Electronique Analogique
Chapitre VI : Amplificateur de puissance
AAMMPPLLIIFFIICCAATTEEUURR DDEE PPUUIISSSSAANNCCEE
VI.1 DEFINITION
Lamplificateur de puissance est le dernier tage dune chaine amplificatrice. Il permet de fournir
une puissance beaucoup plus grande que celle fournie par le signal de commande, tout en
gardant la m me forme du signal.
La finalit des amplificateurs est la commande dun actionneur (haut-parleur, moteur,
inductance, r sistance...) sans d formation du signal appliqu en entr e.
Dans la plupart des cas, lamplification en puissance est une amplification en courant. Cest
pourquoi on utilise des transistors bipolaires, ou des transistors MOS de puissance.
VI.2 CARACT RISTIQUES D'UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE
Alimentation
Pf
Commande
Pc
Amplificateur
Pu
Utilisation
Pd
Figure VI.1 : Bilan de puissance
Lalimentation du montage fournie une puissance totale Pf qui se r partit entre la puissance utile
Pu dissip e dans la charge et la puissance Pd dissip e, en pure perte, dans lamplificateur. La
puissance Pc fournit par le circuit de commande, est en g n ral n gligeable devant celle
provenant de lalimentation.
On peut d finir :
- La puissance moyenne utile :
- Le gain en puissance :
- Le rendement :
n
- Distorsion : Lorsque lamplificateur travaille en grands signaux, le signal de sortie pr sente de
la distorsions dus la non-lin arit . Cela signifie qu une entr e sinuso dale correspond un
signal de sortie seulement p riodique.
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==TTuudttitvTdttpTP00).().(1).(1cupPPG=fufcuPPPPP +=h
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Chapitre VI : Amplificateur de puissance
Ce signal de sortie vs(t) est d composable en s rie de Fourier sous la forme :
- On appelle distorsion dharmonique not e dn le rapport entre lamplitude Vsn de lharmonique
de rang n et lamplitude Vs1 du fondamental :
- On appelle distorsion totale not e dt le rapport entre la valeur efficace de tous les harmoniques
et la valeur efficace du fondamental :
VI.3 CRIT RES DE S LECTION D'UNE CLASSE D'AMPLIFICATEUR
De nombreux crit res peuvent tre pris en compte lors de la s lection d'un amplificateur. Les
points importants tant :
La puissance de sortie ;
Le rendement ;
La puissance maximale que peut dissiper l' l ment actif ;
Le gain (en tension, en puissance) ;
La distorsion ;
La fr quence maximale de travail.
VI.4 CLASSE DAMPLIFICATION DE PUISSANCE
Soit un transistor et sa droite de charge. Selon la position du point de repos, on d finit des classes
de fonctionnement diff rentes.
IC
A
AB
B
VCE
0
Figure VI.2 : Point de fonctionnement
VI.4.1 Amplificateurs de puissance classe A
L'amplificateur est constitu d'un tage de sortie ne comportant qu'un seul transistor. Le point de
repos se situe approximativement au milieu de la droite de charge. En fonction du signal
amplifier, il peut donc se d placer de part et d'autre de ce point le long de la droite de charge.
Les composants actifs conduisent pendant toute la p riode du signal dentr e.
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+ =++=10)cos(.)(nnnstnaatvjw1ssnnVVd=22322.............ktdddd+++=
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Chapitre VI : Amplificateur de puissance
VI.4.2 Amplificateurs de puissance classe B
L'amplificateur est constitu d'un tage de sortie comportant deux transistors compl mentaires.
Le point de repos se situe la limite du blocage de chaque transistor. Pour pouvoir amplifier les
deux alternances d'un signal sinuso dal, il faut que l'un des transistors amplifie les alternances
positives et le second les alternances n gatives.
Les composants actifs conduisent durant une demi-p riode du signal dentr e.
VI.4.3 : Amplificateurs de puissance classe AB
L'amplificateur est constitu d'un tage de sortie comportant deux transistors compl mentaires.
Cest la structure de base de la sortie dun amplificateur classe B, modifi e au niveau de la
polarisation.
Le point de repos se situe alors tr s proche de la limite du blocage des transistors. C'est- -dire
entre la classe A est la classe B, mais plus proche de la classe B.
VI.4.4 Amplificateurs de puissance classe C
L' tage de sortie est constitu d'un seul transistor. Le point de repos se situe largement dans la
r gion bloqu e des caract ristiques de ce dernier. Seules les cr tes des alternances positives du
signal d'entr e feront appara tre un signal de sortie.
Les composants actifs conduisent durant moins dune demi-p riode du signal dentr e.
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VI.4.5 Amplificateurs de puissance classe D
L' tage de sortie fonctionne en commutation, c'est- -dire entre deux niveaux de tension. La
fr quence de commutation est fixe mais le rapport cyclique de commutation est variable. Le
signal basse fr quence (BF) amplifier est donc cod en modulation de largeurs d'impulsions
(MLI ou PWM). La fr quence de commutation est au moins d'un ordre de grandeur sup rieur
la fr quence maximum du signal BF. Ce signal est reconstitu par filtrage passe bas la sortie.
VI.5 STRUCTURE DE BASE DES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE
VI.5.1 La classe A avec une charge r sistive
On consid re le cas dun montage metteur commun et une charge purement ohmique. Lorsque
le fonctionnement est id al, le point de repos se situe au milieu de la droite de charge, on aura :
Le courant de repos est IC = E/2.RC et la tension de repos est VCE = E/2.
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ic
uc
E
VCE
RC
C
B
VE
E
iC
E/Rc
Uc0
Point
de repos
0
Ic0
E
VCE
Figure VI.3a : Amplificateur classe A
Figure VI.3b : Droite de charge et point de repos
Duc(t)
UC
0
-UC
Dic(t)
IC
0
-UC
UC0
UC0
uc(t)
UC0+UC
t
0
t
UC0
IC0
IC0
0
ic(t)
IC0+IC
t
0
t
UC0
0
t
t
Accroissement
Polarisation
Point de fonctionnement
Figure VI.4 : R gime total de fonctionnement
Les signaux uC(t) et iC(t) sont constitu s de la polarisation laquelle se superpose le signal
alternatif amplifier.
En se r f rant la Figure VI.4, et en sachant que tout signal p riodique peut tre d compos en
un signal continu constitu de la valeur moyenne et d'un signal alternatif valeur moyenne nulle,
on peut crire :
En r gime sinuso dal et pour une charge purement r sistive, on a :
- Puissance utile dissip e dans la charge :
La puissance utile dissip e dans la charge se calcule ainsi :
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)()(iet )()(00tiIttuUtuccccccD+=D+=)sin(.)(et )sin(.)(tItitUtuccccww=D=D
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Le terme (Uc0.Ic0) repr sente la puissance due au courant de polarisation. Le terme (Uc.Ic/2)
repr sente la puissance utile due aux variations de tension et de courant aux bornes de la charge.
- La puissance dissip e dans le transistor :
La puissance dissip e dans le transistor se calcule selon le m me principe. Il est cependant
essentiel de remarquer que lorsque le courant augmente de Ic dans le transistor, la tension ses
bornes est r duite de Uc en raison de l'augmentation de la tension aux bornes de la charge. Uc et
Ic sont donc en opposition de phase dans le transistor, ce qui donne un signe n gatif leur
produit : pd(t)= uc(t).ic(t), et par cons quent la puissance moyenne :
Cest la diff rence entre la puissance fournie par le g n rateur et la puissance dissip e dans la
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charge.
La puissance dissip e dans le transistor est maximale en continu (Uc = 0) et minimale pour
lexcursion maximale de la tension de sortie (Ucmax).
- La puissance fournie par lalimentation :
La puissance totale dissip e peut se calculer comme la somme des puissances dissip es dans le
transistor et dans la charge : Pf = Pd + Pu.
On v rifie que ce r sultat correspond bien celui obtenu en calculant la puissance d livr e par
l'alimentation :
- Le rendement :
Pour le calcul du rendement on n glige la puissance du signal d'entr e, qui est inf rieure de
plusieurs ordres de grandeurs aux autres termes.
Deux cas sont consid rer :
- Dans le cas o lensemble de la puissance de sortie est admise, il vient :
- Dans le cas o seule la puissance en r gime alternatif est acceptable, on a :
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2..).().(1).(10000ccccTccTuuIUIUdttituTdttpTP+=== 2).().(].)([1).(.)(1).(100000cccccTccTCETddIUIUEdttituETdttitvTdttpTP--=-=== CteIEdttiETdttpTPcTcTff==== 000.).(.1).(100000..2..2..ccccCccccfufcuIEIUEUIEIUIUPPPPP+=+= +=h
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Chapitre VI : Amplificateur de puissance
Le rendement est maximum lorsque Uc et Ic sont maximaux, c'est- -dire pour : Uc = Ucmax = E/2
et Ic = Icmax = Ic0. Dans ce cas, la puissance utile devient : Pu = Ucmax.Icmax/2 = E.Ic0/4 et le
rendement maximum :
En r alit le rendement maximum ne peut jamais atteindre 25% cause de la tension de
saturation UCEsat du transistor.
- La conception des amplificateurs classe A est simple et leurs performances sont excellentes
surtout au niveau de la lin arit et de la distorsion mais leur rendement est tr s mauvais.
Lutilisation dun transformateur de sortie permet de doubler le rendement car il ny a plus de
signal continu dans la charge mais introduit dautres probl mes (bande passante, saturation du
transformateur).
Le tableau ci-dessous permet la comparaison des puissances de polarisation (repos) et
condition de rendement maximum hmax.
Au repos
Avec hmax
Puissance dissip e par le transistor
Puissance totale dans la charge
Puissance fournie par lalimentation
Pd
Pf
Pu
Tableau VI.1 : Comparaison des performances
VI.5.2 La classe B
VI.5.2.1 Principe de la classe B
On utilise une paire de transistors compl mentaires (NPN et PNP) de m me gain. Les deux
transistors sont polaris s, par le dernier tage amont, pour obtenir un courant de repos nul (point
B). Chaque transistor est donc bloqu pendant une demi-p riode : T1 nest conducteur que
pendant les alternances positives de la tension dentr e. Il est donc n cessaire dutiliser deux
transistors compl mentaires avec deux alimentations continues sym triques par rapport la
masse. Le courant qui circule dans la charge est fournit alternativement par les deux transistors.
Ce montage est connu sous le nom de "push-pull".
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00..2..2.cccCccfufcuIEIUIEIUPPPPP== +=h%2541max== fuPPh2.0cIE4.0cIE2.0cIE4..30cIE0.cIE0.cIE
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+E
IC1
T1
ic
iB1
vBE1
Rg
eg
T2
Rc
uc
iB2
IC2
-E
IC
E/Rc
Uc0
Transistor T1
IB
B
VCE
0
Ic0
E
VBE
Figure VI.5 : Amplificateur classe B
Figure VI.6 : Caract ristique de transfert
- Etude de T1 : Le montage r git par les quations suivantes :
- Si T1 est bloqu :
T1 bloqu pour eg n gative et uc nulle.
- T1 satur : On suppose une tension de saturation nulle : VCEsat = 0. La condition de saturation
s crit :
satur , on :
si le transistor est
, do la condition de saturation de T1 :
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T1 est satur pour tout eg positif sup rieur ou gal e0 et uc gale E.
- T1 amplificateur : Lorsque 0 < eg < e0, T1 est en fonctionnement normal. Si on n glige la
r sistance r0 du transistor, on obtient la relation : ic1 = 1.iB1. On d duit donc lexpression de la
tension de sortie :
- Etude de T2 : L tude de T2 est analogue celui de T1. on aboutit une caract ristique de
transfert uc = f(eg) sym trique par rapport lorigine avec celle de T1.
VI.5.2.2 Fonctionnement du push-pull
Les deux metteurs et les deux bases tant reli s, il vient que : vBE1 = vBE2. En cons quence, si T1
conduit, T2 est bloqu et vice versa.
Par ailleurs, le courant dans la charge est donn par : ic = iE1 + iE2, Il en r sulte :
- Pour eg > 0 (T1 conduit, T2 bloqu ) : ic = iE1
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111111 ; . ; .cBEEccBEBggciiiiRuviReu+==--=0uet 0et 11111== ==cBEgBEEcBveviiip, ' .1. avec ,111111ccBEgBcEsatCsatBsatBRuveioudREIIIi--=+== bbaE , u , v).R( E icBEcB==+ 01111]11.[10++= cgg).R( REe e01110 avec .1.1eee).R( RR)( uggcgcc<<+++=
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- Pour eg < 0 (T1 est bloqu , T2 conduit) : ic = iE2
Les deux transistors doivent avoir le m me gain en courant ( 1 = 2) pour que les
caract ristiques de transfert aient la m me pente et que lamplification des deux alternances soit
sym trique. Si cette condition est effectivement r alis e, le signal dentr e est reproduit sans
distorsion. On obtient la caract ristique de transfert uc = f(eg) du montage push-pull (Fig.VI.7).
uc
+E
Saturation
Blocage T1
Transistor T1
eg
-e0
Transistor T2
Gain diff rent
Saturation
0
e0
Blocage T2
E
Figure VI.7 : Caract ristique uc = f(eG) du push-pull
VI.5.2.3 Rendement en classe B
Soit Uc lamplitude de la tension de sortie, lamplitude du courant de sortie vaut Ic = Uc/Rc. En
r gime sinuso dal, la puissance utile vaut donc : Pu = Uc
/2.Rc.
- La puissance utile maximale sobtient pour Uc = E, soit : Pumax = E/2.Rc.
- La source dalimentation de T1 d livre le courant iE1, tandis que la source dalimentation de T2
d livre le courant (-iE2).
La puissance instantan e fournie par lalimentation est : pf(t) = E.iE1(t) E.iE2(t).
La puissance moyenne vaut :
Cette puissance est maximale pour Uc = E, soit : Pfmax = 2.E2/ .Rc
- Puissance dissip e dans chaque transistor :
Cette puissance est maximale pour Uc = 2.E/ , il vient alors : Pdmax = E2/ 2.R = Pumax/5.
- Le rendement est donc gal a :
Il est maximal lorsque Uc atteint sa valeur maximale Uc = E.
Le rendement maximal en classe B est donc : max = /4 H 78,5 %
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ccTTccTccfRUEdttRUEdttRUETP...2).sin(.).sin(.12/2/0pww= -= RURUEPPPccufd.4...22-=-=pEUc.4.ph=
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Chapitre VI : Amplificateur de puissance
A puissance de sortie gale, ce montage permet dutiliser des transistors moins puissants que
ceux n cessit s par un montage en classe A.
Le rendement du montage en classe B est beaucoup plus important que celui en classe A.
VI.5.2.4 Distorsion de croisement
VI.5.2.4.1 Ph nom ne de distorsion
Les jonctions metteur base ne sont passantes que si la tension dentr e est sup rieure leur
tension de seuil not e U0.
En r alit , la caract ristique de transfert uc = f (eg) pr sente un palier (Fig.VI.8). la tension de
sortie uc est nul pour : U0 < eg < U0. A la sortie, il y a une d formation importante du signal. Ceci
correspond la distorsion de croisement. Compte tenu de la valeur de la tension de seuil (H 0,7
V), la distorsion est tr s importante, ce qui interdit un fonctionnement en classe B pure.
uc
+E
Transistor T2
Saturation
Transistor T1
eg
-e0
0
-U0
U0
e0
Blocage T1
Blocage T2
Saturation
0
eg
E
Figure VI.8 : Distorsion de croisement
VI.5.2.4.2 Correction de distorsion
a/ Montage diodes : Pour supprimer ce type de distorsion, On utilise deux diodes dont les
tensions de seuil U0 sont gales la tension de seuil VBE0 des transistors (Fig.VI.9). Les
r sistances R1 et R2 ont des valeurs assez petites pour que les diodes soient polaris es par un
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courant important, ce qui place leur point de fonctionnement dans la zone lin aire pour toute
valeur de la tension dentr e comprise entre +E et -E.
b/ Montage AO : Les diodes restent en effet conductrices si le courant qui les traverse reste
positif. On modifie ainsi le point de polarisation des transistors qui conduisent pour une tension
dentr e pratiquement nulle.
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Ces conditions de fonctionnement sont difficiles obtenir et, en pratique, on utilise des diodes
dont la tension de seuil est sup rieure celle des transistors. Ceux-ci sont donc toujours passants
et pr sentent un faible courant de repos I0. Dans la charge, ces courants sont oppos s et on doit
ajuster R1 pour que le courant de repos dans Rc soit nul.
Une autre m thode utilis e pour annuler les effets de la distorsion de croisement consiste
utiliser un amplificateur op rationnel avec une contre r action totale (Fig.VI.10).
Dans ce montage, le gain sajuste pour maintenir l galit des tensions dentr e et de sortie et
cela m me pour des tensions dentr e tr s faibles. Cette contre-r action de lamplificateur
op rationnel permet une r duction pratiquement compl te de la distorsion de croisement.
R1
Rg
eg
R2
+E
T1
T2
Rc
uc
-E
-
+
Rg
eg
+E
T1
T2
-E
ic
Rc
uc
Figure VI.9 : Correction de distorsion par diode
Figure VI.10 : Correction de distorsion par AO
c/ Montage condensateur : Les montages pr c dents utilisent tous une alimentation double.
Ce mode dalimentation nest pas toujours possible et dun point de vue conomique il est plus
avantageux de travailler avec une alimentation unique.
Le montage suivant (Fig.VI.11) qui utilise un
condensateur en s rie avec la charge est tr s utilis .
R1
En effet, si on place un condensateur de forte valeur
en s rie avec la charge, celui-ci se comporte pendant
les alternances positives comme un r cepteur de
tension et se charge la tension E/2. Pendant les
alternances n gatives du signal ce condensateur
restitue l nergie emmagasin e et se comporte comme
un g n rateur de tension de valeur E/2.
Rg
eg
R2
+E
T1
T2
-E
C
Rc
uc
Figure VI.11 : Correction par condensateur
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VI.6 Amplificateurs int gr s
Les fabricants offrent un large choix damplificateurs de puissance int gr s dont les
performances sont tr s satisfaisantes et dont la mise en Suvre est simple.
A titre dexemple, la figure ci-dessous reproduit un sch ma dapplication du circuit TDA 1020
qui permet de fournir une puissance de 7 W dans une charge de 4 . Les condensateurs de 0,1
F et de 100 F sont des condensateurs de d couplage en basse fr quence et la cha ne 2,7 - 0,1
F est un r seau de compensation en fr quence.
Figure VI.11 : Correction par condensateur
Figure VI.12 : Amplificateurs audio TDA1020
Figure VI.13 : Sch ma de c blage du circuit TDA 1020
REMARQUES
f On ajoute le plus souvent des circuits de protection car un court-circuit au niveau de la charge
entra ne la destruction imm diate des transistors de puissance par emballement thermique. Une
protection par fusible est illusoire.
f Les transistors de puissance sont fix s sur des radiateurs qui sont refroidis par convection
naturelle ou forc e.
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