Ampli BF 008

Caractéristiques principales

Puissance : 10 W à 20 W
Tension : simple +24 V à +32 V, ou double +/-12 V à +/-16 V
Technologie : Circuit intégré TDA2006, TDA2030 ou TDA2040 (TDA2050, LM383, UCP1238, OPA544)

Présentation

Les amplificateurs intégrés de la famille TDA20xx  (TDA2002, TDA2003, TDA2006, TDA2030, TDA2040, etc) sont des composants qui ont maintes fois été utilisés pour la réalisation de petits amplificateurs où une puissance de quelques watts ou quelques dizaines de watts suffisait (voir en exemple le schéma de la page Ampli BF 001qui fait appel à des TDA2002 ou TDA2003). Certaines réalisations utilisant ces circuits intégrés sont conçues pour être alimentées sous une tension simple (unique), d'autres sont conçues pour être alimentées sous une alimentation symétrique (double), il suffit de se baser sur les exemples fournis par le constructeur dans ses datasheets. En règle générale, on fait appel à une configuration "alimentation simple" pour un usage en voiture (12V batterie), et à une configuration "alimentation double" pour un usage à la maison (Hifi), mais il n'y a rien d'obligatoire dans ce choix. Le schéma présenté ici fait appel à un TDA2006 (10W), à un TDA2030 (14W) ou à un TDA2040 (20W) et vous laisse toute lattitude quand au choix de l'alimentation : simple ou double, à vous de choisir ! Le circuit imprimé a été réalisé en vue de permettre les deux options d'alimentation, il suffit de suivre les indications données au paragraphe "Circuit imprimé" pour chaque mode d'alimentation. Pour un amplificateur stéréo, il faut réaliser ce montage en double exemplaire et prévoir l'alimentation en conséquence (courant nécessaire doublé).

Schéma

Le schéma suivant est une "concaténation" des schémas fournis dans les notes d'application du fabricant SGS-Thomson. Il peut sembler un peu plus compliqué que les schémas d'origine, mais c'est normal, puisque j'y ai intégré des "données" supplémentaires permettant de différencier le mode "Alim simple" du mode "Alim double" (à la manière de ce que j'ai déjà fait pour mon distributeur audio 001).



Sur le schéma qui précède, vous noterez la présence d'un petit tableau qui indique la valeur à donner à certains composants selon le circuit intégré utilisé, et selon le type d'alimentation souhaité. Vous y noterez également que certains composants sont présents en mode alim simple et non requis en mode alim double. Les TDA2006, TDA2030 et TDA2040 sont encapsulés dans un boitier identique et sont compatibles broche à broche. Tout ce qui dans le texte qui suit fait référence au "TDA20xx" sera également valable pour les TDA2006, TDA2030 et TDA2040, sauf indication contraire.

Gain

Le gain est déterminé par le rapport des valeurs des résistances R1 et R2. Ces dernières permettent de prélever une fraction du signal de sortie amplifié, pour le réinjecter à l'entrée inverseuse (borne 2). Dans le cas présent, le rapport est de l'ordre de 30 (150K / 4K7 ou 22K / 680), le gain en tension est quasiment identique à cette valeur. Un signal BF dont l'amplitude est de l'ordre de 200 mV est donc suffisant pour faire sortir à l'ampli sa puissance nominale. Il est important de noter que le gain en boucle fermée du TDA2040 ne doit pas descendre en dessous de 24 dB, et il est donc préférable, en vue d'éviter le mieux que possible d'éventuelles instabilités, d'ajouter un potentiomètre monté en atténuateur en entrée pour travailler avec des signaux d'amplitude plus élevée. Méthode qu'il est conseillée de suivre d'ailleurs même si vous utilisez un TDA2006 ou TDA2030.

Cellule R3/C3

La cellule RC R3/C3 est destinée à augmenter la stabilité de l'amplificateur dans les hautes fréquences. Cette cellule n'est pas indispensable, elle dépend en fait un peu de la façon dont vous allez cabler les composants, et de la longueur des cables (surtout ceux de la sortie de puissance). Je vous conseille de mettre cette cellule, car elle ne peut pas faire de mal (sauf si vous vous trompez dans la valeur du condensateur C3). Si vous souhaitez vraiment économiser sur ces composants, prévoyez leur tout de même une petite place sur votre CI, et implantez-les dans le cas où cela s'avère nécessaire. La bande passante de l'ampli est en partie déterminée par la valeur du condensateur C3 : plus sa valeur est faible, et plus la bande passante est élargie dans le haut du spectre, mais plus on risque l'instabilité (accrochage) de l'ampli intégré. Avec une valeur de condensateur plus élevée, le risque d'instabilité est moindre mais la bande passante est un peu plus rabbotée dans sa partie haute (donc moins d'aigus). Les valeurs préconisées ici sont calculées en fonction de R1 et R2, et devraient convenir pour la majorité des cas. Vous pouvez très bien ne pas mettre de condensateur à cet endroit (ou essayer d'autres valeurs) et voir ce que ça donne chez vous.

Sortie

La sortie s'effectue sur la borne 4 du TDA20xx, le raccord au haut-parleur passe par un condensateur chimique de forte valeur (ici C5) si l'alimentation est de type simple. Ce condensateur évite d'appliquer au HP la tension continue présente en sortie du CI (environ moitié de la tension d'alim), qui limiterait sérieusement la durée de vie du HP. Sa valeur n'est pas très critique, vous pouvez éventuellement utiliser un 1000uF ou un 4700uF (avec 1000uF, vous aurez un peu moins de grave, puisque la fréquence de coupure basse est plus élevée). Avec une alimentation symétrique, ce condensateur de liaison n'est pas nécessaire et peut être remplacé par un court-circuit, car la tension au repos en sortie du TDA20xx est voisin de 0V. Le réseau R4/C4 permet de garantir une charge minimale au TDA20xx pour les fréquences les plus élevées. En effet, un HP présente la particularité de voir son impédance grimper aux fréquences haute du spectre sonore. Ce réseau est donc une sorte de compensation permettant au TDA20xx de voir moins de variation d'impédance sur sa sortie, qui permet aussi une protection du circuit intégré en cas de charge fortement inductive. Si vous ne le mettez pas en place, vous vous exposez à de possibles suroscillations et/ou à de la distorsion. Les diodes D1 et D2 sont destinées à protéger l'étage de sortie du TDA20xx contre des crêtes de tension importantes, qui peuvent notement se produire là aussi quand la charge (HP avec ou sans filtre) est fortement inductive. Ces diodes, qui n'ont quasiment aucune influence sur la qualité du son en temps normal (elles sont montées en inverse et ne conduisent pas quand tout va bien) ne sont pas obligatoires, mais tout de même très fortement conseillées. Mieux vaut dépenser 0,30 euros pour ces deux diodes et mieux protéger un circuit coutant 7 ou 8 euros, non ?

Alimentation

L'alimentation du TDA20xx s'effectue via les pattes 3 et 5. En mode alim simple, la patte 3 est reliée à la masse, alors qu'en mode alim double, la patte 3 est reliée à la borne négative d'alimentation. Dans les deux modes d'alim, la patte 5 est reliée au pôle positif de l'alimentation. La semelle métallique du CI est reliée à la patte 3, ce qui impose d'isoler le radiateur de la masse quand l'alimentation du circuit est de type symétrique. L'isolation entre boitier du CI et radiateur n'est pas nécessaire dans le cas où l'on utilise une alimentation de type simple (c'est même mieux ainsi). Les découplages d'alimentation assurés par les couples C6/C7 pour le côté positif et C8/C9 si usage d'une alim double, sont impératifs ! Ces condensateurs sont absolument indispensables, et devront dans la mesure du possible être placés au plus près du TDA20xx, ou être reliés avec un fil ou piste de CI de forte section. Le TDA20xx est en effet capable de délivrer un courant de pointe de plusieurs ampères en sortie (3A pour le TDA2006, 3,5A pour le TDA2030 et 4A pour le TDA2040), ce qui est loin d'être négligeable. Les tensions d'alimentation maximales (à ne surtout pas dépasser) sont les suivantes :

Consommation et dimensionnement de l'alimentation

L'alimentation doit être capable de délivrer suffisement de courant pour une reproduction la plus fidèle possible des transitoires. Comme pour tout amplificateur BF, il y a d'une part la notion de consommation "moyenne", et la notion de consommation "crête", qui intervient lors de l'apparation de brusques montées du signal audio (notemment dans les basses fréquences, mais il n'y a pas que là). La consommation moyenne "dégrossie" déjà le type de composants à mettre en oeuvre. Comme dans le montage décrit ici on peut utiliser aussi bien un TDA2006 qu'un TDA2040, et que ces deux composants n'ont pas les mêmes besoins, vous devez choisir les capacités de l'alimentation en fonction du circuit amplificateur choisi.

* Non spécifiée dans le datasheet constructeur, valeurs estimées
** Les capas de filtrage principales sont nécessaires pour une alimentation secteur avec pont de diode et filtrage. Pas besoin de régulation ici, la réjection de l'ondulation résiduelle assurée par l'ampli intégré est suffisante, vous ne risquez pas trop d'entendre de la ronflette si les capas de filtrage ont pour valeurs minimales celles préconisées, et si le circuit et le cablage sont bien réalisé.

Exemple d'alimentation possible (schéma extrait de la page Alimentations - Bases) :



Pont de diode : Le choix se portera de préférence sur un pont de diodes 3A si TDA2006, ou pont de diodes 5A si TDA2030 ou TDA2040. Bien entendu, vous pouvez utiliser aussi bien un pont moulé que quatre diodes distinctes.

Impédance du HP et puissance de sortie

Vous pouvez utiliser un HP ou une association de HP dont la valeur est comprise entre 4 et 8 ohms. S'il est possible d'utiliser des HP de 2 ohms avec les TDA2002 ou TDA2003, cel n'est pas conseillé ici. Les puissances de sortie annoncées ci-dessous sont valables pour un taux de distorsion de 0,5%. Sans trop de surprise, la puissance que peut délivrer l'amplificateur intégré est plus importante avec un HP d'impédance plus faible.

On peut gagner quelques watts supplémentaire en acceptant quelques 10% de distorsion (par exemple obtenir 12W avec le TDA2006), mais le jeu n'en vaut vraiment pas la chandelle. Si vraiment vous voulez plus de puissance, il vaut mieux choisir un autre schéma que celui-ci (deux TDA2030 ou TDA2040 montés en pont par exemple, ou mieux encore utiliser un TDA7293 - successeur du TDA7294 - capable à lui seul de délivrer une centaine de watts RMS).

Choix du radiateur

La présence d'un radiateur sur le TDA20xx est indispensable. Il devra s'agir d'un modèle 2,5°C/W si la puissance demandée est de 20W, d'un modèle 4°C/W si la puissance demandée est de 12W ou 14W, un modèle 8°C/W suffira si la puissance max demandée n'est que de 6W. La taille d'un radiateur de 2,5°C/W est assez imposante, surtout en regard de la place occupée par les composants électroniques eux-mêmes. Mais il faut bien ça, la puissance dissipée par le TDA2040 pouvant tout de même atteindre la coquette valeur de 25W. Si vous décidez d'utiliser un radiateur plus petit, vous ne risquez pas pour autant de griller le composant en cas de surchauffe, car ce dernier est doté d'une protection thermique robuste, qui limite le courant (et donc la puissance) quand la température de jonction dépasse un certain seuil (150°C). Cependant, vous risquez plus facilement de vous retrouver avec un fonctionnement dégradé ou des coupures audio si l'ensemble n'est pas bien aéré. Voir aussi Radiateur : Calcul.

Première mise en route et vérifications

Avant de mettre sous tension, effectuer une vérification rigoureuse du câblage. On ne se lasse pas de le répéter, cette étape est importante, le stress associé à la mise sous tension un circuit de puissance est bien suffisant comme ça. Sans source BF à l'entrée, mettre l'ampli sous tension pendant deux secondes seulement puis couper l'alim. Toucher du bout du doigt et avec précaution l'ampli intégré (pour l'instant, ce dernier ne doit pas être doté de son dissipateur thermique). S'il est très chaud, il y a un problème d'oscillation parasite ou une erreur de câblage. Si vous n'avez pas placé les composants R4/C4 et R3/C3, c'est le moment de le faire. Si le CI ne chauffe pas, remettez l'ampli sous tension pendant 5 secondes. Après l'avoir éteint, vérifier la température de l'ampli intégré. S'il ne chauffe pas, tout semble OK. Répéter l'opération pendant une minute, l'ampli intégré ne doit toujours pas chauffer. Vérifiez si vous le pouvez, le courant consommé au repos (donc toujours sans BF à l'entrée). Il doit être compris entre 40 mA et 100 mA au grand maximum. L'idéal est de posséder une alimentation de laboratoire dotée d'une limitation de courant (réglée ici à 200 mA). Si votre alimentation peut délivrer son maximum de courant sans limitation, vous mettez en danger le circuit intégré en cas d'anomalie. Une astuce consiste à placer une ampoule à filament en série avec la ou les lignes d'alimentation. Si au moment de la mise sous tension le courant est trop "élevé", le filament de l'ampoule chauffe et sa résistance augmente, ce qui a pour conséquence de diminuer l'intensité du courant qui va à l'ampli. C'est une protection sommaire mais qui laisse le temps de tout éteindre si quelque chose cloche (une ampoule qui s'éclaire alors qu'elle ne le devrait pas, ça se remarque vite).

Descriptif TDA2006 / TDA2030, TDA2040

Les TDA2006, TDA2030 et TDA2040 se présentent sous la forme d'un boitier TO220 doté de cinq pattes : une rangée de deux pattes + une rangée de 3 pattes. Ce type de boitier est appelé "Pentawatt5" (Pentawatt modèle 5 pattes). Il existe deux sortes de TDA20xx : le modèle horizontal (TDA20xxH) et le modèle vertical (TDA20xxV), voir photos ci-dessous (les photos représentent des TDA2003, mais c'est la même chose pour les autres TDA20xx dont il est question ici). Ils sont identiques électriquement et fonctionnellement, choisissez simplement celui qui vous convient le mieux en fonction de la disposition des composants et du radiateur. Pensez donc à vérifier l'orientation du circuit lors de l'achat... Plier les pattes après coup est possible, mais si on peut l'éviter, cela vaut mieux.


Vue de dessus

Autres références d'amplis TO220 à 5 broches ?

Vous vous demandez peut-être si le TDA2050 ou TDA2051 peut remplacer le TDA2040... Ou encore si d'autres références, qui ne commencent pas par TDAxxxx (telles que LM383, UPC1238, LM1875) peuvent également convenir. Vous avez poussé tellement loin vos recherches que vous êtes même tombé sur les LM675 et OPA544 qui sont désignés comme "ampli op de puissance".

• Le LM383 (7 W) est un circuit similaire au TDA2002 / TDA2003. Alim simple +5 V à +20 V.
• Le TDA2050 peut remplacer le TDA2030/TDA2040. Si l'alimentation reste de même amplitude, aucun gain en puissance ne peut être espéré. Pour profiter du TDA2050, il faut pousser un peu la tension d'alim jusqu'à +/-18V..+/-22V (+/-25 V au grand maxi, je ne recommande pas). Le TDA2050 peut débiter 5 A en sortie, à comparer aux 3,5 A du TDA2030 et 4,0 A du TDA2040. 
• Le UPC1238 (10 W) est un candidat possible. Alim +/-13 V.
• LM1875 (20 W), alimentation +16 V (+/-8 V) à +60 V (+/-30 V).
• Les LM675 et OPA544 peuvent être utilisés comme amplis BF de puissance, le LM675 présente d'ailleurs des caractéristiques très proches de celles du LM1875.
• OPA544 (2 A max en sortie), alimentation +10 V (+/-5 V) à +70 V (+/-35 V).

Tous ces composants ont le même brochage, mais attention tout de même quand vous envisagez un remplacement "broche à broche". Ces amplificateurs intégrés peuvent se révéler assez instables si les "conditions extérieures" ne s'y prêtent pas. On peut observer une entrée en oscillation de l'ampli "de remplacement" alors que tout allait bien avec le circuit d'origine, simplement à cause de valeurs de condensateurs inadaptées (pensez compensation de fréquence) ou d'un routage de circuit imprimé moins bien toléré (piste pas assez larges ou trop longues). Attention donc lors de la (re)mise sous tension aprsè un échange.

Circuit imprimé (pour TDA2006, TDA2030 ou TDA2040)

Le circuit imprimé est compatible Alim simple / Alim double, vous devrez juste placer ou ne pas placer le strap J2, en fonction de la configuration choisie. Si alim simple, mettre le strap en place sur J2. Si alim double, ne pas le mettre, sinon vous court-circuitez le pôle négatif de l'alim avec la masse, ce qui n'a pas d'incidence sur l'ampli, mais peut en avoir sur l'alim si elle n'est pas protégée. Ne vous trompez donc surtout pas. Le circuit imprimé s'arrête au bord des TDA20xx (partie supérieure du dessin ci-dessous) pour vous permettre d'utiliser des CI verticaux ou horizontaux. A vous de voir si vous préférez disposer les radiateurs sur un circuit imprimé plus grand ou non.



Typon aux formats PDF et BMP

Très important : les pistes larges d'alimentation et de sortie HP (celles reliées aux connecteurs 0V, +V, -V, HP et celles reliées aux pattes 3, 4 et 5 du TDA20xx) doivent être recouverte d'une bonne couche de soudure, afin de réduire la résistance électrique des pistes. Vous pouvez aussi plaquer et souder contre ces pistes, un fil rigide (monobrin) de 1 mm2, pour diminuer encore plus la résistance ohmique. Les courants circulant dans ces pistes peuvent "passer" sans soudure additionnelle, mais vous obtiendrez de meilleurs caractéristiques sonores en procédant ainsi. Notez que cette "astuce" ne servira pas à grand chose si vous utilisez du fil minuscule pour relier le circuit au HP et à la source d'alimentation...


Deux amplis à base de TDA2030 (1987)

Corrections et remarques

22/02/2015
- Ajout infos pour première mise sous tension (précautions et vérifications).
- Ajout infos concernant d'autres références d'amplis intégrés pouvant remplacer le TDA2030 ou TDA2040.
18/07/2010
- Erreur de spécification de câblage selon type alim (simple ou double) sur le schéma électronique. Il était indiqué que les condensateurs C8 et C9 devaient être retirés en cas d'usage d'alim double. Ces composants doivent au contraire être mis en place si alim double et retirés si alim simple.
02/01/2009
- Correction schéma : le connecteur J2 est bien un modèle deux broches et non trois broches comme dans le schéma précédent. Le circuit imprimé est juste.