'énergie accrue du circuit amplificateur, car pendant les moments où les deux transistors sont conducteurs, il y a un courant conduit à travers les transistors qui ne sont pas traverse la charge, mais est simplement « court-circuité » d'un rail d'alimentation à l'autre (de -V à +V).

Non seulement c'est un gaspillage d'énergie, mais cela dissipe plus d'énergie thermique dans les transistors. Lorsque les transistors augmentent en température, leurs caractéristiques changent (V_be chute de tension directe, , résistances de jonction, etc.), rendant difficile une polarisation correcte.

Dans cette expérience, les transistors fonctionnent en mode classe B pur. C'est-à-dire qu'ils ne dirigent jamais en même temps. Cela économise de l'énergie et diminue la dissipation de chaleur, mais se prête à une distorsion de croisement. La solution prise dans ce circuit est d'utiliser un ampli-op avec une rétroaction négative pour conduire rapidement les transistors à travers le "mort " zone produisant une distorsion de croisement et réduisant la quantité de " aplatissement ” de la forme d'onde pendant le crossover.

Le premier ampli-op (le plus à gauche) montré dans le schéma n'est rien de plus qu'un tampon. Un tampon aide à réduire la charge du réseau condensateur/résistance d'entrée, qui a été placé dans le circuit pour filtrer toute tension de polarisation continue du signal d'entrée, empêchant toute tension continue d'être amplifiée par le circuit et envoyée au haut-parleur où cela pourrait causer des dommages.

Sans l'ampli-op tampon, le circuit de filtrage condensateur/résistance réduit les basses fréquences ("bass ”) réponse de l'amplificateur et accentue les hautes fréquences (“aigus ”).

Le deuxième ampli-op fonctionne comme un amplificateur inverseur dont le gain est contrôlé par le potentiomètre de 10 kΩ. Cela ne fait rien de plus que de fournir un contrôle de volume pour l'amplificateur. Habituellement, les circuits d'ampli-op inverseurs ont leur(s) résistance(s) de rétroaction connectée(s) directement de la borne de sortie de l'ampli-op à la borne d'entrée inverseuse comme ceci :

Si nous utilisions le signal de sortie résultant pour piloter les bornes de base de la paire de transistors push-pull, nous aurions une distorsion de croisement significative, car il y aurait un "mort ” dans le fonctionnement des transistors puisque la tension de base est passée de + 0,7 volts à - 0,7 volts :

Si vous avez déjà construit le circuit amplificateur dans sa forme finale, vous pouvez le simplifier sous cette forme et écouter la différence de qualité sonore. Si vous n'avez pas encore commencé la construction du circuit, le schéma ci-dessus serait un bon point de départ. Cela amplifiera un signal audio, mais cela sonnera horriblement !

La raison de la distorsion de croisement est que lorsque le signal de sortie de l'amplificateur opérationnel est compris entre + 0,7 volts et - 0,7 volts, aucun des transistors ne sera conducteur et la tension de sortie vers le haut-parleur sera de 0 volts pour toute la plage de 1,4 volts de la base. oscillation de tension. Ainsi, il existe une « zone ” dans la plage du signal d'entrée où aucun changement dans la tension de sortie du haut-parleur ne se produira. C'est ici que des techniques de polarisation complexes sont généralement introduites dans le circuit pour réduire cet "écart de 1,4 volts ” dans la réponse du signal d'entrée du transistor. Habituellement, quelque chose comme ceci est fait :

Les deux diodes connectées en série chuteront d'environ 1,4 volt, équivalent au V_be combiné chutes de tension directe des deux transistors, résultant en un scénario où chaque transistor est juste sur le point de s'allumer lorsque le signal d'entrée est de zéro volt, éliminant le 1,4 volt "mort ” zone de signal qui existait avant.

Malheureusement, cette solution n'est pas parfaite :lorsque les transistors chauffent en passant de l'alimentation à la charge, leur V_be les chutes de tension directe diminueront de 0,7 volts à quelque chose de moins, comme 0,6 volts ou 0,5 volts. Les diodes, qui ne sont pas soumises au même effet de chauffage car elles ne conduisent pas de courant important, ne subiront pas le même changement de chute de tension directe.

Ainsi, les diodes continueront à fournir la même tension de polarisation de 1,4 volt même si les transistors nécessitent moins de tension de polarisation en raison du chauffage. Le résultat sera que le circuit dérive vers un fonctionnement de classe AB, où les deux les transistors seront en état de conduction une partie du temps. Ceci, bien sûr, entraînera une plus grande dissipation de chaleur à travers les transistors, exacerbant le problème du changement de chute de tension directe.

Une solution courante à ce problème est l'insertion de la compensation de température "feedback ” résistances dans les jambes d'émetteur du circuit à transistor push-pull :

Cette solution n'empêche pas la mise sous tension simultanée des deux transistors, mais réduit simplement la gravité du problème et empêche l'emballement thermique. Il a également pour effet fâcheux d'insérer une résistance dans le chemin du courant de charge, limitant le courant de sortie de l'amplificateur. La solution que j'ai choisie dans cette expérience est celle qui capitalise sur le principe de la rétroaction négative de l'amplificateur opérationnel pour surmonter les limitations inhérentes au circuit de sortie du transistor push-pull. J'utilise une diode pour fournir une tension de polarisation de 0,7 volt à la paire push-pull. Ce n'est pas suffisant pour éliminer les "morts " zone de signal, mais cela la réduit d'au moins 50 % :

Étant donné que la chute de tension d'une seule diode sera toujours inférieure aux chutes de tension combinées des jonctions base-émetteur des deux transistors, les transistors ne peuvent jamais s'allumer simultanément, empêchant ainsi le fonctionnement en classe AB. Ensuite, pour aider à éliminer la distorsion de croisement restante, le signal de retour de l'ampli-op est prélevé sur la borne de sortie de l'amplificateur (les bornes de l'émetteur des transistors) comme ceci :

La fonction de l'amplificateur opérationnel est de produire le signal de tension dont il dispose afin de maintenir ses deux bornes d'entrée à la même tension (différentiel de 0 volt). En connectant le fil de retour aux bornes de l'émetteur des transistors push-pull, l'amplificateur opérationnel a la capacité de détecter tout "mort ” zone où aucun des transistors n'est conducteur, et délivre un signal de tension approprié aux bases des transistors pour les remettre rapidement en conduction pour “suivre " avec la forme d'onde du signal d'entrée.

Cela nécessite un ampli-op avec un taux de montée élevé (la capacité de produire une tension de sortie qui monte ou descend rapidement), c'est pourquoi le TL082 ampli-op a été spécifié pour ce circuit. Amplificateurs opérationnels plus lents tels que le LM741 ou LM1458 peut ne pas être en mesure de suivre le niveau élevé de dv/dt (taux de variation de tension dans le temps, également appelé de/dt ) nécessaire pour un fonctionnement à faible distorsion.

Seuls quelques condensateurs sont ajoutés à ce circuit pour lui donner sa forme finale :un condensateur de 47 µF connecté en parallèle avec la diode permet de maintenir la tension de polarisation de 0,7 volt constante malgré les fortes variations de tension dans la sortie de l'amplificateur opérationnel, tandis qu'un Un condensateur de 0,22 µF connecté entre la base et l'émetteur du transistor NPN permet de réduire la distorsion de croisement à faible volume :

FICHE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Fiche de travail sur les amplificateurs BJT de classe B