vendredi 25 septembre 2020

Amplificateur TPA3116 classe D 2.1


Amplificateur TPA3116 classe D 2.1

 

J'ai fait il y a quatre ans l'acquisition d'une carte amplificateur 2.1 classe D :

  • 2 canaux médium aigu : 2x50W sur 4Ω ou 2x25W sur 8Ω
  • 1 canal pour un caisson de basses : 100W sur 4Ω ou 50W sur 8Ω

Elle est équipée de l'excellent circuit d'amplification classe D TPA3116.

Elle possède un filtre actif permettant la séparation des canaux. Elle est équipée de 3 potentiomètres de réglage :

  • fréquence de coupure
  • volume général
  • volume des basses

Elle provient d'Amazon : https://www.amazon.fr/gp/product/B01DDKP8IW/ref=ppx_yo_dt_b_asin_image_o02_s00?ie=UTF8&psc=1

Cet article propose également la réalisation d'une carte anti-ploc, afin d'éviter aux enceintes de subir des pics de tension à la mise sous tension ou à la coupure du secteur.

1. Le caisson de basses

Tout d'abord, pourquoi un caisson de basses ?

Tout d'abord, un caisson de basses avec un seul haut-parleur de grand diamètre permet de restituer l'extrême grave. En adopter deux ne rimerait pas à grand chose car les basses sont rarement diffusées en stéréo et leur directivité est faible. La faible directivité permet en outre de cacher le caisson, qui n'aura pas besoin d'être apparent. Dans mon installation il est situé derrière le meuble home-cinéma.

Mes enceintes sont des Focal Cobalt 816S :

Le boomer est un 165mm. Lors d'écoutes de morceaux de musique ayant une forte dynamique, et à fort volume, la membrane du boomer a tendance à subir des déplacements assez importants, et cela entraîne de la distorsion dans le bas médium.

Mon amplificateur est un Rotel RA02 :

Il dispose d'une sortie préamplificateur qui permet d'utiliser un amplificateur de puissance externe, que je vais donc utiliser.

J'ai donc réalisé un essai avec la carte 2.1 et un caisson JBL CS1204B :

C'est un caisson pour automobile équipé d'un boomer de 30cm, que j'ai à ma disposition. Pour une réalisation de haut niveau il faudra bien entendu opter pour un caisson plus adapté.

Pour une première écoute, j'ai choisi un Opéra de Mozart, Don Giovanni. Au bout de 3 heures d'écoute à fort volume, j'ai été plus qu'impressionné par les qualités de cette carte TPA3116, et aucune fatigue auditive n'est venue entacher cette audition. Bien au contraire, l'impression est plus que positive, on en redemande. Bien entendu le Rotel RA02 n'est pas un amplificateur haut de gamme, mais les différences sont tellement importantes qu'il y a fort à parier que cette carte puisse rivaliser avec des amplis d'un prix beaucoup plus élevé.

Bien entendu les graves descendent nettement plus bas grâce au haut-parleur de 30cm, mais également le comportement des enceintes Focal est nettement amélioré. Le caisson de basses soulage les boomers des Focal dans les très basses fréquences et le bas médium et nettement plus propre.

L'écoute a révélé également que cette carte 2.1 classe D est supérieure à l'amplificateur de puissance du Rotel :

  • plus de précision, de définition, de finesse
  • beaucoup plus de dynamique

J'ai donc décidé de finaliser ce projet et voici le résultat.

2. La mise en boîte

J'ai choisi un boîtier 19' HIFI 2000 2U 300mm, disponible ici : audiophonics.fr

2.1. L'alimentation

Il s'agit d'une alimentation à découpage 24V 240W achetée sur Amazon.

Il est facile de trouver l'équivalent sur les sites chinois. Il est important qu'elle ne soit pas équipée d'un ventilateur, forcément bruyant.

La puissance de cette alimentation peut paraître disproportionnée, mais il faut savoir qu'une alimentation à découpage, contrairement à une alimentation linéaire, coupe sa sortie en cas de surcharge, même brève. Il serait dommage d'avoir une coupure, même momentanée, à cause d'un coup de grosse caisse un peu trop appuyé.

On peut alimenter cette carte avec une tension allant de 12V jusqu'à 26V. Une tension de 24V permettra d'atteindre une puissance de 2x50W sur 4Ω. Sous 12V la puissance sera 4 fois moins importante.

2.2. Les borniers

Les borniers d'entrée sont des RCA plaquées or : www.audiophonics.fr

Le câble d'entrée doit également posséder des prises RCA de qualité.

Les borniers de sortie sont des modèles doubles : www.audiophonics.fr

Ces borniers peuvent accepter des fiches bananes. J'ai utilisé des Nakamichi :

Le câblage vers les enceintes est réalisé à l'aide de câble Ethernet catégorie 5. Le cuivre de ces câbles est d'excellente qualité. Avec 2 paires de fils il y a largement moyen de transmettre la puissance nécessaire.

La tension secteur est amenée à l'alimentation à l'aide d'une embase IEC avec filtre anti-parasites :


Un porte fusible est également nécessaire, ainsi qu'un interrupteur marche / arrêt.

2.3. La carte anti ploc

J'ai développé une carte permettant de retarder la connexion des enceintes au démarrage et également de couper les enceintes aussitôt que la tension secteur disparaît, évitant aux enceintes de subir des pics de tension à la mise sous tension ou à la coupure.

Cette carte est une option.

2.3.1. Le schéma

Le schéma est réalisé avec KICAD.

Le condensateur C7 et la résistance R10 permettent de retarder l'activation des relais. Ils sont suivis d'un CD4093, un trigger de Schmidt. Avec une porte NAND classique le relais ne collerait pas franchement, mais entrerait en oscillation pendant un bref instant, car le condensateur se charge lentement. Le transistor Q4 active les relais 24V (FINDER 40.52.9.024.000). Q3 permet de couper le courant de base de Q4 correctement, car appliquer un zéro sur sa résistance de base ne suffirait pas à le bloquer, car son émetteur est à -12V.

Les deux contacts du relais K2 sont en parallèle, car il n'y a qu'un canal pour le caisson de basses.

L'optocoupleur est utilisé pour détecter la disparition du secteur. Le condensateur C1 permet de fixer le courant dans la LED de celui-ci (chute de tension capacitive). Il est obligatoirement du type X2.

En fonctionnement normal le transistor Q2 est bloqué, car sa base est à la masse, l'optocoupleur étant saturé. La disparition de la tension secteur bloque le transistor de l'optocoupleur, Q2 est saturé, et le trigger de Schmidt reçoit un ZÉRO sur son entrée 2, ce qui désactive les relais.

Cette carte possède également deux connecteurs P2 et P5 permettant de raccorder une carte optionnelle de détection de tension continue sur les sorties de l'amplificateur, non réalisée pour l'instant. En cas de détection de tension continue cette carte enverra un ZÉRO sur une entrée de la troisième porte NAND, afin de désactiver les relais.

La partie basse du schéma est une alimentation à masse virtuelle, qui permet à partir du 24V d'obtenir une alimentation symétrique +/- 12V, afin d'alimenter le CD4093 en 12V, car il ne supporterait pas 24V. Elle alimentera également la carte de détection de courant continu.

Pour récupérer le projet voir plus bas :  4. Téléchargements.

2.4. Le prix

Cet amplificateur, sans la carte anti-ploc, revient à environ 110€.

Le prix de la carte anti-ploc est inférieur à 15€.

3. Photos

Voici quelques photos de la réalisation.

La carte amplificateur 2.1

L'alimentation 24V est reliée à l'aide d'un câble muni d'un JACK 2.1x5.5.
Le câblage des sorties d'enceintes est réalisé en fil souple 2.5mm².
Le câble d'entrée est blindé.

L'alimentation et la carte anti-ploc
 
La carte anti-ploc
 
Les borniers verts en haut de la carte auraient avantage à être remplacés par des modèles droits, ce qui permettrait de les serrer par le haut et d'éviter de couder les fils :
 

Les relais sont des FINDER 40.52.9.024.000, 24V 8A.
La carte anti-ploc est directement vissée sur les borniers de sortie, ce qui permet une intégration mécanique optimale, sans ajout de fils.

Interrupteur et LED
 
La LED est reliée à l'alimentation 24V à travers une résistance de 4.7KΩ. Elle se trouve dans la gaine thermorétractable :

Interrupteur et LED


Borniers d'entrée et de sortie

 
Borniers de sortie, embase IEC et fusible

4. Téléchargements

Le projet carte anti-ploc est disponible ici :

https://bitbucket.org/henri_bachetti/2.1-anti-pop.git

5. Sécurité

Il faut être prudent lorsque l'on manipule un montage alimenté par le secteur, et toute intervention doit être faite cordon secteur débranché.

Lorsque l'amplificateur est sous tension, certains composants de la carte anti-ploc reçoivent directement la tension secteur : C1, R1, D1 et l'optocoupleur U2.

Le condensateur C1 est obligatoirement du type X2 47nF 400V.

6. Conclusion

J'utilise cet amplificateur en audio et en home cinéma et audio depuis 4 ans, avec une grande satisfaction.

J'ai au départ réglé le volume des basses et la fréquence de coupure à l'oreille. pour une utilisation HI-FI haut de gamme digne de ce nom il faudrait faire un réglage à l'aide d'un générateur de bruit, d'un microphone de mesure et d'un analyseur de spectre. Le logiciel Audacity pourra être d'une aide précieuse.

J'envisage également la réalisation d'un caisson de basses équipé d'un boomer de 30cm Gamma, bien plus haut de gamme que le JBL CS1204B.

A l'avenir la carte ampli 2.1 TPA3116 sera probablement remplacée par un filtre Linkwitz-Riley à 24dB / octave, réalisé à l'aide d'amplificateurs opérationnels LM4562, suivi de deux amplificateurs, un STA508 stéréo, et un TAS5630 mono.

La HI-FI high-end est un hobby sans fin ...


Cordialement

Henri