Mini-Amplificateur pour Guitare Rôles des différents blocs fonctionnels
publicité
Bureau d'étude d’électronique PET SUJET Bureau d'étude d’électronique Mini-Amplificateur pour Guitare On désire réaliser un amplificateur portable pour guitare. Outre un haut-parleur pour diffuser le son, nous souhaitons y retrouver les fonctions classiques d'un ampli guitare à savoir : contrôle de la tonalité, réglage du gain et de la distorsion/saturation, réglage du volume, et conditionnement/amplification du signal pour alimenter le haut parleur. Ce BE a pour objectif de réaliser un montage complètement fonctionnel, qui pourra servir de base à une réalisation plus complète pour laquelle vous pourrez ajouter un boîtier (par exemple imprimé en 3D), un adaptateur secteur, et des potentiomètres de grande taille pour rendre l'ensemble ergonomique, un bouton marche/arrêt, etc. Tout ceci est en bonus et nécessite que l'ensemble de la partie électronique fonctionne correctement. Le schéma fonctionnel de la figure 1 détaille le principe de fonctionnement du circuit que nous avons choisi de réaliser. 01-Entrée de Test 02-Entrée Jack 4 – Distorsion et Réglage du gain 03- Protection + Haute Impédance 5 – Correcteur de tonalité grave/aigu 6 – Amplification de Puissance LM386 8 – Alimentation Stabilisée. Masse Fictive. 7 – Sortie vers HP 8 Ohms Figure 1 - Exemple de schéma fonctionnel amplificateur pour guitare Le projet sera divisé en trois sous parties, matérialisées par les ellipses sur le schéma cidessus. Vous pourrez commencer au choix par l'une ou l'autre de trois sous parties « en pointillé ». Une fois ce travail réalisé, vous pourrez compléter votre projet par l'ajout d'un boîtier, d'un jack d'entrée... Rôles des différents blocs fonctionnels Bloc 1: Entrée de Test Pour la majeure partie de ce BE, vous travaillerez à l'aide de signaux générés par un GBF. Ainsi, vous aurez besoin d'un connecteur d'entrée dédié sur lequel vous pourrez connecter/souder un fil pour le signal et un fil pour la masse, référence de potentiel. Page 1 Bureau d'étude d’électronique PET Bloc 2 : Entrée Jack Le but ultime de votre montage est la possibilité d'y connecter une guitare. Cela requiert l'utilisation d'un jack spécifique, permettant notamment de connecter la masse de la guitare, à la borne – de la batterie utilisée, mettant l'ensemble du circuit à la même masse dès la connexion. Bloc 3 : Protection et Entrée Haute Impédance Pour éviter la destruction du matériel par un mauvais branchement ou une utilisation imprévue, il faudra prévoir un circuit de protection en entrée. De plus, une guitare, de par la conception des ses micros, ne peut générer que des courants très faibles. Aussi un étage d'entrée haute impédance est indispensable, permettant ainsi de récupérer un signal de tension d'amplitude convenable. Bloc 4 : Réglage du Gain et Distorsion L'une des étapes clés de ce montage est la mise en place d'un son dit « saturé », typique de l'utilisation des guitares « électriques ». Cela consiste en une amplification (Gain) couplé à un système permettant de créer de la saturation (ou distorsion). Plusieurs possibilités existent, nous utiliserons ici des diodes. Bloc 5 : Correcteur de Tonalité Grave Aigu Une fois le signal pré-amplifié et saturé, il restera à régler sa tonalité grâce à un égaliseur « grave/aigu ». Il permettra d'amplifier ou d'atténuer le signal sur 2 bandes des fréquences significatives dans les fréquences générés d'abord par la guitare, mais également par les harmoniques créées lors de la distorsion du signal. Bloc 6 : Amplification de puissance à base de LM386 Les blocs précédents ont permis de créer un signal qui doit maintenant être amplifié par un étage de puissance, qui permettra sa diffusion sur un haut-parleur, de puissance 3W (surdimensionné donc) et d'impédance 8 Ohms. Cette amplificateur sera réalisé à l'aide d'un LM386, amplificateur de classe AB de puissance 0,7 Watt RMS. Bloc 7 : Sortie de test, Sortie vers HP Le HP sera « extérieur » à la plaque PCB que vous allez réaliser. Il faudra donc prévoir des connecteurs de sorties, mais également, un sortie de test pour pouvoir observer et caractériser le signal en l'absence d'un haut-parleur. Bloc 8 : Alimentation stabilisé non symétrique, masse fictive L'ensemble de la réalisation étant alimenté par une alimentation simple régulée ; il faudra prévoir une polarisation des différents étages autour d'une tension de référence approximativement égale à la tension d'alimentation divisée par 2. Des capacités de liaison sont donc à prévoir en entrée (micro) comme en sortie (HP) ! Liste des composants spécifiques utiles pour ce projet et disponibles au magasin : - amplificateur opérationnel : TL081/82 ou MCP6002 - diode faible seuil : 1N914 - amplifcateur de puissance : LM386 - Transistor NPN : 2N4401 - HP : CQR COMPONENTS - HAUT PARLEUR 60MM 8 OHM - Régulateur de tension : LM7805 Page 2 Bureau d'étude d’électronique PET TRAVAIL DEMANDE – Préparation Le travail de préparation sera présenté sous la forme d'un pré-rapport complet. Ce rapport contiendra une présentation du projet (vous pourrez présenter la solution retenue en la comparant à d'autres solutions envisageables), une étude détaillée du cahier des charges, l'ensemble des calculs et éléments de réflexion nécessaires à l'élaboration d'un circuit électronique complet. Ce travail sert à préparer la première séance de réalisation pratique : pour chaque bloc, vous ferez attention de préciser l'ensemble des éléments indispensables au câblage du montage (allure, fréquence, amplitude des signaux à mettre en entrée, valeur des alimentations, valeurs normalisées des composants, brochage des composants intégrés...). Les questions qui vont suivre, servent à orienter vos recherches et réflexions, y répondre dans l'ordre ne suffit pas à la rédaction d'un pré-rapport complet. ATTENTION : L'alimentation sera non symétrique de façon à ce que le montage soit portable et puisse être alimenté par une pile, une batterie, ou une alimentation secteur simple. A – Bloc n°1 et 2 : Entrée de test et jack pour guitare L'entrée de test ne pose normalement pas de problème. Néanmoins, il est important que la manière de connecter une source à votre montage soit claire pour vous. - Proposer une câblage typique d'un GBF sur l'entrée de votre montage. L'entrée jack requiert une attention particulière. En effet, il est important que le montage ne consomme pas de courant lorsque rien (aucune guitare) n'y est connectée ou lorsque le bouton On/Off est éteint. Le schéma électrique d'un jack et la correspondance des pattes sont présentés sur la figure 2. Figure 2. Schéma et photos d'une entrée pour jack de guitare 6.35" - Proposer un câblage du jack, avec éventuellement la mise en place d'un interrupteur marche arrêt de type « Full-Bypass », comme on en trouve typiquement sur les pédales d'effets pour guitares. B – Bloc n°3 : Etage de protection + Entrée Impédance - L'entrée d'un amplificateur peut être mis à rude épreuve, en fonction de l'utilisateur. Ainsi, il faut le protéger des surtensions dues à un mauvais branchement ou à un mauvais réglage des Page 3 Bureau d'étude d’électronique PET étages amonts (pédales d'effets, pré-amplis, …). Proposer un montage pour protéger la suite du montage. - De même, pour prendre en compte l'incapacité d'une guitare à générer du courant, ainsi que la pluralité des éléments précédents cet amplificateur, proposer un montage d'entrée hauteimpédance à base d'amplificateur opérationnel. Proposer également un montage équivalent à base de transistor bipolaire. C - Bloc n°4 : Réglage du gain et distorsion L'histoire du son « saturé » est assez récente dans l'histoire de la guitare. L'avènement des guitares « électriques » couplées à des amplificateurs à lampes (ancêtre des transistors…) a débouché sur la création de nouveaux sons. La polarisation des montages à lampes a pour effet d'amplifier le signal, et de le faire saturer avec un son typique : « la chaleur des lampes ». Les lampes ayant un certain prix (ainsi qu'une consommation élevée), des montages électronique tentant de reproduire cette effet de saturation douce (distorsion symétrique ou asymétrique du signal) ont été développés. Typiquement le couplage entre un AOP et 2 diodes permet d'obtenir un comportement proche de la saturation des lampes. La Figure 3. Montage générant la distorsion type « lampe » Ce montage « complexe » peut être étudié de manière décomposée. - Quel est le rôle de l'ensemble composé par R1, R2, C1, C2 ? Calculer les paramètres qui caractérisent ce montage. - Dans le cas où l'interrupteur « TUBE » est ouvert, calculer le gain max du montage avec R4, R3 et P1 (pouvant être considéré comme résistance variable). Pourquoi C3 peut être considéré comme équivalent à un fil ? Quelle fréquence de coupure basse cette capacité introduit-elle ? Page 4 Bureau d'étude d’électronique PET - Dans le cas où l'interrupteur « TUBE » est fermé, décrire qualitativement le fonctionnement du montage. Une alternative à ce montage est de conserver uniquement les diodes D1 et D2. Quel est l'effet sur le signal ? - Votre montage devant être alimenté de manière asymétrique, préciser les modifications à apporter à ce montage. D - Bloc n°5 : Correcteur de tonalité Grave Aigu Une fois le signal « saturé », il faut maintenant pouvoir l'égaliser selon les fréquences grave/aigu. Le montage de la figure 4 permet d'effectuer cette fonction. Figure 4. Schéma du filtre correcteur de tonalité + réglage du volume - Donner le schéma équivalent du filtre pour les hautes fréquences (on supposera ici la capacité C6 équivalente à un court-circuit). Calculer alors le gain en fonction de R8/10, C8 et α3 (position du curseur du potentiomètre P3 variant entre 0 et 1 ). • Donner le schéma équivalent du filtre pour les basses fréquences (on supposera ici la capacité C8 équivalente à un court-circuit). Calculer alors le gain en fonction de R5/6, C6 et α2 (position du curseur du potentiomètre P2 ). • Applications numériques : Calculer les gains correspondant à α1 =0 et à α1 =1 pour f=4kHz, Calculer les gains correspondant à α2 =0 et à α2 =1 pour f=100Hz. Une simulation paramétrique (plusieurs valeurs de α) pourra être menée sur Altium pour valider ces résultats approchés. G- Bloc n°6 et 7 : Amplificateur de puissance à base de LM386 + Sortie HP - Étudier la Datasheet du LM386 et proposer un montage adapté à notre application. Page 5 Bureau d'étude d’électronique PET - Un Haut-Parleur sera connecté à votre montage lorsque celui-ci sera fonctionnel. Avant cela, il faudra tester le montage de sortie. Proposer une solution pour tester le signal de sortie en l'absence d'un haut parleur. H- Bloc n°8 : Alimentation + Masse Fictive Une alimentation par pile ou batterie est en général fluctuante, en fonction de la décharge de celles-ci. De plus, une alimentation secteur ne délivre pas toujours la tension désirée pour le montage choisi. Cela nécessitera donc l'utilisation d'un régulateur de tension. - Au vue des courants mis en œuvre, notamment dans l'amplificateur de puissance, justifier l'utilisation d'un LM78XX comme régulateur de tension pour ce montage. L'utilisation d'une source de tension non symétrique nécessite la génération d'un potentiel de référence pour tous les signaux intermédiaires (masse fictive en dynamique). - Proposer un montage permettant de réaliser cette « masse fictive », et indiquer les points du montage global où elle sera utilisée. TRAVAIL DEMANDE – Manipulation CÂBLAGE SUR PLAQUE A TROUS Chaque bloc devra être câblé et testé séparément sur plaques à trous. Vérifiez systématiquement le bon fonctionnement des blocs. Faites des relevés précis des caractéristiques de vos montages et n'hésitez pas à relever les oscillogrammes des différents signaux (faire des copies d'écran sur clé USB). Dans un premier temps on pourra utiliser en lieu et place du signal de la guitare, un signal sinusoïdal de quelques dizaines de mV d'amplitude et d'une fréquence dans la même gamme que celle d'une guitare. REALISATION FINALE Réaliser le circuit imprimé complet en simple face. Tester votre montage en apportant votre guitare ou en empruntant celle d'un copain ! BON COURAGE A TOUS. Page 6
