6. Weiterte technische Angaben bei Endstufen für Profis
Facteur de distorsion harmonique
En mathématiques, chaque fois que nous parlons d'un facteur, il s'agit d'un rapport entre deux grandeurs sans unité, exprimé soit en décimales, soit en pourcentage. En outre, nous avons bien sûr besoin d'au moins deux valeurs d'une grandeur physique, qui sont ensuite placées dans un rapport.
| Prenons un exemple : Notre journée possède 24 heures. Une journée de travail est, disons, de 8 heures. (Est-ce que j'entends des protestations ?) Si nous mettons cela en relation, nous obtenons un facteur de travail par rapport aux 24 heures d'exactement 1/3 ou 33,3... %. |
La distorsion harmonique totale (THD) est la distorsion qui affecte le signal sinusoïdal d'origine.
En raison du comportement non linéaire des différents composants (transistors, diodes, transformateurs, etc.) dans la technique d'amplification, les harmoniques se superposent à l'oscillation fondamentale et génèrent ce que l'on appelle des distorsions non linéaires, qui sont perçues comme des bruits désagréables dans les hautes fréquences. Lors de la conception d'amplificateurs de puissance, il faut trouver un compromis entre la distorsion harmonique et la complexité du circuit. L'oreille humaine ne perçoit pas les distorsions dans les basses fréquences comme gênantes à partir d'un taux de distorsion de 5% et dans les hautes fréquences, la distorsion peut être perçue clairement à partir d'un taux de distorsion de 0,5%.
Les composants principaux générant du bruits peuvent être par exemple :
- les transistors
- les lampes (malheureusement !)
- les bobines et les transformateurs
- les diodes
- les condensateurs, etc.
- Ces composants ont une courbe caractéristique non linéaire et nous obtenons donc automatiquement les distorsions mentionnées ci-dessus. Celles-ci ont à leur tour pour conséquence l'apparition d'harmoniques qui ont un rapport avec les oscillations fondamentales.
D'un point de vue purement mathématique, cette formule permet d'obtenir le taux de distorsion harmonique global :
Les valeurs efficaces des harmoniques sont rapportées à la valeur efficace totale, y compris la composante fondamentale (signal harmonique). C'est déjà assez compliqué et nous accepterons de négliger cela pour l'instant.
Ce qui est important, c'est que la distorsion harmonique soit toujours inférieure ou égale à un et qu'elle puisse également être exprimée en décibels :
Pour rendre la valeur en décibels un peu plus abordable pour nous, nous avons :
- Une valeur de -40 dB correspond à un facteur de 1%
- Une valeur de -60 dB correspond à un facteur de 0,1 %
Cela nous amène tout de suite à de bonnes valeurs, voire à des valeurs quasiment impossibles à atteindre. Notre oreille, même entraînée, ne peut que difficilement percevoir une distorsion harmonique inférieure à un pour cent, à moins que la nature du signal utile ne soit très pauvre en harmoniques et riche en présence (par ex. une flûte).
Avec 0,1 %, nous atteignons la limite entre la perceptibilité et l'effort technique (qualité des composants, des circuits). Un amplificateur de puissance qui atteint cette valeur de manière fiable est considéré comme étant de première classe.
Facteur d'amortissement
D'un point de vue général, le facteur d'amortissement est un rapport qui décrit la valeur de la résistance d'entrée par rapport à la résistance de sortie de deux amplificateurs. Pour nous, cela signifie que l'impédance de l'enceinte (= résistance d'entrée) est mise en relation avec l'impédance de sortie de l'amplificateur (= résistance de sortie) :
Toutefois, si l'on y regarde de plus près, le facteur d'amortissement représente le rapport entre la bobine acoustique du haut-parleur et le reste de l'ensemble du circuit électrique. Il ne s'agit pas seulement des résistances des câbles des enceintes et de la résistance interne d'un éventuel filtre, mais aussi des mauvaises résistances de contact lors des connexions entre câbles et appareils. Ces quelques milliOhms s'ajoutent à chaque connexion à la résistance de sortie de l'étage final bien que pourtant très faible (dans le domaine des milliOhms -par exemple 0,04 Ohm ou 40 mOhm) et détériorent ainsi le facteur d'amortissement !
Si nous rapportons la valeur susmentionnée de 0,04 Ohm d'impédance de sortie à l'impédance d'une enceinte de 4 Ohm, nous obtenons un facteur de 100. Celui-ci est absolument indispensable si cet amplificateur de puissance veut se prétendre à la catégorie des amplificateurs de sonorisation. Dans le cas contraire, la capacité de charge en courant de l'amplificateur serait trop faible et une partie de la puissance de sortie produite serait transformée en chaleur. Et ce n'est évidemment pas souhaitable ! Les amplificateurs de puissance professionnels proposent donc des facteurs d'amortissement de l'ordre de 3000, mais pour les raisons décrites ci-dessus (câbles, transitions, etc.), ces valeurs sont plutôt théoriques.
Conclusion : plus le facteur d'amortissement est élevé, meilleure est la transmission de puissance.
Facteur de crête
On ne parle pas, bien sûr, de la crête d'un coq. Mais une analogie consisterait simplement à dire que la crête du coq est le point le plus haut de l'animal et que, pour notre étage final, il s'agirait par exemple de la valeur maximale de la tension d'alimentation, du moins d'un point de vue électrotechnique.
Cette valeur est nettement plus élevée que la valeur efficace généralement mesurée et utilisable. Le rapport entre ces valeurs donne le facteur de crête, qui peut être calculé aussi bien pour les tensions alternatives que pour les courants alternatifs. Pour notre exemple de tension de réseau, on obtiendrait alors
Pour une tension purement sinusoïdale, ce facteur est égal à la racine carrée de 2 = 1,41. Cela signifie que notre tension de réseau de 230 V, a donc une valeur de 325 Volt en crête ! Tous les composants électroniques qui fonctionnent avec la tension du réseau doivent donc pouvoir supporter brièvement cette valeur.
L'idéal serait que la valeur de 1,41 mentionnée ci-dessus ne change pas. Malheureusement, les blocs d'alimentation ou d'autres appareils, comme les variateurs ou les régulateurs à thyristors, ont un facteur de crête plus élevé quand ils fonctionnent à charge partielle, qui peut atteindre 10 ou plus en raison de la consommation de courant sous forme d'impulsions !
Un facteur de crête élevé entraîne une distorsion de la puissance réactive (perte d'énergie inutile) et donc des harmoniques dans le réseau électrique. On s'en doute ce n'est absolument pas souhaitable. Donc en principe : plus le facteur de crête est faible, plus l'influence sur le réseau est faible.
Vitesse de balayage
Avec le slew-rate, ou la vitesse de balayage, on entre dans le vif du sujet. Ici aussi, comme pour le facteur de crête, nous avons affaire à un rapport entre valeurs.
Elle définit la pente d'un flanc de signal, qui résulte de la montée d'une tension sur un temps (et donc une fréquence) donné. Le signal parcourt donc un certain chemin (flanc de tension) en un temps donné. Autrement dit, la vitesse. Avec le slew-rate, nous obtenons la vitesse maximale de montée ou de descente de la tension de sortie d'un circuit d'amplification.
Ce n'est pas très simple, alors regardons le graphique enregistré avec un oscilloscope :
On voit clairement les deux croix sur les lignes verticales qui délimitent exactement le flanc de montée du signal mesuré. On obtient alors un delta U (tension) au-dessus d'un delta t (temps) et donc la pente de la courbe.
Dans les fiches techniques, la vitesse de balayage des amplificateurs opérationnels est indiqué en Volt par microseconde. Des valeurs de 5 à 300 V/µs seraient réalistes. Pour les amplificateurs hi-fi en général, on observe des valeurs de 180V/µs et pour les applications vidéo, des valeurs extrêmes allant jusqu'à 6000V/µs.
Bien sûr, tout a une fin ou une limite et même un amplificateur opérationnel, aussi bon soit-il, peut, à un moment donné, ne plus transmettre correctement un signal à flancs très raides, ce qui signifie qu'une autre valeur s'ajoute ici : La valeur de la fréquence limite. Ici aussi, comme pour la vitesse de balayage, plus il est élevé, mieux c'est. Dans les grandes lignes, une bonne valeur se situerait dans le domaine des Mégahertz. Les deux valeurs peuvent apparaître dans les fiches techniques des amplificateurs de puissance.
