Amplificateurs : exploiter les dispositifs actifs pour augmenter la puissance

Avantage pratique des dispositifs actifs

L'avantage pratique des dispositifs actifs est leur capacité d'amplification. Que le dispositif en question soit commandé en tension ou en courant, la quantité de puissance requise du signal de contrôle est typiquement bien moindre que la quantité de puissance disponible dans le courant contrôlé. En d'autres termes, un dispositif actif ne permet pas seulement à l'électricité de contrôler l'électricité ; il permet à une petite quantité d'électricité de contrôler une grande quantité d'électricité.

À cause de cette disparité entre puissances de contrôle et contrôlée, les dispositifs actifs peuvent être employés pour gouverner une grande quantité de puissance (contrôlée) par l'application d'une petite quantité de puissance (de contrôle). Ce comportement est connu sous le nom d'amplification.

Loi de conservation de l'énergie dans les machines

C'est une règle fondamentale de la physique que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Énoncée formellement, cette règle est connue sous le nom de Loi de Conservation de l'Énergie, et aucune exception n'a été découverte à ce jour. Si cette Loi est vraie — et une masse écrasante de données expérimentales suggère qu'elle l'est — alors il est impossible de construire un dispositif capable de prendre une petite quantité d'énergie et de la transformer magiquement en une grande quantité d'énergie. Toutes les machines, circuits électriques et électroniques inclus, ont une limite d'efficacité supérieure de 100 pour cent. Au mieux, la puissance de sortie égale la puissance d'entrée comme dans la figure ci-dessous.

La puissance de sortie d'une machine peut approcher, mais jamais dépasser, la puissance d'entrée pour une efficacité de 100% comme limite supérieure.

Habituellement, les machines n'atteignent même pas cette limite, perdant une partie de leur énergie d'entrée sous forme de chaleur rayonnée dans l'espace environnant et donc ne faisant pas partie du flux d'énergie de sortie. (Figure ci-dessous)

Une machine réaliste perd le plus souvent une partie de son énergie d'entrée en chaleur en la transformant en flux d'énergie de sortie.

Machines à mouvement perpétuel

Beaucoup de gens ont tenté, sans succès, de concevoir et construire des machines qui sortent plus de puissance qu'elles n'en absorbent. Non seulement une telle machine à mouvement perpétuel prouverait que la Loi de Conservation de l'Énergie n'était pas une Loi, mais elle inaugurerait une révolution technologique telle que le monde n'en a jamais vu, car elle pourrait s'alimenter elle-même en boucle circulaire et générer de l'excès de puissance « gratuitement ». (figure ci-dessous)

Hypothétique « machine à mouvement perpétuel » s'alimente elle-même ?

Malgré beaucoup d'efforts et de nombreuses affirmations sans scrupules d'« énergie libre » ou de machines over-unity, aucune n'a jamais passé le simple test de s'alimenter avec sa propre sortie d'énergie et de générer de l'énergie en surplus.

Amplificateurs

Il existe cependant une classe de machines connue sous le nom d'amplificateurs, qui sont capables d'absorber des signaux de faible puissance et de sortir des signaux de puissance bien plus grande. La clé pour comprendre comment les amplificateurs peuvent exister sans violer la Loi de Conservation de l'Énergie réside dans le comportement des dispositifs actifs.

Parce que les dispositifs actifs ont la capacité de contrôler une grande quantité de puissance électrique avec une petite quantité de puissance électrique, ils peuvent être arrangés en circuit de façon à dupliquer la forme de la puissance du signal d'entrée à partir d'une plus grande quantité de puissance fournie par une source d'alimentation externe. Le résultat est un dispositif qui semble magnifier magiquement la puissance d'un petit signal électrique (généralement une forme d'onde de tension AC) en une forme d'onde de même forme mais de magnitude plus grande.

La Loi de Conservation de l'Énergie n'est pas violée car la puissance additionnelle est fournie par une source externe, généralement une batterie DC ou équivalent. L'amplificateur ne crée ni ne détruit l'énergie, mais la remodelle simplement dans la forme d'onde désirée comme montré dans la figure ci-dessous.

Bien qu'un amplificateur puisse mettre à l'échelle un petit signal d'entrée à une grande sortie, sa source d'énergie est une alimentation externe.

 

En d'autres termes, le comportement de contrôle de courant des dispositifs actifs est employé pour façonner la puissance DC de la source d'alimentation externe dans la même forme d'onde que le signal d'entrée, produisant un signal de sortie de forme similaire mais de magnitude de puissance différente. Le transistor ou un autre dispositif actif à l'intérieur d'un amplificateur forme simplement une copie plus grande de la forme d'onde du signal d'entrée à partir de la puissance DC « brute » fournie par une batterie ou autre source d'alimentation.

Limitations des amplificateurs

Les amplificateurs, comme toutes les machines, sont limités en efficacité à un maximum de 100 pour cent. Habituellement, les amplificateurs électroniques sont bien moins efficaces que cela, dissipant des quantités considérables d'énergie sous forme de chaleur perdue. Parce que l'efficacité d'un amplificateur est toujours de 100 pour cent ou moins, on ne peut jamais en faire fonctionner un comme dispositif à « mouvement perpétuel ».

La nécessité d'une source externe de puissance est commune à tous les types d'amplificateurs, électriques et non-électriques. Un exemple courant de système d'amplification non-électrique serait la direction assistée dans une automobile, amplifiant la puissance des bras du conducteur en tournant le volant pour déplacer les roues avant de la voiture. La source de puissance nécessaire pour l'amplification vient du moteur. Le dispositif actif contrôlant le « signal d'entrée » du conducteur est une vanne hydraulique shuntant la puissance fluide d'une pompe attachée au moteur vers un piston hydraulique assistant le mouvement des roues. Si le moteur s'arrête, le système d'amplification échoue à amplifier la puissance des bras du conducteur et la voiture devient très difficile à tourner.

FICHES DE TRAVAIL ASSOCIÉES :

• Fiche de travail sur la théorie élémentaire de l'amplificateur