Workhorse amplifier...pour les nuls

[Ndstael]

Je viens de découvrir que j'écoute avec un Workhorse Amp sans le savoir   .
Finalement la définition du musicien pour ce type d'ampli colle à bon nombre d'appareils du commerce j'ai l'impression.

[jcsultz]

Le cahier des charges est très lucide.
Il est évident que l'on va trouver d'occase pléthore d'amplis correspondants.
De même de nombreux modules à base de chips, classe D ou AB sont disponibles sur le net.
Mais Mambojet a mis le doigt sur ce qui nous manque le plus, du moins à ma génération qui a connu des publications comme le Haut Parleur, Radio Plan, Electronique Pratique, LED, Elector, sources de nombreux projets, de kits, incitant le novice à faire travailler ses méninges et ses dix doigts.
A par Tony et quelques rares propositions étrangère on ne trouve plus grand chose.
Pour moi l'essentiel a toujours été apprendre en faisant.
Reste à miser sur le bon cheval et que la mise soit raisonnable.

Amicalement, Jean-Claude.

[mambojet]

J'aurais pu bien sur économiser tout le cheminement, aller directement vers la construction et intituler la filière: "Construction de l'ampli XXX"
J'ai pensé qu'il était plus interessant de raconter l'histoire en entier.
Bien sur vous pouvez avoir d'autres critères et au final aboutir à d'autres choix mais il est important à mon avis d'être cohérent et un peu logique (je sais que la passion rend cela quelquefois difficile)
On part d'un besoin exprimé qui aboutit à un cahier des charges préliminaire.
On affine ensuite ce cahier des charges et on voit ce qui peut correspondre. Quelquefois, dans le monde industriel, on s'apercevra que rien ne correspond totalement. Il faudra alors revenir sur le cahier des charges (les specs) et voir sur quoi on est prêts à lâcher un peu.

Parlons un peu de la classe de fonctionnement afin d'utiliser la bonne terminologie.
En théorie, en classe A, avec un courant de repos très fort, les Tr de puissance du push pull conduisent  sur la totalité du cycle, pas de passage à 0 (blocage du transistor)
En classe B, il n'y a pas de courant de repos et c'est la modulation qui débloque le transistor qui ne conduit que sur la moitié de la pseudo sinusoïde représentant le courant
En classe AB on est en situation intermédiaire avec un courant de repos qui fait qu'on est en classe A jusqu'a un certain niveau, puis on passe en AB

Il y a de multiples ouvrages sur les amplificateurs de puissance mais ceux de Bob Cordell et de Douglass Self sont les plus connus;
Pour la Self la classe B théorique (qui conduit à de très fortes distorsions de croisement) n'existe pas en pratique
Il appelle classe B un étage de sortie qui aurait juste le courant de repos nécessaire pour éliminer la distorsion de croisement (en fait ce serait un classe AB avec un très faible courant de repos)
Pour donner quelques chiffres
Si on prend un étage de sortie avec deux paires de transistors complémentaires (NJW3281 et NJW1302), pour un rail à 30V, sur une charge de 8 ohm, on est en classe A avec 600mA dans les Tr (1,2A au total) pour environ 23W
En classe AB par exemple avec 100mA (200 au total), on sera en classe A seulement jusqu'à 0,64W rms
Et en classe B (selon Self) avec 18 mA (36 au total), on sera en classe A jusqu'à 0,02 W

Pour le calcul en classe A on prend deux fois le courant de repos (push pull) qui devient le courant crête, on divise le tout par 1,414 pour obtenir le RMS
Et pour la puissance P = RI²
Donc 2 fois 1,2 = 2,4
2,4 /1,414 = 1,697,
Au carre cela donne 2,88 qu'on multiplie par 8 ohms cela nous donne 23,04W
P = 8 ×(2,4/1,414)²= 23W


Dans son amplificateur Trimodal, Self effectue des relevés entre les 3 modes qui montrent que la classeAB est en fait la moins performante des 3
Bon il faut relativiser car ce que Self appelle High distorsion c'est 0,02%   (cela fait drôle pour ceux qui utilisent des amplis à tubes)

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Je vais compléter ce post par des relevés sur un étage de sortie pour bien comprendre

[mambojet]

Je viens de découvrir que j'écoute avec un Workhorse Amp sans le savoir  :cheesygrin: .
Finalement la définition du musicien pour ce type d'ampli colle à bon nombre d'appareils du commerce j'ai l'impression.

Oui il y en a en effet qui correspondent
Toutefois la notion "à l'aise sur les basses impédances" fait qu'il n'y en a pas tant que cela
Tout dépend de ce que l'on met dans ce "A l'aise sur les basses impédances" sachant que de nombreux amplis vintage ne l'étaient pas du tout

Forte puissance (sous 8 ohm) signifie tensions des rails élevées mais très forts courants (sous 2 ohm) font qu'on sort souvent de la SOA (Safe Operating Area) des Tr avec cette tension de rail élevée
Pour rester dans la SOA sur les basses impédances, il faut donc baisser la tension des rails et sacrifier un peu de la puissance sous 8 ohm (ce dont tout le monde devrait se foutre, il y a toujours assez sous 8 ohm...)

[mambojet]

Pour bien saisir cette notion de classe A et classe AB, j'ai pris l'exemple d'un étage de sortie en classe A qui correspond aux données au dessus
Etage de sortie de type EF2 (Emitter Follower 2 étages)
2 paires de puissance (NJW1302 et NJW3281)
Rails à 30V
600mA dans les Tr (1,2A au total)
On a vu que le calcul nous donnait 23W en classe A sur charge de 8 ohm

Voici l'ampli dont on parle
C'est un CFA (Current Feedback Amplifier) Classe A de 25W d'Andrew C Russell (que j'ai réalisé aussi...)

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Ici le courant dans la charge (8ohm en vert) à la limite de la classe A (les Tr descendent très bas en courant mais pas à 0)
Courant dans un des NPN en bleu
Courant dans son homologue PNP en rouge

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On retrouve les 2,4A crête dans la charge et donc les 23W

Maintenant on conserve le même signal d'entrée et on switche sur une charge de 4 ohm
On n'est plus en classe A
On observe le passage en AB des Tr de puissance avec la partie de blocage à 0
Le courant que l'ampli peut fournir en classe A reste le même (2,4A crête) mais comme la charge n'est que de 4 ohm cela nous fait seulement 11,5W en puissance
L'ampli débite en fait 38W (en classe AB) sur la charge de 4 ohm

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Je comptais consacrer un fil aux amplis à transistors en classe A (pour les nuls   ). On y reviendra à ce moment.

PS: il nous faut au minimum 2kg de radiateurs de chaque coté pour ce classe A afin de ne pas dépasser les 60°C sur les radiateurs et 80°C sur les jonctions des Tr (pour une température ambiante de 25°C). Cela donne une idée...Sur le mien j'ai des radiateurs de 400 x 150 x 50 pour une Rth de 0,35°K/W (environ 2,8kg). Je tourne à environ 54°C

PS2 pour visualiser en haute définition, ne pas cliquer sur l'image mais sur le lien juste au dessus. La photo s'ouvre dans une nouvelle fenêtre en pleine définition
il faut cliquer sur ce texte : "Cliquez sur l'image pour l'agrandir" au dessus de chaque image
Je sais que beaucoup le savent mais bon...Au cas où...

[Damounet74]

Très joli projet !

Tu peux jeter un oeil sur les 2 amplis classe B de JM Plantefève, le Sphinx et le Cube. Tout y est décrit, le coût est contenu (grosso modo 400€ pour un Sphinx de 2x100W).
Il est peut-être possible de remanier un peu tout cela pour obtenir plus de puissance si besoin ou une meilleure tenue pour les basses impédance

Damien

[mambojet]

http://jm.plantefeve.pagesperso-orange.fr/solide.pdf

Pour le Sphinx de 2 fois 100W c'était 592 euro en 2017 (je crois...)
Cela a du augmenter...sensiblement
Mais oui sinon le design est nickel et il y a un livret de construction...en Français

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C'est un excellent exemple et on y reviendra

[mkl]

Dans son amplificateur Trimodal, Self effectue des relevés entre les 3 modes qui montrent que la classeAB est en fait la moins performante des 3.

Intéressant. J'avoue qu'intuitivement, j'aurais plutôt pensé que la classe AB serait un genre de compromis entre classe A et classe B. Comme quoi il faut se méfier des a-priori.

[mambojet]

Oui c'est pas facile à comprendre: (en tous les cas pour les nuls que nous sommes... )
Et en plus "les spécialistes" ne sont pas tous d'accord...

Inevitably human ingenuity has been applied to creating compromises between Class-A and the much more efficient Class-B. The simplest is traditional Class-AB, which is simply Class-B with the bias turnedup to give a region of Class-A around zero. As compromises go, this is not a happy one (see Chapters 9 and10) because when the output stage leaves the Class-A region, there is a step-change in gain which generates significantly greater high-order distortion than optimally biased Class-B.

[Damounet74]

http://jm.plantefeve.pagesperso-orange.fr/solide.pdf

Pour le Sphinx de 2 fois 100W c'était 592 euro en 2017 (je crois...)
Cela a du augmenter...sensiblement
Mais oui sinon le design est nickel et il y a un livret de construction...en Français

C'est un excellent exemple et on y reviendra

Ah, au temps pour moi    même si on reste dans l'abordable sans dégager trop de chaleur  

[Tron_ic]

Bonjour à tous,

Pour information il y à un sujet et un développement extrêmement poussé qui à été fait par un membre du forum Bleu il s'appelle Stéphane et l'amplificateur de puissance réalisé s'inspirent en tout cas pour la première version d'un QUAD 405. Ca à commencé sur sur Diyaudio : https://www.diyaudio.com/community/thre ... nd.374507/

Son travail est de mon point de vue exemplaire et il mérite je pense qu'on y regarde de plus près. C'est pourquoi j'invite ceux qui le souhaitent d'aller y jeter un œil. Ci-dessous la version V3 terminée

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Ca tiens dans un 3U, c'est vraiment très complet avec les pcb une liste de composanst des conseils, des mesures et nombres d'autres informations.

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Le fil spécifique sur le Bleu avec explications et échange avec son concepteur :
http://www.forum-bleu.com/t2031-q17-min ... u-quad-405

Salutations. Tony

[mambojet]

Avançons un peu...

La cahier des charges étant à peu près bouclé, il reste à choisir, pour ce qui concerne l'étage de sortie, entre bipolaires et Mosfet. Je n'ai rien contre les MosFet mais j'ai en stock 8 paires de transistors bipolaires NPN/PNP de dernière génération que j'aimerais bien utiliser.
Cette dernière génération est très performante et met fin à une faiblesse connue et reconnue des transistors de puissance bipolaires "classiques" qui est le "Beta Droop"
Ce phénomène caractérise la chute du Beta (gain en courant du transistor) avec le débit (Ic)
L'apparition de ce que Self appelle LSN (Large Signal Non linéarity") est marquée lors du fonctionnement à basse impédance où le courant devient important.
Ce LSN est du en grande partie au Beta Droop et à ses conséquences et en particulier la charge très importante imposée au driver.
Pour le contrer on peut multiplier les paires de puissance ou/ et utiliser des transistors de dernière génération où ce phénomène est très controlé et très peu présent.

Ce sont des "Beta sustainers"
Les NJW3281/1302 en font partie
https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/njw3281-d.pdf
Ils sont disponibles en boitier TO3P et sont donnés pour 200W de dissipation maximale

Encore un peu plus puissants et dotés d'un dispositif de "Thermal Trak" les NJL 4281/3202 en boitier TO-264 (boitier un peu plus grand que le TO-3P) pour 230W et une meilleure capacité de dissipation (jonction to case Rth): 0,54 contre 0,62 pour les NJW
https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/njl4281d-d.pdf

On peut choisir l'un ou l'autre. Les NJW ont une meilleure réputation de qualité perçue (si cela a un sens...) Dans mon cas, vu que je dispose d'un petit stock de NJW que j'avais constitué lors de la fabrication de mon classe A de 25W, le choix est fait...

Encore une conséquence du "bon fonctionnement sous basse impédance" (décidément le principal problème) du cahier des charges, il faut vérifier que nous restons dans bien dans le SOA du transistor
Il s'agit du Safe Operating Area - SOA
Le datasheet donne des courbes et précise:
There are two limitations on the power handling ability of a transistor; average junction temperature and secondary breakdown. Safe operating area curves indicate IC − VCE limits of the transistor that must be observed for reliable operation; i.e., the transistor must not be subjected to greater dissipation than the curves indicate.

Si on veut bien examiner un fonctionnement sous 2 ohm avec 300W délivrés à la charge:
Cela nous donne un courant de 12A à repartir entre les paires de transistors de puissance.
Pour 2 paires 6A par paire, pour 3 paires 4A par paire, pour 4 paires 3A par paire

On voit sur les courbes que plus la tension est élevée plus cela se complique. D'ou le choix d'une tension de rail relativement basse en sacrifiant un peu de puissance pour 8 ohm (puissance dont on se fiche sur cette charge très facile)

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On peut observer qu'avec 2 paires, sous 2 ohm, on est clairement aux limites même en limitant la tension des rails à 50V (120W 8 ohm)
Avec 3 paires cela passe à peu près
On pourrait se dire que le fonctionnement sous 2 ohm est transitoire et pas continu (et d'ailleurs les courbes de SOA le prévoient avec les tracés à 1s, 100mS... mais cela ressemble un peu trop à mon gout aux justifications données par les constructeurs dans les années 80 pour expliquer que leurs amplis n'étaient pas capables de fournir du courant...

Bon, en clair, 3 paires seraient préférables si on arrive à passer dans un boitier de dimension réduite en 3U et 300 de profondeur. Avec seulement 2 paires il serait sans doute préférable d'utiliser les NJL4281/4202 un peu plus puissants

Dans le prochain post, l'alimentation, puis ce sera l'heure des choix avec quelques design disponibles... (en plus de ceux qu'on a cité dans les posts précédents)

[sosto]

Merci Mambo, grâce à ton sens de la vulgarisation, au travers de tes différents projets (transistor là mais tubes avant), tu permets à des non électroniciens de saisir les enjeux et difficultés à concevoir un circuit cohérent, et j'espère efficace  

[Bruno D]

Intéressant ces précisions sur les caractéristiques et l'amélioration des transistors récents.

Pour les tubes, c'est l'inverse  

[babaas]

Merci Mambo, grâce à ton sens de la vulgarisation, au travers de tes différents projets (transistor là mais tubes avant), tu permets à des non électroniciens de saisir les enjeux et difficultés à concevoir un circuit cohérent, et j'espère efficace  :wink:

+1000.

Non seulement il est pédago mais en plus il maîtrise le storytelling.
Du coup, le budget en pop corn s'en ressent.   

[AJMARS]

Bonjour Philippe,

J'avais un peu regardé il y a pas très longtemps, il me semble qu'il y a pas mal de choses chez Sanken en paires complémentaires de puissance...

Peut-être pas des 200W...

A plus
André

[Narcose]

Les Klinger Favre font 40 Watts, mais c'est largement suffisant.

master13.jpg

http://www.forum-bleu.com/t570-l-ampli- ... nger-favre

[Hollow]

Je dis, quelques 2N3055 de notre jeunesse et roule ma poule.

a+

[mambojet]

Merci pour vos encouragements
Je continue avec l'alimentation...
100W 8 ohm avec une petite marge signifie des rails à environ 50V (on aura une petite marge ce qui est bien puisque la tension des rails va baisser avec l'augmentation de la charge)
En fait on tournera autour de 120W 8 ohm
On a pour simplifier deux choix possibles avec, à l'intérieur de chacun de ces choix des options possibles ou non en fonction des limitations imposées par le cahier des charges

Les alimentation SMPS
Cela parait une option valable techniquement et j'avoue que je n'en ai aucune expérience sur un ampli classe AB. Par contre j'ai effectué quelques dépannages sur des amplis classe D et souvent c'est cette alimentation qui était défaillante.
Donc je n'ai pas d'avis concernant la performance et ceux qui ont cette expérience pourront bien entendu apporter leurs commentaires éclairés sur ce point.
Par contre et pour respecter les critères de fiabilité maximum (Workhorse oblige...), je ne vais pas aller dans cette voie et on va en rester à la bonne vieille alimentation classique des familles

Les alimentations classiques
On a en gros un transfo, au moins un pont redresseur (ou des diodes Schottky ou pas...), un banc de capa constituant une cellule de filtrage
A l"intérieur de ce choix, on peut opter sur la solution simple: une alimentation pour la totalité de l'ampli ou aller vers un double mono. Cette dernière solution plus performante cote crosstalk (diaphonie) est encore plus interessante sur un ampli classe B ou AB puisque par définition même de la classe , le débit de l'alimentation est variable.
Oui mais deux transfos, les redresseurs, deux bancs de capas à caser dans un un boitier assez petit...
Je pourrais y arriver mais cela va se traduire par un boitier plein comme un oeuf alors que je souhaitais une certaine aération de l'ensemble
Surtout qu'il faudra caser aussi un circuit "soft Start" et un circuit de sécurité (on en reparlera...). Sur ce niveau de puissance et de capacité en courant et au vu de la taille du torique c'est indispensable.
Donc simple alimentation (compromis oblige). On peut aller jusqu'à 800VA au niveau du choix du transfo sachant tout de même qu'il ne restera qu'une place limitée pour le banc de capas, les ponts et le reste.
Il existe chez DIYaudioStore une alimentation très bien conçue et permettant toutes les options souhaitées
https://diyaudiostore.com/collections/p ... versal-psu
Je l'ai utilisé avec bonheur et avec des diodes Schottky sur mes Classe A.
Le hic c'est qu'elle prend beaucoup de place et j'ai de la difficulté à la caser dans le boitier choisi (3U, 300 de profondeur)
Donc soit je le fais à l'ancienne avec des capas à vis et des fils, soit je trouve une carte qui prend moins de place...

Coté filtrage
Sur un classe A , l'alimentation débite à régime quasi constant (sauf lorsque l'ampli passe en classe AB mais cela devrait rester rare). Par contre elle débite à niveau très élevée et par conséquence le taux d'ondulation est important. C'est pourquoi on trouve sur les amplis en classe A de très grosses valeurs de capas (souvent à la limite du raisonnable) avec la volonté affichée d'améliorer le filtrage.
Pour améliorer ce filtrage de façon très conséquente sans recourir à des valeurs de capacités "de folie", Nelson Pass a adopté sur ses amplis classe A un filtrage CRC
Cette option est activable sur la carte DIYAudio
On utilise en général sur les amplis de 25W 4 résistances de 0,47ohm 5W en parallèle sur chaque rail. Donc contrairement à ce que j'ai lu sur une autre filière, la R de la cellule RC n'est pas de 1 ohm mais plutôt proche de 0.1. N'empêche que même avec cette faible valeur l'amélioration sur le filtrage est très importante.
L'impédance de l'alimentation est légèrement plus importante mais comme l'alimentation débite à régime constant ce n'est pas un problème et les avantages l'emportent (à mon avis) sur les inconvénients.
Sur les amplis en classe AB ou B, le courant de polarisation est beaucoup plus faible et l'alimentation fonctionne en régime variable. Le taux d'ondulation n'est pas trop un problème, par contre la réponse de l'alim aux appels de charge en devient un.
C'est pourquoi j'ai opté pour un banc classique de capas (simple C et pas CRC) et un double pont (2 fois 35A)
Le transfo torique de 800VA occupe plus de la moitié de la profondeur du boitier, ce qui signifie qu'il ne me reste que 150 mn pour casser le banc de capas et tout le reste
J'ai acheté cette carte qui n'occupe guère plus que la largeur de 2 capas cote à cote:
https://www.ebay.fr/itm/274703763179

J'ai collé derrière un très solide bornier (alimenté par du 2.5 rigide) comme on peut le voir ici
Et également des diodes de signalisation

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Comme l'ampli peut fournir de très forts courants, il faut câbler en conséquence. J'utilise de l'Alphawire fil de câblage industriel en AWG 14 (environ 2 carré) gaine "heat résistant" et isolement à 600V. C'est un poil plus cher que le fil de "Merlin Pinpin" mais infiniment moins qu'un fil de câblage audiophile et on a la facilité de câblage et la sécurité.

Les capas sont des Epcos / TKD de 10000uF. On a donc 80000 uF au total.
Avec un banc de 80000uF et un transfo torique de 800VA, l'appel de courant au démarrage va être très important et un circuit Soft Start est vraiment indispensable.

Dans le prochain post, les choix sur lesquels j'ai réfléchi pour les circuits d'amplification

[Bruno D]

A priori le "soft start" est plus facile à installer au primaire du transfo, la solution de la CTN est la plus simple et ne prend pas de place si c'est déjà un peu limite au niveau du boitier. Alors qu'un circuit temporisé avec un relais aura un encombrement non négligeable.