Projet d`électronique P2 n°1 Amplificateur audio de puissance
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Projet d’électronique P2 n°1 Amplificateur audio de puissance Durée : 3 séances Objectif du Projet Le but de ce projet est la mise au point d’un amplificateur audio de puissance 1 Watt. Le montage sera réalisé sur plaquette à souder. Il devra comporter : - une sortie (monophonique) pour haut-parleur, - une sortie pour casque, ainsi que 2 entrées : - l’une pour des signaux d’amplitude très faible provenant par exemple d’un microphone ou d’une platine disque, - l’autre pour les signaux d’amplitude plus importante provenant d’un lecteur de cassette, d’un tuner, d’un lecteur de CD, etc. La tension de sortie dans le cas de ces signaux d’amplitude importante est 600mV efficace (excepté dans le cas du lecteur de CD où l’amplitude peut être encore plus importante). Cet amplificateur comportera un étage pré-amplificateur pour le signal de faible amplitude, et un étage de puissance pour la sortie du pré-amplificateur ou le signal de grande amplitude. Schéma fonctionnel du projet Le schéma suivant détaille le nombre de modules amplificateurs utilisés : Cahier des charges • • • • • Puissance de sortie : 1W (puissance max. des haut-parleurs utilisés, d’impédance 8Ω) Bande passante : 20Hz-20kHz Tension d’alimentation : 15V Sortie casque 2 tensions d’entrée : 1mV et 600mV (valeurs efficaces). Benoît Decoux, janvier 2002 1 Différentes échéances du projet • • • 1ère séance : étude de l’amplification en tension sur plaquette à contacts, soudage de sa version définitive 2e séance : étude de l’amplificateur de courant (push-pull) sur plaquette à contacts, soudage de sa version définitive 3e séance : soudage du montage complet et validation finale Rapport de projet D’une dizaine de pages, il devra comporter un travail de synthèse, c’est à dire un résumé des principales notions abordées dans ce projet. Les critères de notation de ce rapport seront : • La clarté : un lecteur ne connaissant pas le projet mais possédant votre niveau de connaissances en électronique doit être capable de comprendre l’objectif, le choix des solutions et le fonctionnement du montage. • L’originalité (des rapports de binômes différents trop similaires entre eux seront sanctionnés). Composants nécessaires au projet Les composants nécessaires au projet seront distribués en début de projet (excepté les résistances et condensateurs, disponibles dans les tiroirs en libre accès). - 1 plaquette à souder 1 haut-parleur 8Ω, 1W 1 transistor 2N3055 1 transistor 2N2955 2 transistors 2N2222 2 transistors 2N2907 1 circuit TL84 (= 4 AO) 1 résistance de 10Ω, 1W 1 potentiomètre manuel de 100kΩ 1 fiche femelle jack 3,5mm Remerciements Merci à : - Didier Achvar - Olivier Desbrosse - Mathieu Eliot - Eric Lee - Jean-Luc Paillard - Joël Pelletier pour leur aide dans la préparation de ce projet. Benoît Decoux, janvier 2002 2 Questions pour le compte-rendu de la 1ère séance Les questions posées dans ce qui suit sont destinées à vous guider dans la progression du travail pour vous permettre : - d’atteindre l’objectif fixé dans les échéances prévues, - de satisfaire les conditions du cahier des charges, - d’être à même de faire des choix de montages judicieux en fonction du but recherché. I) Amplification en tension Q1. Donner le schéma d’un amplificateur de tension basé sur l’utilisation de 2 montages amplificateurs inverseurs connectés en cascade. Proposer des valeurs de résistances adéquates pour à satisfaire le cahier des charges, sachant que l’entrée à faible amplitude sera appliquée sur l’entrée du 1er étage du pré-amplificateur (en vérifiant bien que le produit gain-bande du TL84 est respecté à chaque étage, et en s’arrangeant pour que les gains des 2 étages soient à peu près les mêmes). (3 points) Q2. Du fait que l’on soit en mode mono-alimentation (pour respecter le cahier des charges), on utilise le montage suivant, pour le premier étage : En considérant que l’on peut assimiler les capacités à des court-circuits pour l’alternatif et des circuits ouverts pour le continu, expliquer le rôle des composants ayant été ajoutés par rapport au montage bi-alimentation. (2 points) Q3. Montrer qu’en régime statique (pas de signal alternatif en entrée), ce montage se comporte comme un suiveur. Quelle est la tension présente alors sur sa sortie ? (2 points) Q4. Montrer qu’en régime dynamique on obtient bien un amplificateur non-inverseur. (2 points) Q5. Montrer l’avantage du montage non inverseur mono-alimentation par rapport au montage inverseur du point de vue de l’impédance d’entrée. (2 points) Q6. Donner le schéma de l’amplificateur mono-alimentation comportant 2 étages. (2 points) Q7. Quel est le gain en tension en décibels correspondant à l’amplification maximale du montage (celle qui est appliquée à l’entrée de faible amplitude) ? (2 points) Benoît Decoux, janvier 2002 3 Q8. Sachant que le condensateur de liaison d’entrée forme avec le reste du montage un filtre passe-haut, et à partir de l’impédance du montage vue à sa droite, quelle doit être sa valeur minimale ? (2 points) Q9. Utiliser un raisonnement similaire pour choisir une valeur adéquate pour l’autre condensateur du montage (condensateur de découplage). (2 points) Q10. Préciser la polarité des condensateur sachant que le pôle + doit toujours être à un potentiel supérieur au pôle -. (1 point) Benoît Decoux, janvier 2002 4 Projet d’électronique P2 n°2 : Amplificateur audio de puissance Séance 2/3 Avertissement Cette séance comporte de nombreuses questions théoriques. Il est fortement conseillé de les préparer à l’avance, et surtout de comprendre le sujet, pour pouvoir terminer les questions expérimentales pendant la séance (et rester dans les délais prévus pour terminer le projet à la 3e séance). Ce projet fait appel à de nombreuses notions étudiées en cours en ce moment. Programme de cette 2e séance : Etude de l’étage de puissance (montage push-pull) et insertion dans le montage complet. Programme de la 3e séance • • Attention une interrogation écrite portant sur l’utilisation du matériel d’expérimentation et sur le projet actuel, est prévue pour la 3e et dernière séance de ce projet. Validation du montage complet sur plaquette à souder. Module à valider Amplificateur non-inverseur à AO, avec rétroaction de la sortie du push-pull en entrée de l’amplificateur (correspond à Q18). (3 points) Questions pour le compte-rendu de la 2e séance Etude du fonctionnement du push-pull Dans un premier temps on utilise le montage push-pull ci-dessous. Le rôle des résistances d’émetteur est de protéger le montage contre l’emballement thermique. Le rôle des résistances de base est de polariser le transistor. Q1(p). Câbler ce montage. Appliquer une tension d’entrée ve d’amplitude 1V et de fréquence 1kHz, issue du générateur de fonctions. Appliquer la sortie du montage à la résistance de charge de 8Ω/1W. Relever la tension présente sur la sortie du montage quand les 2 diodes utilisées dans le montage sont présentes, puis lorsqu’elles sont court-circuitées par des fils. En déduire le rôle de ces 2 diodes. (1 point) Benoît Decoux, janvier 2002 5 Q2(p). Relever les tensions présentes aux bornes des 2 résistances d’émetteur (par une mesure différentielle utilisant 2 sondes, que l’on décrira), et en déduire le principe de fonctionnement de ce montage. (1 point) Amplification en courant du push-pull L’objectif ici est de montrer que le push-pull n’est pas un amplificateur de tension mais un amplificateur de courant (et donc que, associé à un amplificateur de tension, il permet d’obtenir une amplification en puissance). Le montage push-pull sera considéré comme une boîte noire, qui ne pourra être analysée qu’à partir des mesures effectuées sur des éléments extérieurs à cette boîte (résistance ajoutée en entrée, résistance de charge). Ce montage fonctionne en effet en mode non-linéaire et donc les modèles équivalents petits-signaux ne s’appliquent pas. Q3(p). Utiliser une résistance auxiliaire de quelques kΩ reliée en série entre le générateur de fonctions et l’entrée du montage (on verra son utilité dans la question suivante). Mesurer l’amplification en tension du push-pull, en décrivant le mode opératoire (entrée sinusoïdale d’amplitude qq V, fréquence qq Hz). (1 point) Q4(p). Déduire de la mesure précédente la tension aux bornes de cette résistance. A partir de la tension mesurée au bornes de la charge, en déduire l’amplification en courant du montage. Conclure. (1,5 point) Q5(th). Montrer qu’en sortie du montage un condensateur de liaison sera nécessaire. Montrer que ce condensateur introduit une fréquence de coupure basse. Calculer sa valeur pour respecter les conditions du cahier des charges. (1 point) Rendement On cherchera le rendement maximal, obtenu pour une excursion maximale de la tension de sortie, sans saturation. On réglera donc l’amplitude d’entrée en conséquence. Q6(th). Donner l’expression du rendement du montage push-pull utilisé. (0,5 point) Q7(p). Mettre le montage push-pull en fonctionnement (tension sinusoïdale de quelques kHz), la sortie étant appliquée à une charge constituée par la résistance de 8Ω/1W, et mesurer la puissance Benoît Decoux, janvier 2002 6 fournie par l’alimentation (en décrivant la mesure, sachant qu’on n’utilisera pas l’ampèremètre numérique). (1 point) Q8(p). Mesurer la puissance fournie à la charge (en décrivant la mesure). (1 point) Q9(th-p). En déduire le rendement expérimental de ce montage. (0,5 point) Q10(th). Du point de vue du rendement, quel est l’avantage d’utiliser un montage push-pull plutôt qu’un montage à émetteur commun ? Justifier la réponse de manière quantitative, en utilisant des résultats vus en cours. (1 point) Etude de la rétroaction On suppose que l’Amplificateur Opérationnel fonctionne dans son domaine linéaire et pour la bande de fréquences de travail présente : - une impédance d’entrée infinie - une amplification en tension boucle ouverte A = 105 Q11(th). Compte tenu des hypothèses de l’étude exprimer la tension différentielle d’entrée ε en fonction de V+ (potentiel de l’entrée non-inverseuse) et V- (potentiel de l’entrée inverseuse). (0,5 point) Q12(th). Exprimer la tension (A.ε) en fonction de Vbe et Vs. (0,5 point) Q13(th). Exprimer la tension V- en fonction de Vs et des éléments du montage. (0,5 point) Q14(th). En déduire l’expression de ε en fonction de Ve, Vs et des éléments du montage. (0,5 point) Q15(th). Exprimer maintenant la tension Vs en fonction de Vbe, Ve et des éléments du montage. (0,5 point) Q16(th). En faisant tendre A vers l’infini, retrouver l’expression de la fonction de transfert Vs = f (Ve) d’un montage à base d’AO dont on précisera le nom. (0,5 point) Q17(th). En déduire l’intérêt de la rétroaction par rapport au défaut dû au seuil de conduction de la jonction base-émetteur des transistors. (0,5 point) Benoît Decoux, janvier 2002 7 Q18(p). Retrouver ces résultats expérimentalement, en câblant un nouvel étage amplificateur de tension non-inverseur à AO avec 2 résistances identiques de quelques kΩ et plutôt que de prendre la rétroaction sur la sortie de l’AO, la prendre sur la sortie du push-pull. Raccorder la sortie de cet amplificateur en entrée du push-pull, et court-circuiter les 2 diodes. Retirer le condensateur d’entrée du push-pull et les 2 résistances de base. Quelle est la sortie observée du push-pull quand l’amplificateur de tension est attaqué avec une tension sinusoïdale de quelques kHz ? Conclure sur ce qu’on vient de faire (dans cette question). (1 point) Etude des limitations de l’attaque du push-pull par un TL8x Q19(th). Calculer le courant d’entrée minimal nécessaire pour que montage push-pull puisse fournir sa puissance maximale. (0,5 point) Q20(th). En utilisant le datasheet du TL084 (ou TL81 ou TL82 selon le cas), montrer que celuici, utilisé pour attaquer le push-pull, ne fournit pas le courant suffisant pour obtenir la puissance recherchée en sortie du push-pull. (0,5 point) Q21(th). Montrer qu’en utilisant un montage Darlington à la place de chaque transistor, ce problème de courant d’entrée est résolu (en précisant le schéma du nouveau montage). (0,5 point) Q22(p). Câbler ces montages Darlington en associant un transistor 2N2222 avec le 2N3055 et un 2N2907 avec le MJ2955. Mesurer à nouveau la puissance fournie à la charge et conclure sur l’intérêt de cette modification. (0,5 point) Conclusion Q23(th-p). Conclure des expérimentations effectuées jusqu’à maintenant les avantages et les inconvénients du montage push-pull. (1 point) Remerciements Merci à Eric Lee, Jean-Luc Paillard et Joël Pelletier pour la relecture de ce sujet et leurs suggestions. Benoît Decoux, janvier 2002 8 Annexe Rendement en puissance des amplificateurs Pour les amplificateurs BF de puissance, il convient de distinguer deux grandes classes de fonctionnement : • La classe A qui est réputée pour sa très bonne linéarité (qui se traduit par une tension de sortie de même forme que la tension d’entrée, et amplifiée), mais qui présente un rendement en puissance faible ; • La classe B qui ne présente pas une si bonne linéarité mais qui a l’avantage d’offrir un très bon rendement en puissance. Ce rendement est défini par le rapport : Puissance disponible en sortie Puissance délivrée par l' alimentation continue Le montage push-pull fonctionne en classe B. Dans ce circuit, les transistors sont bloqués au repos (c’est à dire qu’aucun courant ne passe entre le collecteur et l’émetteur) et ne conduisent chacun que pour une alternance du signal d’entrée (une seule demi-période). Le rôle des 2 diodes est de compenser, dans une certaine mesure, la tension de seuil de la jonction base-émetteur de chaque transistor. Entre sa base et son émetteur, un transistor se comporte en effet comme une diode. Mis à part le bon rendement en puissance, le courant de repos étant nul dans les transistors, le montage ne consomme théoriquement aucune énergie lorsqu’il n’est pas sollicité (en l’absence de signal à l’entrée…). Benoît Decoux, janvier 2002 9 Projet d’électronique P2 n°2 : Amplificateur audio de puissance Séance 3/3 Rapport de projet D’une dizaine de page, il devra être remis en début de la séance suivante. Programme de la séance - validation finale de la maquette (voir barème de validation au verso) - interrogation écrite 1/2 heure Dernières informations utiles à la finalisation de l’amplificateur audio Nous vous conseillons d’établir le schéma de la maquette et de le montrer aux enseignants avant de le souder complètement. Il serait dommage d’avoir à dessouder certaines parties. Pour satisfaire les conditions du cahier des charges, le montage final devra comporter une sortie casque, obtenue au moyen d’un module supplémentaire. Cet amplificateur pour casque sera composé d’un montage suiveur à AO associé à un montage push-pull (utilisant un 2N2222 et un 2N2907), avec contre-réaction (sans résistance, comme dans l’amplificateur de puissance étudié lors de la séance précédente). Le commutateur de sélection entrée haut-niveau/entrée bas-niveau sera obtenu à l’aide d’un cavalier qui sera enfiché sur des picots soudés sur la plaquette. Le potentiomètre de réglage du volume sera inséré entre la sortie de ce commutateur et les entrées de l’amplificateur de puissance et de l’amplificateur casque. Attention ce potentiomètre nous oblige à ajouter une nouvelle composante continue égale à Vcc/2 en entrée des amplificateurs de puissance (obtenue comme pour les étages d’entrée par 1 condensateur et 2 résistances). Le potentiomètre divise en effet non seulement le signal alternatif mais aussi la composante continue. Pour l’entrée audio et la sortie casque, 2 fiches jack seront disponibles : la première (mâle) permettra d’appliquer en entrée (haut-niveau) la sortie d’un baladeur (par exemple) ; la deuxième (femelle) permettra d’utiliser un casque. La sortie de l’amplificateur de puissance sera quant à elle connectée au petit haut-parleur de 1W. Dans l’amplificateur de puissance, il sera peut-être nécessaire d’avoir une amplification en tension (en jouant sur les résistances de l’étage à AO), pour atteindre 1 W dans la charge de 8Ω que constitue le haut-parleur. Benoît Decoux, janvier 2002 10 Barème de validation - ajout composante continue Vcc/2 en entrée préamplificateur (2 étages amplificateurs de tension) potentiomètre de réglage de volume amplificateur casque amplificateur de puissance (non inverseur à AO + push-pull) bande passante du cahier des charges puissance 1 W dans le HP fonctionnement avec les 2 entrées (choix par cavalier) soin apporté au montage 2 points 4 points 1 point 2 points 4 points 2 points 2 points 2 points 1 point Remarque Les maquettes seront récupérées en fin de séance pour la durée de la période de validation. Benoît Decoux, janvier 2002 11 Projet d’électronique P2 n°2 : Amplificateur audio de puissance Séance de finalisation Objectif de la séance Finaliser le projet sur plaquette à souder. La validation déjà commencée lors de la 3e séance sera poursuivie jusqu’à la fin de cette séance, dernier délai. Remarque : cette plaquette sera ré-utilisée dans le prochain projet. Il est donc important de le faire fonctionner, même une fois la validation passée. Elle sera récupérée en fin de séance pour la durée de la période de validation, et restituée en début de projet suivant. Rapport de projet Pour cause de compte-rendus non redistribués aux élèves dans certains groupes, le délai de remise des rapports est reculé d’une semaine. Des casiers par groupes seront ouverts à cet effet. Interrogation écrite Elle aura finalement lieu lors de cette séance de finalisation du projet. Simulation Lors de cette séance il vous est demandé de simuler une partie du montage amplificateur audio, avec Pspice. Pensez à amener le petit guide d’utilisation de Pspice que l’on vous a distribué en P1. Pour les élèves P’2 quelques guides seront disponibles sur place. Voici précisément ce qui est demandé : • • Simulation de l’amplificateur en tension non-inverseur à AO (on prendra un LM324), connecté en cascade au push-pull (2N2222 et 2N2907) sans les diodes de compensation et sans les résistances de base. Mettre en évidence la distorsion de croisement (voir sujet de la 3e séance) : analyse temporelle ; Utiliser la rétroaction et montrer l’amélioration apportée au niveau de la distorsion de croisement : analyse temporelle. Vérification de la bande passante par analyse fréquentielle. Les différents paramètres devront être choisis judicieusement pour mettre en évidence les propriétés demandées. Rédiger un commentaire détaillé de ces simulations, y joindre le schéma du circuit, ainsi que les résultats de simulation, tirés sur imprimante. Benoît Decoux, janvier 2002 12
