REALISATION D'UN AMPLI ET D'UN PREAMPLI DE CLASSE A

 

 L'informatique n'est pas ma seule passion. Je suis aussi un peu audiophile (modérément)... Car écouter de la bonne musique n'est pas incompatible avec l' activité précitée, c'est même parfois salutaire.

L'histoire commença ainsi...

Début 1999, j'ai voulu faire évoluer ma petite chaîne Onkyo et j'ai acheté d'étonnantes enceintes (voir photo) fabriquées par un artisan dijonnais, M. Lanternier. Elles sont équipées chacune d'un large bande Altec d'un excellent rendement (100 dB, eh oui) et le résultat est tout bonnement surprenant. Mon petit ampli japonnais fonctionnait bien, mais avec une agressivité qui ne correspond pas à mon tempérament (ni au sien, d'ailleurs). Je me suis rendu compte que j'avais à nouveau mis le doigt dans l'engrenage et qu'il fallait aussi penser à changer l'électronique. Mais quoi?
L'ampli à lampes était sans doute tout indiqué, mais à quel prix?

Alors, j'ai fait des recherches pour tenter de trouver quelque chose de bien et correspondant au budget modeste que je me suis fixé.

LA PERLE RARE: LE ZEN

Tous les audiophiles le savent, rien ne vaut la classe A, mais c'est quasiment introuvable dans le commerce, parce que ce n'est pas commercial. Les trois quarts de la puissance sont dissipés en chaleur et le reste est utilisé pour amplifier le son. Qui oserait vendre un ampli qui sert plus à chauffer la pièce qu'à amplifier la musique? Il y en a d'excellents à lampes, me direz-vous, mais à 15 000 F minimum, c'est un choix qui mérite reflexion. En attendant des jours meilleurs, il faut donc se retrousser les manches et ressortir le fer à souder si on veut approcher la perfection sans se mettre en situation de surendettement.

Quand on est connectable, le réflexe, c'est de faire une recherche sur Internet avec le mot-clé "Class-A". Après les sites automobiles, on tombe immédiatement sur le site de Pass Laboratories (vous savez, les amplis ALEPH, la référence en la matière).
Tous les articles de Nelson PASS mentionnés dans cette page peuvent être téléchargés au format PDF sur son site à l'adresse suivante:
http://www.passdiy.com/legacy.htm


Nelson Pass avait publié en 94 un article où il décrivait la réalisation du ZEN, un ampli à MOSFET de classe A de 10 watts extrêmement simple ou plutôt simple à l'extrême. La lecture de l'article et l'étude du schéma laissent bouche bée. Un seul MOSFET (IRFP 140) pour amplifier le signal et un second (IRFP 9240) comme source de courant (de 2 ampères). C'est tellement simple que le son ne risque aucune déformation, à tel point qu'il sort inversé et qu'il faut brancher la fiche rouge des enceintes à la masse et la noire à la sortie des condos pour être en phase avec le reste du système audio.
Eh bien, dites-moi, voilà qui change des schémas qu'on peut voir un peu partout avec 3, 4 ou même 7 étages et symétriques qui plus est... En tout cas, il me convient bien, car j'aime bien la soudure, mais pas trop.

Autant le dire d'emblée: si vous n'avez pas des enceintes de 8 ohms et d'un rendement supérieur à 90 dB, le ZEN ne sera probablement pas l'ampli le plus approprié (il marchera, mais ne révèlera pas pleinement ses qualités).

Je me mets donc en quête de la poignée de composants nécessaires, qu'aucun distributeur local n'a en stock, évidemment. Bref, après 2 semaines d'attente, je peux commencer à construire un prototype et il n'y a aucune difficulté. Ca marche du premier coup ou presque (un petit ronflement dans le canal gauche, vite maîtrisé).
Le résultat? Personnellement, je n'avais jamais rien entendu d'aussi bon. Tout est à la fois clair, consistant, puissant, présent, à sa place... Cet ampli est une merveille, on ne peut pas dire autrement. Que les détracteurs des MOSFETs se détrompent, quand il fonctionne en classe A et avec de forts courants, il n'a pas la moindre agressivité. La distorsion harmonique (d'un taux inavouable) est purement de seconde harmonique, comme pour les lampes, ce qui procure un son chaud, comme on dit.

CA CHAUFFE...

Oui, mais il n'y a pas que le son, qui est chaud, les MOSFETs aussi, surtout après plus d'une heure de fonctionnement...
En classe A, ce n'est pas la puissance délivrée pour le signal qui provoque l'échauffement, mais le fort courant constant qui sert à établir le point de repos. La dissipation est donc continue et bien supérieure à la puissance délivrée aux enceintes. Ainsi, le ZEN peut aller jusqu'à 10 Watts pour l'amplification du son, mais dissipe en permanence pas loin de 70 watts. Même montés sur de bons radiateurs, les MOSFETS peuvent atteindre plus de 60°C avec une température ambiante de 20°C, mais qu'en sera-t'il en pleine canicule? Vous comprenez mieux pourquoi on trouve rarement des amplis de classe A dans le commerce.
En réalité, comme j'ai entendu mes enceintes fonctionner à merveille avec un ampli de 4 watts (de classe A), pourquoi ne pas réduire la puissance?

Version 5W:

En examinant le schéma de Nelson Pass (que je vous invite à imprimer, c'est la figure 2 dans son article), on s'aperçoit que R1, de 0,33 ohm, définit le courant délivré par Q2. A l'origine, il est de 2 ampères (0,66 V aux bornes de R1 divisé par 0,33), ce qui, avec une tension d'alimentation de 34 V, fait dissiper 34 x 2 = 68 W par les Mosfets. Q2 se comporte alors comme une charge de 8,5 ohms (17V / 2A), puisque la tension aux drains est moitié de la tension d'alimentation (point de repos). Si on augmente R1, on diminue donc le courant. J'ai demandé confirmation à Nelson Pass, qui me conseille aussi dans ce cas de réduire la tension d'alimentation.
Après quelques calculs, j'en arrive à la configuration suivante:

  • R1 = 0,47 ohm, I = 0,66 / 0,47 = 1,4 A
  • Tension au drain de Q2: 1,4 x 8,5 = 12 V environ, soit une tension d'alimentation de 24 V continus (obtenus avec un enroulement d'un transfo de 2 x 18V 160 VA)

Dans ce cas, la puissance dissipée par les Mosfets n'est plus que de 24 x 1,4 = 34 W environ. J'ai ainsi réduit la puissance totale d'environ 50 %, ce qui me laisse espérer 5 watts pour la musique. Vérification faite, les transistors chauffent plus raisonnablement (environ 40°C lorsque Q1 et Q2 sont côte à côte sur un même radiateur).
A l'écoute, pas de différence majeure, la qualité des enceintes étant indéniable. Disons un peu moins de punch (c'est normal), mais on garde une reproduction très naturelle des timbres. La coloration propre aux enceintes est mise en valeur, ce qui, avec les miennes, ne procure pas une impression désagréable (légère accentuation du bas medium, mais j'y suis maintenant habitué).

Version intermédiaire:

Les calculs, s'est bien beau, mais je n'ai pas pu résister à l'envie de tester la configuration suivante:

  • R1 = 0,47 ohm, I = 0,66 / 0,47 = 1,4 A
  • Tension au drain de Q2: 17 V environ, soit une tension d'alimentation de 34 V continus (obtenus avec un enroulement d'un transfo de 2 x 24V 250 VA)

On l'aura compris, par rapport au ZEN original, seule la valeur de R1 a été modifiée (0,47 au lieu de 0,33 Ohms). La puissance dissipée est de 1,4 x 34 = 47,6W, ce qui laisse environ 7W pour la musique. La température est d'environ 30°C au dessus de la température ambiante. Avec de bons condensateurs de filtrage (voir ci-dessous), l'écoute est d'excellente qualité, bien qu'on puisse déduire de la lecture de l'article de Nelson PASS une forte augmentation de la distorsion...

REALISATION PRATIQUE:

Si vous utilisez le plan de circuit imprimé publié par Nelson Pass, sachez qu'il est inversé. Les MOSFETs, en boîtier TO247 (genre TOP3) ont le brochage suivant, lorsqu'on les tient debout face à soi: G D S. Personnellement, j'ai redessiné les CI en mettant chaque canal sur une plaque distincte et avec des pistes plus larges, tout en respectant le dessin original. Les ponts de diodes pour l'alimentation doivent être des 25 A en boîtier métallique, fixés au chassis. Pour le transfo, prévoyez un torique de 2x25 V 250 VA (version 10 watts) ou 2x18 V 160 à 200 VA (version 5 watts). La résistance R1 ayant tendance à bien chauffer, ne la soudez pas trop près du circuit imprimé.
Bon, tous ces trucs montés à l'air libre sur une plaque de bois, c'est pas très esthétique dans mon salon. Il faut mettre tout ça dans un coffret. En fait, c'est l'importance des radiateurs qui va en conditionner le choix.
Il est impératif d'avoir des radiateurs en peigne d'au moins 30 cm de long si on y monte Q1 et Q2 (version 5W watts) ou, mieux, mettre Q1 et Q2 sur des radiateurs distincts (version 10 watts). La bonne qualité de ces éléments peut être déduite de la formule suivante pour le calcul de la température:

T = Valim x Ibias x Rth + Tamb

où Ibias est le courant de repos déterminé par R1, Valim la tension d'alimentation continue, Rth la résistance thermique du radiateur (en °C/W) et Tamb la température ambiante. La formule est approximative, car la puissance dissipée par Q1 diminue un peu avec le signal amplifié.
Autant dire qu'il vaut mieux tabler sur des radiateurs avec une résistance thermique proche de 0,5°C/W (attention, cette spécification est toujours donnée pour un montage vertical des ailettes, d'où la préconisation du type "peigne" qui permet aussi de fixer directement les MOSFETs verticalement sur leur face lisse). Utilisez du mica pour isoler la semelle des MOSFETs (qui est le drain) et de la graisse de silicone (les isolants sans graisse sont déconseillés). Une petite vérification de l'isolement avec un ohmmètre s'impose si vous ne souhaitez pas attendre 2 autres semaines pour une nouvelle paire de MOSFETs. Attention aussi en les manipulant, car ils sont très sensibles à l'électricité statique avant d'être soudés au circuit (rincez vous les mains à l'évier pour vous décharger ou touchez un objet métallique relié à la terre).
Enfin, laissez de l'espace à l'ampli une fois installé. Ne l'enfermez pas dans un placard, ne posez rien dessus, et laissez une dizaine de centimètres de chaque côté. Il faut absolument que l'air chaud puisse circuler. Pour ce qui est de la tempéraure, et à défaut de sonde pour la mesurer précisément, vous pouvez considérer qu'elle est correcte si vous pouvez laisser les mains sur les radiateurs après une heure ou deux de fonctionnement. Si c'est trop brûlant, les MOSFETs ne tiendront pas très longtemps. Rien n'empêche de prévoir deux petits ventilateurs à l'arrière du coffret, alimentés en 12 V indépendamment de l'ampli. Ils pourraient être mis en marche manuellement pour faire baisser la température de 10° en une dizaine de minutes (le temps d'aller se faire chauffer un café, comme ça leur bruit de fond est moins dérangeant).
Ce petit montage peut revenir à moins de 300€ si on utilise des composants standards. Les grosses dépenses concernent le transfo torique (environ 50€), les radiateurs (50 à 60€) et le coffret, suivant le luxe (50 à 80€), puis viennent les MOSFETs (30€ les 4 environ) et les condensateurs de filtrage de 10000 µF/40V (6,50€ x 4 environ en type C056), le reste n'étant constitué que de composants bon marché (profitez-en pour choisir des résistances à couche métallique). Le plus beau cadeau qu'on puisse faire au ZEN, c'est une paire d'excellents condensateurs de filtrage... Remplacez sur chaque canal au moins le premier des 10000µF par un 22000 de type "bouteille" (CO39) et, croyez-moi, vous ne regretterez pas la dépense supplémentaire. Le son gagne énormément en profondeur et en dynamique. On peut s'y attendre, me direz-vous. Bien-sûr, vous répondrais-je, mais la différence est carrément flagrante et nul besoin d'avoir l'oreille exercée pour s'en rendre compte. J'ajouterai même que c'est un élément essentiel à ne surtout pas négliger. Mais attention, il est important d'avoir deux condensateurs sur chaque canal. Ne remplacez pas les deux 10000µF par un seul 22000, ça ne rend rien.

  • Cliquez ici pour voir la photo de l'ampli terminé.
  • Dessins des circuits imprimés au format PDF: côté cuivre, côté composants. Sur le second, les transistors utilisés pour Q3 sont des BC560 (des PNP comme BC 557, 558, 559 conviennent aussi). Si vous utilisez des MPSA92 (comme indiqué sur le schéma de N. Pass), l'implantation de Q3 doit être inversée.
  • Pour d'autres renseignements et notamment la liste des composants, voir l'article de Nelson PASS.

REMARQUES:

  • Je ne suis pas électronicien, aussi corrigez-moi si je me suis trompé quelque part. Enfin, mise à part la loi d'Ohm, je ne crois pas avoir fait appel à des théories trop hasardeuses.
  • Certains prétendent que les condensateurs de sortie altèrent le son et préfèrent pour cela utiliser une alimentation symétrique. Bien qu'il existe chez Pass Laboratories des schémas dans ce sens, je me demande si ça vaut bien le coup de se casser la tête pour ça et surtout si ça ne nuit pas à la conception du type "un seul étage". L'absence de condos se justifie pour des conceptions complexes où l'ajout de composants dans le trajet du signal a son influence. Ici, compte-tenu de la simplicité de ce trajet et de la qualité de l'ensemble, je suis persuadé que la suppression des condensateurs n'apportera aucune amélioration audible. Si on compte bien, le signal ne traverse que 4 composants (C6, R5, Q1 et C3/C4). Le montage à lampes le plus simple en compte au moins le double.
  • Nelson PASS, dans son article "ZEN Revisited", tente d'apporter quelques améliorations au ZEN original. La plupart ne sont que des améliorations des performances objectives (les mesures). Hormis l'augmentation du courant de bias, je les ai testées et elles sont plutôt décevantes. Ainsi, la boucle de contre-réaction du signal rend l'ampli complètement anémique. La seule chose que j'ai conservée, c'est un condensateur MKT de 10µF en parallèle sur les 2200µF à la sortie du ZEN (cela améliore quelque peu la dynamique des fréquences aigues, me semble-t'il, enfin, ça ne peut pas faire de mal en tout cas).

ET LE PREAMPLI, MAINTENANT ?

Là aussi, faisons confiance à Nelson PASS. Sur son site, il y a la description du préampli dédié au ZEN. Il lui est tellement complémentaire qu'il l'a appelé "The Bride of ZEN". Même si le ZEN peut fonctionner avec n'importe quel préampli de bonne qualité, ne passez pas à côté de la réalisation du "BOZ", ça en vaut vraiment la peine. Même sans réaliser le ZEN, ce petit préampli conçu selon le même principe (un seul étage de classe A) a de quoi redonner une seconde jeunesse à tout ampli existant.
Le schéma est en deux parties: un canal du préampli et l'alimentation. Tout cela surprend par son extrême simplicité encore une fois. C'est même tellement simple que l'on peut réaliser ce montage sur une plaque d'essai afin de le tester. Pour la version définitive, aucune difficulté pour dessiner le circuit imprimé (les IRF 510, 520, 610, 620 ou 630 sont en boîtier TO220 avec le brochage G D S quand on les tient face à soi).
Seul point gênant, pour moi, la tension d'alimentation de 60V. Pour le transfo, j'ai pu trouver un torique de 2x30V, 30VA, mais attention: il faut 7 à 8 semaines de délai quel que soit le fournisseur auquel vous vous adressez, car les stocks sont inexistants dans cette valeur (il faut donc attendre que l'usine les fabrique!) Cela dit, on peut aussi utiliser un transfo moulé (si ça existe en 2x30), ça ne nuira pas à la qualité.
Sinon, j'ai remplacé les condensateurs MKT C103 (de 10µF) par des électrochimiques de marque ELNA de 4,7µF. Le potentiomètre de sortie est un ALPS de 2x10K log (la plus faible valeur dans cette marque) au lieu d'un 4,7K comme préconisé. Ainsi, le filtre passe-haut constitué par C103 et le potentiomètre conserve la même fréquence de coupure (vers 1,6 Hz). Ce montage peut être rondement mené en quelques heures et ne coûtera que 60 à 80€, si on exclut le coffret et la connectique de luxe. On n'aura pas ici de problèmes d'échauffement. Il suffit de monter les Mosfets et le TIP29C sur de petits radiateurs individuels (pensez quand même à les isoler). J'ai testé les IRF 520 et les IRF 630 (tout simplement parce qu'on peut les trouver à environ 2€ pièce chez Selectronic alors que mon distributeur local me propose des 610 à 6€...). Ils sonnent un peu différemment, et j'ai une petite préférence pour les 630, mais c'est un avis très personnel. Cela étant, si vous trouvez des 610, ce sera l'idéal.
Avec le reste de mon équipement, je n'ai pas noté de saturation. Cela pourrait en effet arriver avec des sources délivrant un signal élevé, du fait que le contrôle de volume est à la sortie et non pas à l'entrée. Dans ce cas, Nelson Pass conseille de placer une résistance entre la source et l'entrée du préampli. Cela créera un diviseur de tension avec R107 de 100k et n'altèrera pas le son dans la mesure où l'impédance apparente de la source restera résistive (si j'ai bien compris).

  • Photo du préampli en boîtier: l'inverseur situé entre le commutateur rotatif et le potentiomètre sert à interposer une résistance à couche métallique de 47K lorsque certaines entrées provoquent une saturation.
  • Détail du circuit imprimé: notez le montage vertical des IRF630 et les condensateurs de 1000µF bleus qui ont une tension de service de 63V au lieu de 100V (ils sont en fin de chaîne de filtrage). Les ajustables servant à régler le point de repos sont des multi-tours verticaux.
  • Dessins du circuit imprimé au format PDF: côté cuivre et côté composants.
  • Pour d'autres renseignements et notamment la liste des composants, voir l'article de Nelson PASS.

Après cela, le bonheur enfin ! Vous pourrez réécouter tous vos disques, vous ne les reconnaîtrez pas... Cette merveille de préampli donne à la musique tous les avantages que les produits commerciaux cherchent à obtenir par des moyens sophistiqués et (donc) coûteux. Le ZEN, quant à lui, transmet toute cette pureté sonore aux enceintes qui, avec leur dynamique, n'attendaient que cela pour s'exprimer pleinement.

Principal inconvénient: quand on a écouté cet ensemble, il est difficile de revenir à son ancien équipement. Autre inconvénient: les mauvais enregistrements sont réellement mauvais (utilisez plutôt un radio-cassette), mais rassurez-vous, les bons enregistrements vous surpendront par le petit instrument en arrière-plan que vous n'aviez jamais entendu ou par la puissance de la partie rythmique... Je réécoute tous mes disques (y compris les vynils) et je ne m'en lasse pas.

Si vous vous intéressez aussi à ce genre de montages, visitez aussi impérativement le site de Pass Laboratories: les articles valent le coup d'être lus entièrement et sont d'une bien meilleure qualité que ce que j'ai pu écrire ici. Vous pouvez aussi contacter Nelson PASS (en anglais, SVP): il répond sans problème à toute question pas trop saugrenue...

IMPORTANT: ne me posez pas de questions techniques, je ne suis qu'un amateur. Les lignes ci-dessus décrivent mon expérience aussi précisément que possible et je ne pourrai rien vous apporter de plus. La référence absolue dans ce projet est Nelson PASS.

 

 

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