Amplificateurs

Les amplificateurs électroniques ou « amplis » sont des dispositifs qui augmentent la puissance des signaux. Ils sont utilisés dans tout, de la radio aux ordinateurs. Comprendre les amplificateurs est essentiel si vous voulez devenir un ingénieur électricien ou simplement apprendre à régler votre système audio. Des milliers d’ingénieurs ont contribué à améliorer la conception des amplificateurs au fil des ans, nous n’en mentionnerons que quelques-uns ici. Le domaine de la conception d’amplificateurs est énorme,donc nous ne couvrirons que quelques bases ici avec des liens vers des pages qui vont plus en détail sur les aspects de ce sujet.

1.) Comment ils fonctionnent et les bases
2.) Amplificateurs de puissance
3.) Amplificateurs pour haut-parleurs et instruments de musique
4.) Amplis à transistors
5.) Amplis à tubes, comment ils fonctionnent
6.) Modèle d’ampli à 3 tubes

1.) Comment ils fonctionnent

Au sens le plus élémentaire, un amplificateur prend un signal faible et lui ajoute de la puissance à partir d’une alimentation pour le rendre plus important à la sortie.

Deux exemples de base de la nécessité d’un amplificateur:

Audio – Thomas Edison et Emile Berliner ont développé le microphone au carbone. Le courant continu passe entre deux plaques métalliques entre lesquelles se trouve du carbone, l’une de ces plaques est le diaphragme qui vibre lorsque les ondes sonores le frappent. Cette distance changeante entre les deux plaques modifie la résistanceet donc sur l’extrémité de sortie, vous avez un signal continu qui devient alternatif en se modulant.
Problème : l’extrémité de sortie d’un microphone est un signal faible car une faible tension continue est nécessaire pour faire fonctionner un microphone. Maintenant, nous devons prendre ce signal faible et soit l’envoyer sur une longue distance (comme le système téléphonique), soit le mettre dans un haut-parleur. Des amplificateurs étaient nécessaires pour faire cela.

Radio – Quand Alexanderson, Fessenden, Hull et d’autres ont développé la transmission radio vocale et le radart, ils avaient besoin d’un moyen de prendre les faibles ondes radio détectées par les tubes à vide et d’amplifier le signal pour qu’il puisse alimenter un haut-parleur. Les amplificateurs (comme le tube à vide triode) étaient également nécessaires pour prendre les signaux faibles transportant l’audioet la vidéo (télévision) et transformer ce signal soit en mégawatts de signal (pour un émetteur), soit en plusieurs watts pour alimenter un haut-parleur du côté récepteur.

Gain – le mot gain est utilisé pour décrire la capacité des amplificateurs à multiplier la puissance. Pour mesurer le gain, vous devez mesurer la puissance d’entrée et de sortie. Les décibels sont utilisés pour mesurer le gain à travers des équations. Le gain est logarithmique, mesuré par une puissance de 10. Pour calculer le gaind’un amplificateur donné, utilisez la série d’équations trouvées sur cette page wiki >

Oscillateurs – lorsqu’un amplificateur est connecté à un filtre puis de nouveau à sa propre entrée, vous créez un oscillateur linéaire. Les oscillateurs sont utilisés dans les horloges, la radio, la télévision,les filtres, et beaucoup d’autres choses. Ils sont utilisés pour accorder les circuits, et sont des outils importants pour faire fonctionner les choses. Plus sur les oscillateurs >

2.) Amplificateurs de puissance

Dans la chaîne du signal, l’amplificateur de puissance désigne l’amplificateur final. L’amplificateur de puissancepeut amplifier le signal à des niveaux élevés pour l’utiliser afin d’alimenter une antenne, un magnétron(radar), un haut-parleur ou un fil/fibre de transmission de données à longue distance.

Les amplificateurs de puissance sont classés en classes pour décrire la quantité du signal sinusoïdal amplifié. L’ampli peut être conçu pour être éteint pendant la moitié d’un cycle, ce qui change la forme d’onde qui passe.
Classes (analogique) : A, B, AB, CCClasses (numériques) : D, E, F, G, S, T
Lire plus sur les classes ici.

Ci-dessous : A gauche : amplificateur à tube pour un magnétron dans un premier four à micro-ondes. Les grands dispositifs cylindriques argentés et jaunes sont des condensateurs.

En bas : A droite : amplificateur moderne à semi-conducteurs pour un magnétron.

3.) Amplificateurs pour haut-parleurs et instruments de musique Les amplificateurs utilisés pour piloter les haut-parleurs prennent une quantité infime de signal généré par un microphone, un récepteur radio, une télévision ou un autre appareil et le convertissent en un signal suffisamment puissant pour piloter les puissants électro-aimants que l’on trouve dans les haut-parleurs. Les circuits des amplificateurs audio sont constitués de : Condensateurs : condensateurs de filtrage, condensateurs de couplage Résistances Tubes à vide ou transistors Rectificateurs – convertissent le courant alternatif en courant continu. Peut être des diodes au silicium ou des redresseurs à tubes Diodes et redresseurs à tubes Les circuits amplificateurs pour piloter les haut-parleurs électromagnétiques représentaient le plus grand défi pour les premiers ingénieurs audio. Bien que le haut-parleur ait été théorisé pour la première fois dans les années 1870, il a fallu attendre plus de 40 ans avant de voir le premier haut-parleur fonctionnel prêt à être commercialisé. La raison en est que d’autres technologies, comme les tubes à vide et les mathématiques avancées pour les circuits électriques, ont dû être développées pour fabriquer un amplificateur audio qui produisait réellement de la musique et de la voix, par opposition aux dispositifs rudimentaires qui pouvaient faire produire à un haut-parleur un bourdonnement laid et incontrôlé. Fabriquer des composants électroniques capables d’augmenter avec précision le signal audio en conservant les formes d’ondes riches et pures du signal original était la tâche exécutée en premier par C.W. Rice et E.W. Kellogg. A droite : le premier prototype de haut-parleur fonctionnel (1921) et son amplificateur qui occupait une armoire entière.

Vidéo : Corbin Irvin, ingénieur électricien nous montre les pièces d’un ampli à lampes classique au centre technique d’Edison :

4.) Amplificateurs à transistors Les transistors ont une « transrésistance », ce qui signifie que les semi-conducteurs dont ils sont constitués peuvent changer de valeur de résistance. Les transistors peuvent être utilisés à la fois comme interrupteur ou comme amplificateur. Le transistor a trois fils : une entrée (collecteur), une tension (base) et une sortie (émetteur). Transistor comme interrupteur : Lorsque vous l’utilisez comme un interrupteur, l’application de la puissance sur le fil de « base » permettra à la puissance de circuler de l’entrée (collecteur) à la sortie (émetteur), lorsque vous arrêtez l’alimentation, il agit comme un interrupteur ouvert et le signal ne circulera pas du collecteur à l’émetteur. Lorsque vous l’utilisez comme un interrupteur, on dit que le transistor est « saturé » car il est traversé par la quantité maximale de tension qu’il peut supporter. Pensez à cela comme à un simple interrupteur « marche » ou « arrêt » sans option à mi-chemin. Transistor comme amplificateur : Dans un amplificateur, vous appliquez une petite quantité de puissance au transistor à tout momentet cela ferme le ‘commutateur’, permettant au signal de passer à travers le dispositif. L’ajout de cette tension positive au dispositif sert à le « polariser ». Lorsque le faible signal d’entrée traverse le dispositif, il gagne en force grâce à la polarisation, ce qui augmente le signal de sortie. C’est bien mais cela ne permet pas vraiment une grande amplification. Deux transistors : Lorsque nous mettons deux transistors ensemble, nous pouvons faire en sorte que l’un d’eux fournisse un signal alternatif légèrement amplifié au fil de base du suivant, permettant ainsi à un signal plus puissant de traverser le second transistor et d’effectuer des changements plus spectaculaires dans le second transistor.La forme d’onde alternative reste intacte comme le signal original, elle est juste plus forte. Vous pouvez donc imaginer qu’une grande quantité de pression d’eau est accumulée d’un côté d’une valve (le côté collecteur), elle attend juste de se précipiter dans le tuyau, tout ce que vous devez faire est de tourner un bouton et de faire de légers ajustements du côté de la base et la porte s’ouvrira partiellement ou complètement. L’eau jaillira ou s’écoulera goutte à goutte. C’est ainsi que nous faisons en sorte qu’un petit effort (signal faible) contrôle une sérieuse quantité de puissance.

Pour faire un amplificateur opérationnel, vous utilisez plusieurs transistors ainsi que des résistances et des condensateurs, de cette façon vous pouvez amplifier une gammede fréquences. En appliquant des tensions négatives et positives au dispositif, vous pouvez faire en sorte que l’amplificateur crée jusqu’à 12 volts (+) avec 12 volts (-), de cette façon vous avez assez de puissance pour faire fonctionner un haut-parleur. Il existe 1000 façons de concevoir ces circuits mais vous pouvez commencer avec quelques modèles de base.

Condensateur utilisé avant le transistor : les amplificateurs à transistors utilisent un condensateur avant l’entrée du transistor afin de  » centrer  » le signal continu provenant d’un microphone. Les microphones résonnent, créant une énergie continue négative et positive. Ils utilisent également une « polarisation », mais pour une raison différente de celle des transistors. La polarisation dans le microphone alimente le dispositif et place 0 db au-dessus de la tension 0. La polarisation dans la plupart des microphones nécessite que vous lui fournissiez environ 2 volts, mais cela peut être différent.Le condensateur avant le transistor ramène la polarisation de 2 volts au 0 réel, et supprime donc le décalage continu.Le transistor a besoin de cela pour fonctionner.

Complications : La création d’un circuit amplificateur se complique à cause de choses comme le bruit du signal. Nous vous recommandons de commencer à construire des amplificateurs simples à partir de kits afin d’obtenir les bases. Puis après cela, vous pourrez bidouiller des systèmes plus puissants et plus chers.

Apprenez en construisant :
Construisez vos propres amplis et pédales d’effets (a des kits simples disponibles) >
Kits d’amplis à tubes à vide vintage (amplis de guitare de taille normale avec haut-parleurs) >

Ci-dessus : dans une triode, un filament chauffe la cathode, la cathode et la grille sont connectées au signal alternatif. Au niveau de (1.) la grille est chargée négativement et repousse les électrons, pouvant même les empêcher complètement d’atteindre la cathode. Au niveau de (2.) la grille n’est pas chargée négativement et les électrons passent librement à travers la plaque extérieure incurvée qui est la cathode. Note : la partie (1.) et (2.) ne se produisent pas en même temps, elles sont seulement montrées ensemble pour ce graphique.

5.) Utiliser les tubes à vide pour amplifier L’apparition de la triode en 1906 a révolutionné le téléphone et la radio. Il existe de nombreux types de tubes à vide utilisés pour amplifier et nous en utilisons encore certains aujourd’hui. Les amplis à tubes peuvent utiliser des tétrodes, des triodes et des tubes à vide à pentode pour effectuer le travail d’amplification du signal. L’amplificateur à triode : Ce tube a une cathode chaude au centre entourée d’une grille métallique avec l’anode entourant cela. La cathode émet des électrons et, dans le vide, les électrons circulent librement à travers la grille jusqu’à l’anode. En alimentant la grille négativement, vous repoussez davantage d’électrons, ce qui signifie que moins d’électrons peuvent traverser la grille pour atteindre l’anode. Si vous prenezun signal audio faible (une tension variable) et que vous l’appliquez à la grille, vous laisserez passer plus de puissance à travers la grille lors des pics positifs et moins lors des pics négatifs, vous pourrez ainsi amplifier considérablement le signal. Le mauvais côté des amplificateurs à tube est qu’ils consomment plus de puissance et d’espace que les transistors.La cathode chaude d’un tube est constituée d’un filament de tungstène et de thorium. Ce filament, tout comme une ampoule électrique, brûlera après un certain nombre d’heures et le tube devra être remplacé. Lorsque vous fixez un amplificateur à un haut-parleur, le comportement de l’amplificateur change. L’impédance du haut-parleur changera au fur et à mesure que la charge change, et cela affecte l’ensemble du système. Avantages par rapport aux transistors: Les guitaristes soutiendront que le son d’un amplificateur à tube est meilleur que celui des amplificateurs à transistors. Les systèmes d’amplification à tube ont un écrêtage non linéaire et plus de distorsion harmonique de second ordre, il existe de nombreux articles détaillés sur ce sujet. Les amplificateurs à semi-conducteurs conçus pour les guitaristes utilisent maintenant des circuits de retour de courant pour augmenter l’impédance de sortie, cela donne un son similaire du haut-parleurque celui d’un amplificateur à tube.

6.) Exemple d’amplificateur à trois tubes

Nous allons utiliser un simple amplificateur de guitare à trois tubes pour démontrer comment le signal est transformé d’un faible signal de 0,9 volt à un signal suffisamment puissant pour alimenter une grande membrane de haut-parleur. Nos graphiques sont une version simplifiée du Fender Champ-Amp présenté dans les vidéos de « Uncle Doug ». Consultez la vidéo de 38 minutes indiquée en bas de page pour approfondir le sujet si vous le souhaitez. Dans nos diagrammes ci-dessous, nous avons omis les résistances et la plupart des condensateurs afin de nous concentrer sur l’action de l’amplification.

Dans le graphique ci-dessus, vous verrez la disposition qui consiste en une alimentation (transformateur) connectéeà un tube redresseur et deux autres tubes. Le transformateur convertit le 120 V du mur en trois lignes distinctes. La ligne 6V alimente simplement les filaments des deux tubes amplificateurs. Elle garde les filaments chauds pour que les tubes puissent fonctionner. La ligne de 5 V va au redresseur de puissance et réchauffe ce tube. L’autre ligne haute tension amène le courant alternatif au redresseur où il est converti en courant continu en coupant les côtés négatifs de la forme d’onde. Des résistances et des transformateurs ailleurs dans le système aident à lisser le signal continu, en éliminant les bosses courbes.

Le signal de la guitare généré par les micros est connecté à la grille du tube triode du préampli. L’anode dans le tube a été alimentée avec un très fort 150 volts de + DC. La cathode, au centre du tube, est très chaude, ce qui stimule la génération de nombreux électrons, mais la grille est par défaut dans un état négatif, bloquant le passage des électrons sur l’anode. Le signal AC de la guitare change la grille, permettant à des millions d’electronsto de passer de l’autre côté dans un modèle qui reproduit la forme d’onde des guitares.

L’alimentation AC suit maintenant la ligne DC de l’anode à une autre grille (tube 12AX7) dans le sametube. Un condensateur bloque le courant continu, ne laissant passer que le signal alternatif. Ce signal est maintenant plus fort que le signal de la corde de guitare d’origine et cette 2e grilleréagit encore plus fortement, permettant à une forme d’onde AC plus extrême de passer de la cathode à l’anode.Le signal a donc déjà été amplifié deux fois dans ce tube de préamplification.

Le signal du tube de préamplification passe sur les plaques du dernier tube. Le dernier tube de cette chaîne a un énorme 320 volts DC avec une charge + extrêmement forte. Une fois de plus, le réseau réagit au courant alternatif et de nombreux électrons traversent le réseau en suivant le même schéma que la forme d’onde alternative. Ce signal alternatif passe par un transformateur qui transforme le courant en une tension utilisable par l’enceinte. Normalement, les 320 volts qui traversent la bobine du transformateur n’ont pas d’effet sur le côté du haut-parleur, car le courant continu ne peut pas traverser un transformateur.

Vidéo, description complète de ce circuit:
Comment fonctionnent les amplificateurs à tubes, description du circuit – alimentation (18 min) >
Et partie 2 (20 min) de la description de ce circuit pour un Fender Champ-Amp >

Vidéo : Le premier prototype de haut-parleur, cette vidéo vous montre les tubes utilisés dans ce 1921prototype.

Types d’amplificateurs:
Amplificateurs opérationnels
Amplificateurs différentiels
Amplificateurs d’isolement
Amplificateurs à rétroaction négative
Amplificateurs d’instrumentation

Lectures complémentaires :
Théorie du transistor >
Amplificateurs opérationnels >
Électronique à semi-conducteurs >
Radio >

Thèmes connexes :

Hauts-parleurs	Tubes à vide	Microphones
. Télévision	Guitares électriques	Plus de choses