Brevet FR2440647A1 — publié le 19800530

La présente invention concerne un amplificateur complémentaire destiné à accroître la puissance de sortie d'un récepteur auto-radio ou d'un lecteur de cassettes auquel il est connecté en lieu et place du haut-parleur habituel. De tels amplificateurs complémentaires, appelés "BOOSTER" en langue anglaise, doivent délivrer une puissance de sortie importante, de l'ordre de quelques-dizaines de watts, sous la tension relativement faible de la batterie de bord du véhicule ceci impose un mode de fonctionnement en classe B de l'étage final avec une excursion de tension aux bornes de la charge de sortie sensiblement proche de la valeur de la tension d'alimentation fournie par la batterie. Le montage dit "en pont" répond à ces exigences ; il comporte deux paires de transistors de puissance de types complémentaires entre lesquels est directement branchée la bobine mobile du haut-parleur, donc sans point de masse. Dans ces conditions un court-circuit accidentel aux bornes de sorties de l'amplificateur en régime de modulation, ou d'une de ces deux bornes avec la masse, entraine une surintensité qui provoque la destruction d'un ou plusieurs transistors de l'étage final. L'étage final peut également être endommagé si l'impédance du haut-parleur branché aux bornes de sortie de l'amplificateur est plus faible que celle initialement prévue. La protection contre les surtensions au moyen de fusibles est inefficace en raison de la constante de temps thermique de ceux-cï. Un autre moyen de protection consiste à équiper l'amplificateur d'un circuit électronique limiteur d'intensité, mais dans ce cas particulier, la limitation d'un courant permanent de courtcircuit à la valeur maximale de courant de crête de modulation entrain également, après un certain laps de temps, la destruction des transistors de sortie. Un moyen efficace de protection consiste à équiper l'amplificateur d'un circuit électronique qui coupe l'alimentation dès qu'un niveau dangereux de surintensité est atteint. Le brevet français nO 2 064 180 décrit un tel circuit appliqué à des amplificateurs haute fidélité alimentés depuis le secteur par deux tensions de polarités opposées. L'adaptation d'un tel montage à un amplificateur complémentaire se heurterait à des difficultés pratiquement insurmontables; en effet, il est prévu de couper le courant total d'alimentation, ce qui conduirait à mettre en oeuvre un transistor interrupteur coûteux et dont le circuit de commande consommerait par lui-même un courant important ; en outre, la tension de déchet d'un tel interrupteur, pour faible qu'elle soit, réduirait d'autant la tension effectivement appliquée à l'étage final, et partant la puissance de sortie maximale du montage. I1 est par ailleurs souhaitable que l'installation-d'un amplificateur complémentaire soit la plus simple possible, en particulier sans qu'il soit nécessaire de prévoir un interrupteur séparé sur son conducteur d'alimentation ; à cette intention, on peut munir l'amplificateur complémentaire d'un circuit électronique qui entraine automatiquement la coupure du conducteur de l'alimentation lorsque la modulation à audio-fréquence appliquée aux bornes d'entrées vient à disparaitre pendant un- laps de temps de l'ordre d'une minute par exemple ; de tels circuits sont connus et mis en oeuvre sur des enceintes acoustiques à haute fidélité à amplificateurs incorporés, dites "enceintes asservies" ; de la sorte, les enceintes ne sont activées qu'en présence d'une modulation ce qui permet de les laisser branchées en permanence sur le secteur sans que l'usager ait à se préoccuper de manoeuvrer un interrupteur. Un des buts de la présente invention est de réaliser un amplificateur complémentaire dont l'étage de sortie est auto-protégé contre toute surcharge résultant d'un court-circuit au niveau des bornes de sortie, ou encore du branchement d'une impédance de charge trop faible. Un autre but de l'invention est de faire en sorte que le fonctionnement normal de l'amplificateur soit automatiquement rétabli sans aucune manoeuvre dès que la cause de la surcharge a disparu. Un autre but de l'invention est de réaliser un amplificateur complémentaire dont la consommation d'énergie à l'état de "veille", c'est-à-dire en l'absence de modulation appliquée aux bornes d'entrées, soit négligeable vis-a-vis de la capacité d'une batterie de bord d'un véhicule automobile. L'invention est basée sur la considération que les transistors de l'étage de sortie d'un amplificateur de puissance peuvent être rendus "inertes" sans interrompre directement la tension qui leur est appliquée entre émetteurs et collecteurs. Selon l'invention, l'amplificateur complémentaire pour équipement de sonorisation d'un véhicule automobile tel que récepteur auto-radio ou lecteur de cassette, ledit amplificateur comprenant entre autres, un étage de sortie comportant au moins deux paires de transistors de types complémentaires entre lesquels est directement branchée la bobine mobile d'un haut-parleur,et un ensemble de pré-amplification de signal et de polarisation des transistors de sortie disposé en amont dudit étage de sortie, est notamment remarquable en ce qu'il comporte des moyens combinés de coupure du conducteur d'alimentation de l'ensemble de pré-amplification et de polarisation précité, moyes sensibles tout à la fois à l'absence de tension de modulation sur les bornes d'entrée de l'amplificateur et à la présence d'une surintensité anormale circulant dans le conducteur d'alimentation de l'étage de sortie. Avantageusement les moyens combinés de coupure sont munis de dispositifs de temporisation, respectivement à l'ouverture côté modulation et à la fermeture côté surintensité. L'amplificateur complémentaire selon l'invention est parfaitement protégé contre toutes les causes de destruction de ses transistors de sortie ; à cet effet, une résistance de faible valeur disposée dans le conducteur d'alimentation de ces derniers développe une chute de tension qui au-delà d'un seuil déterminé agit sur un interrupteur électronique. Quelle que soit la durée de la surintensité, la coupure est maintenue pendant quelques secondes et se répète quasi-instantanément si la cause de la surintensité n'a pas disparu. Le fait d'effectuer seulement la coupure au niveau des étages de pré-amplification et de polarisation autorise l'emploi de com posant de faible puissance consommant très peu d'énergie. Enfin la combinaison de la coupure automatique par surintensité avec la coupure par manque de modulation permet de brancher l'amplificateur complémentaire sur l & batterie de bord du véhicule sans prévoir d'interrupteur séparé, la consommation d'énergie en état "non excité" étant alors négligeable par rapport à la capacité de la batterie. La description qui va suivre, en regard des schémas annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente le schéma partiellement synoptique de l'amplificateur complémentaire selon l'invention couplé à un récepteur auto-radio. La figure 2 représente le schéma de principe du circuit combiné de coupure par manque de modulation ou présence d'une surintensité équipant l'amplificateur complémentaire selon l'invention. Sur la figure 1, l'amplificateur complémentaire 1 selon l'in- vention représenté à l'intérieur d'un cadre en trait interrompu comporte une borne de raccordement 2 à une tension positive d'alimentation, une borne d'entrée 3 de tension de modulation, deux bornes de sorties 4 et 5, et une borne commune 6. La borne 2 est raccordée au pôle positif d'une batterie 7 alimentant un récepteur auto-radio 8, une des sorties "hautparleur" de ce dernier étant reliée à la borne 3 d'entrée de modulation. Les bornes 4 et 5 sont raccordées à un haut-parleur 9, tandis que la borne 6 est reliée à une masse 10 commune au pôle négatif de la batterie 7 et à l'autre sortie "haut-parleur" du récepteur auto-radio 8. L'amplificateur 1 comporte un ensemble 11 de pré-amplification et de polarisation à l'intérieur duquel un certain nombre de composants sont représentés connectés par des traits interrompus, ceci dans un but de simplification. En effet, le circuit représenté ainsi ne concerne que l'aspect polarisation en continu à l'exclusion de celui d'amplification des ignaux à audio-fréquence. L'ensemble 11 comporte une borne 12 d'alimentation reliée par un interrupteur électronique 13 à la borne positive 2, et une borne commune 14 reliée à la masse 10 ; entre les bornes 12 et 14 est disposé un pont de résistances 15 et 16 dont le point commun est couplé par deux résistances 17 et 18 aux premières entrées des deux amplificateurs différentiels 19 et 20 dont les sorties sont respectivement couplées à deux paires de bornes 21, 22 et 23,24. Les deux autres entrées des amplificateurs différentiels 19 et 20 sont couplées par deux résistances 25 et 26 à deux bornes 27 et 28, tandis qu'une borne 29 est reliée à la borne 3 d'entrée de modulation. L'étage de sortie de l'amplificateur complémentaire 1 comporte deux paires de transistors 30,31 et 32,33 de polarités complémenta ires. Les collecteurs réunis des transistors 30 et 32, de type NPN, sont reliés par une résistance 34 de faible valeur à la borne positive 2, tandis que les collecteurs réunis des transistors 31 et 33, de type PNP, sont raccordés à la masse 10. Les émetteurs réunis des transistors 30,31 et les émetteurs réunis des transistors 32,33 sont respectivement reliés aux bornes 4 et 5 de sortie de l'amplificateur 1 et aux bornes 27 et 28 de l'ensemble 11, tandis que par ailleurs les bases des transistors précités sont réunies respectivement aux bornes 21,22 et 23,24 dudit ensemble. La borne d'entrée3 de modulation est reliée à l'entrée de commande de l'interrupteur électronique 13 par une chaine comportant un amplificateur 35, un circuit redresseur et intégrateur 36, et une porte "ET" 37 à deux entrées, dont une complémentée. Les deux entrées d'un circuit comparateur à seuil 38 sont branchées aux bornes de la résistance 34, la sortie dudit circuit étant couplée par une bascule monostable 39 à l'entrée complémentée de la porte "ET" 37. Si le récepteur auto-radio 8 n'est pas en service, l'entrée de commande de l'interrupteur 13 n'est pas excitée, car l'absence de modulation à la borne 3 entraine un niveau n o n en sortie du circuit redresseur intégrateur 36 reliée à l'entrée directe de la porte "ET" ; dans ces conditions, l'interrupteur 13 est ouvert ce qui coupe l'alimentation de l'ensemble pré-amplificateur 11. En fonctionnement normal, c'est-à-dire l'interrupteur fermé, les tensions de polarisation de repos de bases et d'émetteurs des transistors 30, 31, 32 et 33 sont déterminées par la valeur du pont de résistances 15 et 16, en l'occurrence la demi-tension de batterie si ces résistancessont de valeurs égales ; en effet, les amplificateurs différentiels 19 et 20 imposent aux émetteurs et bases de s'aligner sur la tension du pont, aux VBE près bien entendu ; par conséquent, la coupure de l'interrupteur 13 amène à zéro les tensions de bases et d'émetteurs. En dépit du fait que la tension de batterie est toujours appliquée via la résistance 34 entre les collecteurs des transistors 30,32 et les collecteurs des transistors 31,33, un court circuit accidentel de l'une des bornes 4 ou 5 du haut-parleur 9 avec la masse 10 ne peut donc avoir de conséquences fâcheuses. Lorsque le récepteur auto-radio 8 est mis en service, la tension de modulation appliquee à la borne 3 et amplifiée par l'amplificateur 35 est redressée et intégrée par le circuit 36, ce qui entraîne un niveau "1" sur l'entrée directe de la porte "ET" 37 ; le niveau de sortie du monostable 39 étant à "0", l'entrée de la porte 37 est à "1" et cette dernière s'ouvre, entraînant la fermeture de l'interrupteur 13. La constante de temps du circuit 36 est choisie très élevée, de l'ordre d'une minute, de façon à éviter qu'une pause prolongée de la modulation n'entraîne l'ouverture de l'interrupteur 13. En l'absence des dispositions qui seront décrites ultérieurement, les transistors de sortie de l'amplificateur ne sont pas protégés lorsque l'interrupteur 13 est fermé ; en effet, en présence de modulation, le court-circuit accidentel des bornes 4 et 5 entraine un emballement thermique de ceux-ci ; même en l'absence d'un court-circuit, une modulation sur une charge trop faible peut avoir le même effet. Par ailleurs, un court-circuit accidentel d'une des bornes 4 ou 5 avec la masse entraîne la destruction des transistors 30 ou 32, ceci même en l'absence de modulation, ce qui peut se produire durant la minute pendant laquelle le circuit 36 maintent fermé l'interrupteur 13 par l'intermédiaire de la porte 37. La protection contre les différentes causes de destruction précitées est assurée à partir de la chute de tension développée aux bornes de la résistance 34 disposée en série dans le conducteur positif d'alimentation des quatre transistors de puissance à partir d'une tension déterminée correspondant à un seuil da gereux de courant, le circuit comparateur 38 fournit une impulsion qui excite la bascule monostable 39, ce qui maintient un niveau "0" pendant environ trois secondes à l'entrée complémentée de la porte "ET" 37, fermant ainsi cette dernière, ce qui ouvre l'interrupteur 13. Le retour à &commat;&commat;o n en sortie de la bascule 39 et à "1" à l'en- trée complémentée de la porte 37 entraine l'ouverture de cette dernière'et par conséquent la fermeture de l'interrupteur 13, et le fonctionnement normal reprend si la cause de la surintensité dans la résistance 34 a disparu. Dans le cas contraire, la bascule 39 est de nouveau immédiatement excitée et le processus se renouvelle jusqu'à disparition de la surintensité ; en tout état de cause la durée du réenclenchement fugitif est trop brève pour mettre les transistors en danger. Sur la figure 2, dont les références sont communes avec celles de la figure 1, le circuit combiné de coupure par manque de modulation ou présence d'une surintensité comporte un transistor amplificateur 40, de type NPN, dont les collecteur et émetteur sont reliés respectivement à la borne positive 2 et à la borne négative 6 par deux résistances 41 et 42. La base du transistor 40 est raccordée à la borne 3 d'entrée de modulation par une résistance 43 en série avec un condensateur électrochimique 44. Une résistance 45 est par ailleurs disposée entre collecteur et base du transistor 40 tandis qu'une diode 46 est branchée entre ladite base et le conducteur négatif, anode côté masse. Un second transistor amplificateur 47, de type NPN, dont la base est couplée par un condensateur 48 au collecteur du transistor 40 a son collecteur relié au conducteur positif par une résistance 49, tandis que son émetteur est directement réuni au conducteur négatif. La base eu transistor 47 est par ailleurs reliée, d'une part au conducteur positif par une résistance 50, et d'autre part au conducteur négatif par une diode 51, anode côté masse. L'anode d'une diode redresseuse 52 est connectée au collecteur du transistor 47, la cathode de ladite diode étant par ailleurs couplée par une résistance 53 à la base d'un transistor interrupteur 54, de type NPN, tandis qu'un condensateur électrochimique 55 est disposé entre la cathode de la diode 52 et le conducteur négatif ; par ailleurs, une résistance 56 est dispo suée'entre la base du transistor 54 et le conducteur négatif. L'émetteur du transistor 54 est directement relié au conducteur négatif, tandis que le collecteur est couplé par une résistance 57 à la base d'un transistor interrupteur 58, de type PNP, dont l'émetteur est relié à la borne positive 2, tandis que l'é- metteur est raccordé à la borne 12 d'alimentation de l'ensemble 11 (fig. 1). Les émetteurs de deux transistors interrupteurs 59 et 60, de type PNP, sont directement réunis au conducteur positif, tandis que les collecteurs sont reliés par un pont de résistances 61 et 62 au conducteur négatif. La base d'un autre transistor interrupteur 63, de type NPN, est reliée au point commun des résistances 61 et 62, tandis que le collecteur et l'émetteur sont raccordés respectivement, l'un à la base du transistor 54 et l'autre au conducteur négatif. La base du transitor 59 est reliée, d'une part au conducteur positif par une résistance 64, et d'autre part au collecteur du transistor 58 par une résistance 65 en série avec un condensateur électrochimique 66, une diode 67 étant par ailleurs disposée entre le point commun de ces deux composants et le conducteur positif, cathode côté positif. La base du transistor 60 est connectée psr une résistance 68 à l'extrémité de la résistance de faible valeur 34 reliée aux collecteurs réunis des transistors 30 et 32 (fig. 1), tandis que deux condensateurs de stabilisation 69 et 70 sont disposés entre le conducteur positif et respectivement les collecteurs réunis des transistors 59, 60, et la base du transistor 60. Dans le schéma de la figure 2, les fonctions de l'amplificateur 35 de la figure 1 sont remplis par les transistors 40 et 47, tandis que le circuit redresseur-intégrateur 36 est constitué par la diode 52 et le condensateur 55. L'interrupteur électronique 13 de la figure 1 est constitué par le transistor 58 et la porte "ET" 37 par les transistors 54 et 63, l'entrée directe étant la base du premier et l'entrée complémentée la base du second. Enfin, le comparateur 38 est constitué par le transistor 60 et le monostable 39 par le transistor 59 en liaison avec le réseau RC 65,66. En l'absence de modulation appliquée à la borne 3, le transistor 40 est polarisé de telle façon que sa tension collecteur soit sensiblement égale à la moitié de la valeur de la tension d'alimentation ; de son côté, le transistor 47 est saturé, ce qui bloque la diode 52. Dans ces conditions, le condensateur 55 étant déchargé, aucune tension n'est appliquée à la base du transistor 54, ce qui entraîne son blocage et celui du transistor 58 ; le potentiel de la borne 12 d'alimentation de l'ensemble 11 (fig. 1) tombe alors à un niveau voisin de celui de la masse. En présence d'une modulation appliquée à la borne 3, l'ampli- fiction à grand gain du signal par le transistor 40 fait que le transistor 47 est débloqué sur les alternances négatives dudit signal, ce qui permet à la diode 52 de charger le condensateur 55 pendant ces périodes de déblocage, la diode 51 servant à évi- ter de dépasser la tension -VBE MAX. En fait, plutôt qu'une fonction de redressement, la diode 52 a plutôt une fonction de "porte", le résultat final étant strictement le même, à savoir la charge du condensateur 55 en présence d'une modulation. Dès que la tension de charge du condensateur 55 atteint un certain niveau, les transistors 54 et 58 sont portés à saturation ce qui amène la borne 12 au potentiel de la borne 2, à la tension de déchet près. En cas d'arrêt de la modulation appliquée à la borne 3, la constante de temps de décharge du condensateur 55 à travers les résistances 53 et 56 est choisie de façon à ce que le transistor 54 se bloque de nouveau environ une minute après le blocage de la diode 52. En fonctionnement normal, la chûte de tension aux bornes de la résistance 34 de faible valeur dfle au passage du courant d'alimentation des transistors de sortie de l'amplificateur est trop faible pour amener le transistor 60 en conduction et ce dernier est bloqué, ainsi que le transistor 63 ; de son côté, le transistor 59 est également bloqué puisque sa base est au potentiel de l'émetteur. En cas d'accroissement anormal, même fugitif, du courant parcourant la résistance 34, la tension appliquée entre base et émetteur du transistor 60 est suffisante pour porter ce dernier à saturation, ce qui entraîne ipso-facto la saturation du transistor 63 ; dans ces conditions, le transistor 54 se bloque, ce qui entraîne également le blocage du transistor 58 qui coupe l'alimen- tation de l'ensemble 11 (fig. 1). La cause de la mise en saturation du transistor 60 ayant disparu, celui-ci se bloque, mais le transistor 63 reste conducteur, car le transistor 59 est porté à saturation en raison de la modification de sa polarisation de base. consécutive à la charge du condensateur 66 à travers les résistances 64 et 65 ; après un laps de temps d'environ trois secondes, le transistor 59 se bloque de nouveau, le transistor 63 également, et la borne 12 remonte au potentiel de la borne 2 ; si la surintensité dans la résistance 34 persiste, le processus précité se reproduit immédiatement et ne cesse que lorsque la cause de ladite surintensité a disparu. La diode 67 a pour rôle de décharger rapidement le condensateur 66 après la remontée de tension à la borne 12 de façon justement à permettre sans retard la répétition éventuelle du processus. Les condensateurs 69 et 70, de faible valeur, ont pour rôle d'éviter la naissance d'oscillations parasites. Le circuit de la figure 2 est prévu pour coopérer avec un amplificateur de puissance monophonique. De façon non représentée il est facile de le modifier pour l'utilisation d'un amplificateur stéréophonique ; il suffit dans ce cas de mettre en oeuvre un second transistor tel que 60 dont les émetteur et collecteur sont en paralèlle avec le premier, la base étant commandée à partir d'une seconde résistance telle que 34 disposée dans l'alimentation des transistors de la seconde voie. Dans ces conditions, la borne 12 est commune aux deux ensembles de préamplification et de polarisation de chaque voie. - REVENDICATIONS 1.- plificateur complémentaire pour équipement de sonorisation d'un véhicule automobile, tel que récepteur auto-radio ou lecteur de cassette, ledit amplificateur comprenant entre autres un étage de sortie comportant au moins deux paires de transistors de types complémentaires entre lesquels est directement branchée la bobine mobile du haut-parleur, et un ensemble de pré-amplification du signal et de polarisation des transistors de sortie disposé en amont dudit étage de sortie, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens combinés de coupure (13,37) du conducteur d'alimentation de l'ensemble de pré-amplification et de polarisation précité, moyens sensibles tout à la fois à l'absence de tension de modulation sur les bornes d'entrée de l'amplificateur, et à la présence d'une surintensité anormale circulant dans le conducteur d'alimentation de l'étage de sortie. 2.- Amplificateur complémentaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens combinés de coupure sont munis de dispositifs de temporisation respectivement à la commande d'ouverture côté modulation (36) et à la commande de fermeture côté surintensté (39). 3.- Amplificateur complémentaire selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens combinés de coupure sont actionnés à partir d'une tension recueillie aux extrémités d'une résistance de faible valeur (34) disposée en série dans l'un des conducteurs d'alimentation des transistors de sortie de l'amplicateur. 4.- Amplificateur camplémentaire selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de temporisation à la commande d'ouverture des moyens combinés de coupure est constitué par un circuit redresseur-intégrateur (36) précédé par un amplificateur (35). 5.- Amplificateur complémentaire selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de temporisation à la commande de fermeture des moyens combinés de coupure est constitué par une bascule monostable (39). 6.- Amplificateur complémentaire selon l'ensemble des revendications 1 à 3, et la revendication 5, caractérisé en ce que la bascule monostable est précédée d'un circuit comparateur (38) disposé aux bornes de la résistance de faible valeur (34). 7.- Amplificateur complémentaire selon l'ensemble des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de coupure (37) sont constitués par une porte "ET" à deux entrées, l'une directe et l'autre complémentée comprenant deux transistors de même type de conduction (54-63). 8.- Amplificateur complémentaire selon l'ensemble des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de coupure (13) sont constitués par un transistor (58) de type de conductibilité opposé à celui des transistors constituant la porte "ET", la base dudit transistor étant directement couplée à l'électrode du transistor (54) constituant la sortie de la porte ET, et le trajet émetteur-collecteur étant disposé en série dans le conducteur d'alimentation de l'ensemble de pré-amplification et de polarisation (11).