Alimentation à découpage pour ampli audio 200W à 500W

Une alimentation à découpage pour ampli audio peut se réaliser très simplement, pour une dizaine d'euros seulement et sans composant spécifique ! Le but est de remplacer le gros transfo (souvent torique dans les amplis de sono) et les condensateurs de filtrage encombrants et chers. La puissance peut aller jusqu'à 500W pour un ampli de puissance.
Cahier des charges de l'alimentation à découpage pour ampli

- Tension d'entrée : 230V~
- Tension de sortie : symétrique (+/-55V par exemple) pour un ampli de 2x250WRMS à 4 Ohms
- Puissance de sortie : 300W en moyenne, 700W pendant 2 secondes environ
- Tensions de sortie auxiliaires (en option) : 12V, 24V, au choix pour ventilation, afficheur, etc
- Pas de composant spécifique : régulateur à découpage, optocoupleur, etc

En fait, la tension de sortie peut être choisie en fonction du besoin, comme nous allons le voir.

Voilà le schéma de l'alimentation à découpage :




Schéma de l'alimentation à découpage pour ampli 500W

Fonctionnement détaillé de l'alimentation à découpage

Beaucoup de composants peuvent être choisis assez librement, en fonction de ce qu'on a sous la main et de la puissance souhaitée pour l'ampli.

1. Etage d'entrée de l'alimentation à découpage (très facile)

Rien de sorcier : un fusible et un pont de diode 5A (pour avoir un peu de marge !). Pour les émissions de parasites (CEM), on place un condensateur X2 et sa résistance de saignée pour le décharger lorsqu'on débranche la prise de courant. La valeur est empirique, inspirée de valeurs courantes sur des alimentations à découpage de PC.

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Etage d'entrée de l'alimentation à découpage

2. Condensateurs de filtrage et relais de l'alimentation à découpage (facile)

Rien de sorcier non plus. C2 et C3 sont placés en série et leurs tensions (160VDC) sont équilibrées par R4 et R5. Aucune valeur n'est critique. Ces condensateurs doivent être d'au moins 330uF et avoir une tension de 200V. On peut les récupérer dans les alimentations de PC hors service.

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Lorsque l'alimentation est mise sous tension, C2 et C3 se chargent à travers R2. Après 0.2 seconde environ, le relais RL1 se ferme et court-circuite R2 (modèle 5W à choisir). Le relais se ferme dès que la tension aux bornes de sa bobine atteint 60% environ de sa tension nominale. Cela limite parfaitement l'appel de courant au démarrage (3.2A crête max). R2 peut avoir une valeur autour de 100 Ohms.
Le relais doit être un modèle 48V ou éventuellement 24V mais alors R6 doit passer de 22k à 18k pour garantir un courant de bobine suffisant (17mA).

Pour un relais 48V, R3 est placée en parallèle avec sa bobine pour limiter à 48V la tension à ses bornes. Le courant total (traversant la R6) est de 11mA environ. Plusieurs valeurs pourront être testées, en commençant par R3 = 6.8kOhm par exemple.

3. Oscillateur de l'alimentation à découpage (facile et astucieux)

L'oscillateur n'est basé que sur un ampli op ! On peut choisir un TL082, TL081, TL072 sans aucune contrainte. Dans le cas d'un ampli op double, les deux entrées de l'ampli op non utilisé seront connectées au 0V comme la patte 4.

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Oscillateur de l'alimentation à découpage

L'alimentation de l'oscillateur se fait par diode zener 27V (ou 24V, cela marche aussi) et résistance (R6). Le courant dans R6 sert aussi à alimenter la bobine du relais. On peut insérer une LED en série pour visualiser la tension secteur redressée. C5 assure des transitoires de consommation et lisse la tension. Il doit avoir une valeur de 470nF minimum.

Fréquence de découpage

La fréquence est inversement proportionnelle à la constante de temps R10.C6 et vaut 30kHz avec les valeurs choisies. La fréquence de découpage ici doit se trouver entre 25 et 50kHz. Les valeurs de 100kOhms pour les 4 résistances ont surtout été choisies par simplicité et ne sont pas critiques.

Consommation de l'oscillateur

La consommation dépend de la consommation de repos de l'ampli op, de la fréquence et de la tension d'alimentation (choix de la zener). On mesure expérimentalement :

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Consommation de l'oscillateur

Pour cette mesure, l'oscillateur est alimenté par une alim stabilisée isolée (type alim de labo). La zener 27V est supprimée pour ce test.

15V est la limite basse pour commander Q1 et Q2 correctement.

La conso diminue de 0.2mA si on coupe l'alimentation 230V (plus de hachage).
A fréquence plus élevée, la consommation augmente parce qu'il faut charger/décharger plus fréquemment les capacités de grille. Lorsque R9 et C6 sont supprimées, l'oscillation n'a pas lieu. On mesure alors la consommation de repos du TL082 (3.3mA à 3.5mA sur la plage 10V-30V).

C7 supprime la composante continue (égale à 13.5V pour une alimentation de 27V : alternance de tensions égales à 1.5V et 25.5V) du signal créneau de l'oscillateur. En réalité, le signal n'est pas créneau mais présente des fronts arrondis (slew rate typique : 13V/us).

4. Commande des transistors de l'alimentation à découpage (très astucieux)

C'est le point clé de la réalisation ! Il est délicat de trouver des transformateurs d'impulsions spécifiques pour alimentation à découpage. C'est une inductance de mode commun qui remplace le transfo d'impulsion : toute l'astuce se trouve là.

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Inductance de mode commun utilisée comme transfo d'impulsion

Cela fonctionne parce que le rapport des nombres de spires est 1:1. L'inductance doit être entre 2x3mH et 2x10mH environ. L'isolation entre les 2 bobinages est suffisante puisqu'ils sont prévus pour tenir 230V.
Comme les tensions grille-source des 2 transistors doivent être en opposition de phase, la polarité de l'inductance de mode commun doit absolument être respectée !

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Exemple d'inductance de mode commun

L'avantage de ce composant est d'être facile à trouver. On peut aussi en récupérer de filtres d'alimentations à découpage (alimentations de PC, TV, etc).

5. Transistors de l'alimentation à découpage (plus délicat)

Les 2 transistors fonctionnent en opposition de phase comme dans tout montage demi pont. Leur commande se fait via R7/D1 et R8/D2. D1 et D2 accélèrent la décharge de la capacité de grille alors que R7 et R8 la ralentissent. Le but est de créer un temps mort où ni Q1 ni Q2 n'est conducteur. C'est crucial pour le fonctionnement de l'alimentation demi pont.

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Transistors de l'alimentation à découpage

Q1 peut éventuellement être monté directement sur radiateur sans isolant (mica ou silicône) étant donné que le potentiel de son drain (boitier) est à +320V. C'est donc un point froid (pas de hachage). Q2 doit au contraire être isolé. Si on n'isole que Q1, le radiateur se trouve au potentiel +320V. Les pistes correspondant à la source de Q1 et au drain de Q2 doivent être aussi courtes que possible

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Point chaud (potentiel variable) : pistes à faire aussi courtes que possible

Choix des transistors

Cela dépend de la puissance que l'on souhaite faire passer. Les courants crête mesurés sont :

17A (3A moyens) pour 600W
26A (5A moyens) pour 900W

C'est en fait sur le courant moyen qu'il se baser, mais il faut prendre une marge. Par exemple, on peut choisir le IRF740 (10A, 400V) ou le 20N60C3 (20.7A, 650V).

6. Condensateur de liaison du primaire

En démontant des alimentations ATX de PC, on voit qu'il y a toujours un condensateur non polaire 1uF/250V en série avec le primaire du transfo. Dans l'alimentation pour ampli, C4 peut être court-circuité, mais en cas de défaut d'un des deux hacheurs, un des condensateurs chimiques 200V (C2 ou C3) verra toute la tension 320V à ses bornes : il va exploser ! ce condensateur est donc là pour éviter une explosion de condensateur chimique en cas de défaut de Q1 ou Q2.

Lorsque C4 est court-circuitée, la tension aux bornes de C2 et C3 se répartit en fonction du rapport cyclique des hacheurs (normalement proche de 50%). La tension aux bornes de C3 vaut 320V x rapport cyclique. En effet, la tension moyenne aux bornes du primaire est nulle, comme aux bornes de toute inductance.

C4 doit être placée du côté du point froid pour réduire les émissions de parasites. Seule une des deux bornes du primaire est au point chaud

7. Transformateur de l'alimentation à découpage (à récupérer)

Le transfo est absolument à récupérer d'une alimentation de PC qui utilise une topologie demi pont (la plupart des alims ATX sont ainsi, quelques unes sont de type Forward).


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Transformateurs récupérés d'alimentations à découpage de PC

Le secondaire du transfo se présente souvent avec plusieurs sorties, initialement prévues pour le 3.3V, 5V et 12V pour le PC.

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Bobinage habituel d'un transfo d'alim à découpage de PC

La tension de sortie peut être choisie en fonction du besoin de l'ampli. Il faut choisir le bon point ou "prélever" la tension secondaire.


Choisir le nombre de spires adéquat pour la tension souhaitée

L'intérêt est d'utiliser un transfo prévu pour cette application :

- demi pont
- fréquence de découpage de 25kHz à 50kHz en général
- isolation électrique principale entre primaire et secondaire (il faut relier la masse à la terre pour assurer une isolation renforcée).
- tension de sortie de +/-12V à +/-56V sur la plupart des transfos d'alim à découpage ATX.

Pour un ampli de 500W, la puissance moyenne réelle consommée est bien inférieure (150 à 300W environ). Un transfo d'alim ATX 250W est ainsi suffisant s'il est légèrement ventilé.

8. Secondaire et sorties de l'alimentation à découpage

La tension est directement redressée en simple alternance comme on pourrait le faire sur un transfo 50Hz classique. L'inductance de fuite du transfo ralentit la montée en courant lors des fronts de tension. En réalité, le redressement fonctionne bien malgré la simplicité du montage (pas d'inductance en série avec les diodes...).

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Diodes

Il faut choisir des diodes ultra rapides 10A et 200V minimum pour un ampli souhaité de 500W. Un modèle 15A (MUR1520, BYV32E-200) convient à merveille. Des courants crêtes de 50A peuvent y circuler ! Les diodes doivent être montées sur un petit radiateur de quelques cm de côté.
Ne jamais utiliser des diodes de redressement standard (1N5404, pont de diode 50Hz) !

Condensateurs de sortie

Il est intéressant de placer plusieurs condensateurs de plus faible capacité en parallèle plutôt qu'un seul gros. La résistance série équivalente est plus faible, et l'ondulation est aussi réduite. Pour la fiabilité, on évite de dépasser 80% de la tension se service : un modèle 50V ne doit pas voir plus de 40V à ses bornes par exemple.

On peut choisir 2x1000uF ou 3x680uF plutôt que 1x2200uF.

9. Tensions de sortie et courant disponible

La valeur de la tension de sortie est fixée par le nombre de spires au secondaire.

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Secondaire du transfo : +/-4V par spire supplémentaire

A cause de la symétrie du redressement et du demi pont, les courants consommés sur +Vcc et sur -Vcc doivent être aussi proches que possible. C'est tout à fait ce que réalise un ampli audio de puissance. L'alimentation à découpage est ainsi tout à fait adaptée aux amplis.

Pour tester l'alimentation, il faut brancher la charge entre +Vcc et -Vcc.

Si on ne fait pas comme ça, un seul des deux transistors va être sollicité et le rapport cyclique va un peu s'écarter de la valeur 50%. Or la tension moyenne aux bornes du transfo est forcément nulle (c'est mathématique). La variation de rapport cyclique va modifier les valeurs des hauts et des bas de la tension (primaire ou secondaire, elles sont proportionnelles). En consommation sur la sortie positive de +/-50V, on pourra mesurer par exemple +45V et -55V ! Ce fonctionnement n'est pas recommandé à cause de l'augmentation de tension sur les condensateurs de la sortie non sollicitée.

10. Option : tension auxiliaire pour l'ampli

Si on souhaite ajouter une tension auxiliaire pour alimenter un ventilateur ou tout autre circuit (vumètre, limiteur, contrôleur quelquonque), il suffit d'ajouter une diode et un condensateur. La puissance ne doit pas dépasser 10W environ.

La plupart des transfos d'alimentations ATX permettent d'obtenir 12V (3 spires), 16V (4 spires), 24V, 28V, 40V selon le branchement. Pour avoir la même tension mais négative, inverser le sens de la diode et du condensateur.

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Tension auxiliaire de l'alimentation à découpage

Condensateur : 470uF/50V (par exemple)
Diode : ultra rapide 100V/1A par exemple.

Amplis professionnels avec alimentation à découpage

De plus en plus de modèles de grandes marques utilisent des alimentations à découpage pour alimenter leurs amplis. Ces amplis sont plus légers, plus compacts que leurs homologues à transfo torique classique.

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Ampli 2x1500W à alimentation à découpage en demi pont

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