Une protection pour amplificateurs universelle

Une protection pour amplificateurs universelle
Soumis par christophe Esperado
11-10-2011
Full version in English with advanced schematic optionnal static relays and printed board: here
Un Schéma valant mieux qu'un long discours, voici celui de ma protection universelle d'amplificateurs et des précieux
hauts parleurs qui sont branchés dessus.
Elle protège contre tout, court-circuits des sorties, tension continue dans les sorties, oscillations générées par l'ampli et
même saturations du signal de sortie.
Ce circuit offrira simultanément et au choix les fonctions suivantes, Mise en marche télécommandée de l'amplificateur,
charge douce des condensateurs d'alimentation, mise en service des hauts parleurs retardée dans le temps, coupure
instantanée de ceux-ci en cas de coupure secteur ou d'action sur le bouton marche/arrêt.
La caractéristique de cette protection est un temps de réaction quasi instantané, de l'ordre du millième de seconde,
seulement limitée par la vitesse du relais de sortie..
Cliquez ici pour la voir en grand: Image
L'idée de départ est lumineuse de simplicité et je suis aussi fier aujourd'hui qu'il y a trente ans quand je l'ai eue: Un
ampli parfait produit un signal en tous points identique à celui de l'entrée, à l'échèle de son gain près. La vieille idée "un fil
droit avec du gain". Toute différence dans la forme du signal indique un problème ou un danger éventuel pour vos
enceintes ou vos transistors de puissance.C'est valable toute oscillation, offset excessif, court circuit du signal de sortie
qui, ô combien, affectera son excursion, vu les courants générés et la résistance interne de la source, voire même
d'excessifs écrêtages à l'écoute du dernier David Guetta ou du premier Led Zep.
Tout cela sera détecté en temps réel et la sortie de l'amplificateur déconnectée, permettant à la fois à votre transistors ou
FETS de puissance et à vos hauts parleurs d'être mis à l'abri de la destruction en chaine (hifi) avant même qu'ils en aient
conscience.
Indiquons que, cette comparaison se faisant entre entrée et sortie, sans aucune intervention dans l'amplificateur lui-
même, notre principe pourra être mis en service dans tout amplificateur existant, sans modification de celui-ci, et que
toute les précaution ont été prises pour que cette protection ne vienne pas détériorer la qualité et les performances de
l'ampli qu'il protège, ce serait un comble !
Ainsi, pendant que les protections habituelles intègrent le signal de sortie, pour en évaluer la composante continue, avec
le délai que cela implique, alors qu'elles ajoutent souvent des composants dans l'ampli ou l'alimentation afin de détecter
ici ou là des courants excessifs ou des tensions inadaptées (avec les détériorations de performance que provoquent les
capacités parasites ou les charges non linéaires de ces étages ajoutés), notre circuit fait plus que tout cela, de
l’extérieur, tranquillement, en un seul process mais à la vitesse de l'éclair. "Simple is beautiful" dit-on. Mais, trêve
d'autosatisfaction passons au schéma.
La partie protection est la partie supérieure du plan. Après avoir remis les signaux de sortie au même niveau que ceux
d'entrée, par le pont constitué des résistances 25k (ou 5k, en rouge)et la résistance ajustable multi-tours de 5K, qu'on
ajustera finement, on ne retrouvera en sortie de U1 & U2 que leurs différences, qu'on amplifiera cinq fois, pour lui
redonner une amplitude de bon aloi tout en évitant des saturations qui réduiraient notre marge ultérieure de réglage de
la sensibilité.
L'étage suivant a une triple fonction. Redresser ces signaux d'erreur grâce au pont de diodes Schottky, dont la tension
d'offset est annulée par la contre réaction, mélanger les signaux des deux canaux, donner un gain réglable par la
résistance ajustable de 1Mohms, laquelle vous permettra d'adapter la sensibilité de jeune fille de cette protection à votre
situation.
L'étage final a lui encore deux emplois, pas de chômage chez les amplis OP: comparer le signal d'erreur avec une
référence issue du pont des deux 10k, et apporter un délai de maintien de six secondes après la suppression de
l'erreur quand la protection se déclenche, grâce au condensateur de 0.22µF en parallèle avec la résistance de 750K qui
ont avec la diode Do l'effet de lisser le signal, offrir un temps de montée très rapide,inversement proportionnel à
l'amplitude de l’erreur avec un temps de décharge très long. Si la protection se déclenche (le signal sur l'entrée -
dépasse le potentiel de l'entrée +, l'ampli appliquera une tension de -10V à la base des transistors Q1 et Q2, qui
cesseront de conduire, donc d'alimenter les relais permettant au signaux de sortie d'être connectés aux hauts parleurs. 
Notons deux choses ici. On a utilisé deux contacts d'un relais mécanique par canal pour minimiser la résistance série
de ces contacts ainsi que les problèmes occasionnés par leur éventuelle oxydation. Cela semblerait suffisant ? Pas
pour tous. Nous avons doublé ce dispositif par un switch électronique à Mosfet de 14 milliohms en parallèle pour réduire
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ces nuisances à néant. Le relais annule le risque de distorsions qui pourrait être provoqués par la non linéarité
thermique de ceux-ci. Suivant vos préférences et vos moyens, vous pouvez choisir le meilleur des deux mondes ou
cumuler les deux. il suffit de ne pas implanter celui que vous ne voulez pas.
Le relais de 40 ampères 100V (75 ohms sous 12v pour sa bobine) court quelques risques en cas de court circuits de la
sortie de l'ampli à cause des courants énormes qu'il aurait à couper dans ce cas. C'est là qu'intervient une seconde idée,
aussi simple que la première (modestie quand tu nous tient). Il suffit de supprimer tout signal à l'entrée pour qu'il n'y en ait
plus à la sortie. Et le courant qu'ils ont à shunter est, ici, dérisoire. C'est le rôle des deux switchs, à Mosfets eux aussi,
notés "SSR" qui, le destin fait bien les choses, sont plus rapide à cause de leur petite taille et leur faible courant. Ils
shuntent le signal d'entrée en quelques microsecondes avant que les relais de sortie aient eu même le temps de
penser à bouger.
Enfin, dernière subtilité, le condensateur en série de 470µF à l'entrée. Si votre amplificateur est à couplage direct en
entrée, une tension continue produite par le préamplificateur serait amplifiée par l'ampli et risquerait d'être dangereuse
pour les hauts parleurs. En comparant les signaux entrée et sortie, on ne détecterait aucune différence, l'ampli faisant
bien son travail. C'est le rôle de ce simple condensateur, qui, supprimant toute composante continue avant comparaison
des signaux, mettra en évidence celle présente alors dans le signal de sortie. On détectera donc aussi l'éventuelle
présence d'un offset à l'entrée, issu du préamplificateur. Sauf si l'ampli est lui-même protégé par un condensateur en
entrée, auquel cas, nul risque encouru par vos enceintes.
La partie basse du schéma montre un choix entre un bouton de marche arrêt (le éléments notés A1 devront être
soudés) et une tension externe de 12v 20mA pour télécommander la mise sous tension, utile si votre circuit est
implanté dans une enceinte active (seul le strap A2 devra figurer sur le circuit). Suit un petit transformateur de 2 X1 2v,
destiné à procurer une alimentation indépendante à toute cette circuiterie, le seul à être mis sous tension par le bouton,
qui permet d'autres fonctions que nous allons étudier maintenant.
Le premier étage utilise un comparateur pour mettre les haut parleurs en protection dès l'apparition d'une coupure
secteur, qu'elle soit volontaire ou non, et éviter ainsi les risques et bruits occasionnés par la décharge lente et
asymétrique des condensateurs de l'ampli. Le principe en est simple. On prend la tension alternative redressée avant
filtrage (grâce à la diode 'Doff') qu'on écrête à 3V au moyen d'une LED tout en linéarisant son enveloppe grâce au
condensateur de 0.1µF. celui-ci pourra se décharge rapidement dans la résistance de 1K, l’ensemble présentant une
pente à peine plus inclinée que celle du secteur. Toute baisse du niveau sur l'entrée + du comparateur à un niveau
inférieur à celui de l'entrée moins, déclenchera la protection. la sortie du comparateur passe à -12v, donc la base des
transistors Q1 et Q2 à travers la diode D, coupant ceux-ci.
L'étage suivant offre la fonction de démarrage doux et de limitation du courant dans les condensateurs d'alimentation
de l'amplificateur. Ils sont couteux, autant qu'ils durent longtemps, et que votre femme ne puisse pas savoir que vous
venez de mettre en marche votre gros amplificateur en voyant baisser la lumière de votre salon. Cette alimentation, que
j'espère puissante et surdimensionnée chez vous, comme il se doit, est connectée au secteur via le premier
Commutateur "solide state", relais économique à triac. Mais son courant est limité au démarrage par la résistance R19,
qu'on choisira de forte puissance, parce qu'elle va chauffer dur pendant quelques secondes au démarrage. Jusqu'à ce
que le temporisateur de 5 secondes, construit autour du second comparateur K1 la court-circuite, donnant à l'alimentation
des amplis leurs pleins pouvoirs. Le passage au + de ce comparateur déclenchera le troisième étage K2, lequel se
chargeait jusque là de maintenir vos hauts parleurs à l'abri de tout bruit pendant cette phase de démarrage. Le temps qu'il
compte pendant 6 autres secondes, et il libérera les chevaux, en désactivant la protection et en connectant les hauts
parleurs, si tout est normal à cet instant dans les comparateurs du dessus.
On notera les trois LEDS de couleur qui indiquent l'état de cette protection, et s'allument dans cet ordre au démarrage:
la mise sous tension de l'ampli, la mise en puissance de son alimentation, la connexion des hauts parleurs. Tout ceci se
passant dans un silence feutré.
Voila, c'est ultra simple. La mise en service est aisée, mais nécessite deux réglages pour s'adapter à votre amplificateur
une fois pour toutes. On alimentera l'ampli avec un signal sinusoïdal de la plus forte puissance possible avant écrêtage
(prenez de la marge) si possible amplificateur chargé. On règlera les ajustables de 5K pour minimiser le signal de sortie
des circuits U1 et U2. Une fois ceci fait, on enverra de la musique à fort niveau (mais sans écrêter non plus)pour ajuster
la résistance variable de 1M de façon être à l'abri des mises en protection lors des coups de grosse caisse, qui prouvent
bien que votre ampli préféré est loin d'être parfait sous des signaux transitoires et sur charge complexe, selfique et
avec le courant que génère le mauvais suivi des hauts parleurs. Il est d'ailleurs intéressant (et déprimant) de regarder à
la sortie de U1 ou U2, ce qui se passe en temps réèl, c'est un bon indicateur du niveau des distorsions réelles.
En espérant vous avoir intéressé, et à titre de conclusion, sachez que cette protection, capable de protéger vos hauts
parleurs en une ou deux millisecondes sous des erreurs aussi petites que 100mv en sortie, sera encore plus rapide
(quelques micro secondes) si l'un de vos transistors de sortie venait à se mettre en court circuit, envoyant dans vos
enceintes la totalité de l'alimentation en continu. Rapidité qu'aucun circuit classique de protection n'est capable
d'atteindre. 
Il a fait son office sans broncher pendant plus de 30 ans dans mon amplificateur, malgré les centaines de
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démonstrations de court circuits que j'aie pu faire, pendant ces années qui ont séparées ma première réalisation de
cette idée de la présente remise au goût du jour. Et pendant 30 ans, m'a protégé de tous bruits parasites et "clok"
inconfortables.
Pour conclure, si, à la première lecture, ce circuit vous parait complexe, il n'en est rien. C'est que nous l'avons enrichi de
tous les accessoires pour votre plus grand confort. Et même ainsi,il n'utilise qu'un quadruple amplificateur opérationnel,
un quadruple comparateur, deux transistors, quelques relais plus une poignée de résistances, diodes et condensateurs.
Le circuit final sera tout petit.
L'alimentation +-12V indépendante qu'il utilise pourra vous être fort utile pour d'autres étages amplificateurs, à moins
qu'elle n'existe déjà dans votre amplificateur ou vos enceintes actives ? 
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