AMPLIFICATEUR POUR CASQUE A TRANSISTORS EN CLASSE A
Projet publié dans la revue Electronique Pratique n° 313 de février 2007 sous le titre: "Amplificateur en pure Classe A pour Casque" 
Cet amplificateur développe une puissance nominale de 100 mW sous une grande variété d’impédances. Sa bande passante s’étend de 16 Hz à 60 kHz à –1 dB. D’une mise en œuvre simple, il affiche néanmoins des performances excellentes.
LE SCHEMA
Schéma de l’Amplificateur
Le schéma met en œuvre un amplificateur à transistors fonctionnant en classe A.
Le signal est appliqué à un amplificateur différentiel composé des deux transistors Q1A et Q1B. La carte est équipée de deux BC546, mais peut également être équipée d’un circuit intégré SSM2210 ou SSM2212. Le transistor Q1A reçoit et amplifie le signal d’entrée. Ce signal est ensuite amplifié par le transistor Q2 (BC556). L’impédance de charge de Q2 est infinie, car réalisée par Q3 monté en source de courant. Ce courant constant de 4,6 mA est fixé par la tension de 4,6 Vdc appliquée aux bornes de la résistance R13 de 1 kΩ.
La configuration de l’étage de sortie en émetteur suiveur est classique, elle utilise une paire de BD139 – BD140. La tension de 5,1 Vdc appliquée entre les deux bases induit un courant de 100 mA aux bornes des 44 Ω formés par R14 et R15, et par conséquent dans les deux transistors. Chaque transistor dissipe 1,5 W et doit être refroidi par un dissipateur. A l’équilibre la température des dissipateurs s’établit à 55 °C pour 23 °C de température ambiante.
Une portion du signal de sortie est appliquée en phase à l’autre entrée de l’amplificateur différentiel. Cette contre-réaction réduit le gain de l’ensemble à 5,5 (sans charge), ce qui est d’ailleurs le rapport de division de (R10+R9)/R9.
La capacité C3 bloque la composante continue de la contre-réaction ce qui se traduit par un gain unitaire en DC. La tension de sortie DC est alors égale à la tension DC d’entrée elle-même fixée au potentiel zéro par R2. Comme les choses ne sont jamais parfaites, un ajustable P2 fixe la tension DC de sortie à 0V +/- 10 mVdc.
La fréquence de coupure basse de l’ampli s’établit ici à 9 Hz à –3 dB, et est principalement le résultat du ‘’passe-haut’’ réalisé par C1 et R2, dont la fréquence de coupure est définie par la formule F=1/(2.p.R2.C1) soit 7,2 Hz.
Il est parfaitement possible de coupler l’amplificateur en DC, il suffit pour cela de supprimer C2 et C3 et de les remplacer par un court-circuit.
La fréquence de coupure haute est limitée à 100 kHz par le filtre C2-R4. En l’absence de ce filtre, la fréquence de coupure grimpe à plus de 700 kHz. Ces deux dispositions nous restituent une réponse en fréquence plus adaptée à notre oreille.
Afin de protéger notre précieux casque, nous avons ajouté un circuit de protection simple qui isole la sortie en cas de présence d’une composante continue.
La tension de sortie est appliquée aux portes d’un circuit comparateur double qui bascule si la tension de sortie dépasse 2 Vdc, en positif ou en négatif. Le condensateur C5 de 1 µF écrase la composante alternative du signal de sortie pour ne laisser s’établir que la composante continue. Le temps de réaction du circuit est de 0,5 Sec.
De plus, à la mise sous tension, C5 applique instantanément la tension de +15 Vdc aux portes du comparateur et isole la sortie jusqu’à la stabilisation de l’amplificateur. Le couplage de la sortie est réalisé après 2 secondes.
ADAPTATION DES IMPEDANCES
L’impédance des casques n’est pas vraiment normalisée. Nous trouvons sur le marché des casques de 8,16, 32, 50, 64 et parfois 600 Ω, ce qui nous oblige à avoir à disposition pour une même puissance, des tensions assez différentes: 100 mW dans 8 Ω ne demande que 0,9 Vac alors que 100 mW dans 600 Ω exige 7,7 Vac.
Les résistances R14 et R15 limitent le courant appliqué au casque. Ainsi pour une impédance de 8 Ω, l’écrêtage a lieu à 1,5 Vac, soit à 250 mWeff alors que pour une impédance de 64 Ω, l’écrêtage a lieu à 4 Vac soit également à 250 mWeff. Ces puissances sont largement supérieures à ce qui est supportable pour l’oreille humaine. Pour rappel, la norme préconisée pour la puissance maximale est de 100 dB SPL. Les écouteurs ont une sensibilité comprise entre 90 et 110 dB SPL / 1 mW. Une écoute ‘’normale’’ ne nécessite que quelques milliwatts, sauf pour les casques professionnels de meilleure qualité mais moins sensibles (90 dB SPL / 1mW) qui nécessitent 10 mWeff.
Cette réserve de puissance nous garantit une restitution exempte de distorsion.
LE CIRCUIT D’ALIMENTATION
L’alimentation produit deux tensions symétriques de + et – 15 Vdc. Le schéma met en œuvre deux régulateurs 7815 et 7915. La seule difficulté réside dans le dessin du circuit imprimé qui doit garantir l’absence de retour d’ondulation de filtrage qui se traduit par une ondulation parasite en sortie. Pour cela, il importe de placer les condensateurs de filtrage entre le pont de redressement et les régulateurs, en s’assurant de la largeur de la piste de masse. Le taux de réjection de l’ondulation d’entrée est spécifié à 60 dB pour le régulateur négatif 7915 et à 70 dB pour le régulateur positif 7815. Dans le cas de notre alimentation, l’ondulation résiduelle est de l’ordre de 300 µVac en négatif et de 100 µV en positif. Les deux régulateurs alimentés en + et – 20 Vdc débitent un courant de 200 mA et dissipent chacun 1 W. Il est donc indispensable d’évacuer les calories via un dissipateur.
MISE EN ŒUVRE
Le boîtier
Le boîtier utilisé est disponible chez Radiospares et porte la référence 222-020. Le 222-020 est obsolète et remplacé par le 754-5967. Il est évident que tout autre boîtier peut convenir à cette réalisation.
Il est plus facile de réaliser en premier lieu la partie mécanique en se servant de la carte non montée et des divers éléments.
La carte imprimée supporte tous les composants. Elle est fixée au châssis ou au boîtier par quatre entretoises. La mise en œuvre est très simple, et la photo 2 montre un exemple de réalisation. Sur la face avant, la position de trou de passage de l’axe du potentiomètre est imposée par la disposition de la carte à l’intérieur du boîtier. Il en va de même pour la position du socle RCA stéréo sur la face arrière (photo 4 et photo 5). Les autres cotes ne sont pas critiques.
Après s’être assuré que tous les ensembles trouveront leur place, nous pouvons passer au montage des divers composants sur le circuit imprimé.
Le circuit imprimé
Typon à l’échelle 1
Le circuit imprimé (photo 6 – figure 4) de dimensions 99 x 154 mm supporte tous les composants de l’amplificateur, de l’alimentation et de son transformateur.
Les 3 cosses faston et 5 cosses picot sont insérées et soudées en premier lieu. Ensuite on soudera les composants par ordre de grandeur en commençant par les plus petits.
La Led D6 a été placée sur la face avant mais peut être soudée directement sur la carte. Le circuit imprimé est prévu pour recevoir en place des deux Q1A et Q1B un circuit intégré SSM2212.
Il est préférable de tester la carte en dehors du boîtier. Assurez-vous que les potentiomètres P2 sont en milieu de course. Il suffit d’alimenter le primaire de transformateur et de monitorer les deux tensions d’alimentation.
Quand les + et 15 Vdc sont établis, la mesure de la tension en sortie vous donnera immédiatement une indication de l’état de santé de votre réalisation. Si vous avez entre + ou - 2 Vdc en sortie, c’est que vous ne vous êtes pas trompés, et le réglage de P2 doit vous amener facilement à zéro Volt.
Dans le cas contraire, référez-vous aux tensions reprises sur le schéma pour débusquer le problème. Pour tester la protection, raccorder une résistance de 120 kΩ entre la base de Q1A (ou la broche 2 du SSM2212) et successivement aux deux alimentations. Ceci doit activer le relais K1 et la Led D6.
La masse
L’ensemble du circuit est flottant. La mise à la masse du châssis se fait en un seul point à l'arrière de la carte (photo 2). Deux vis auto-taraudeuses assurent le contact électrique avec le châssis. On s’assurera que sans ce contact de masse, le circuit est bien flottant par rapport au châssis. Si ce n’est le cas, il faudra chercher et lever la fuite coupable.
QUELQUES MESURES
La réponse aux signaux carrés est excellente (figure 5). Le dépassement est inexistant et le temps de montée est inférieur à 2 µSec. La fréquence de coupure se situe vers 120 kHz à – 3 dB (figure 6).
Le taux de distorsion (figure 7) à la puissance nominale est inférieur à 0,03 % sur toute la gamme audio. Le taux distorsion d’intermodulation est inférieur à –80 dB. En figure 7, autour de la porteuse à 7 kHz apparaissent de part et d’autre deux battements. Le premier à 50 Hz n’est que l’ondulation parasite résultant du set-up de mesure. Seul le deuxième à 60 Hz représente le battement généré par la non-linéarité de l’amplificateur. La figure 8 présente l’évolution de la DHT à 1 kHz pour les deux impédances courantes de 8 et 64 Ω.
Spécifications du projet
Les caractéristiques techniques (figure 9) sont données pour une impédance de 64 Ω.
Liste des composants
En conclusion
L’écoute au casque est à la mesure des excellentes caractéristiques techniques de la réalisation. Le son très agréable, sans coloration, restitue la musique classique et le jazz avec une excellente définition.
Si vous hésitiez encore à vous lancer dans une réalisation audio, voici un projet à la mise en œuvre simple mais soignée, sous la forme d’un produit fini qui vous donnera pleine satisfaction.
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Récapitulatif des photos (Haute définition)
