Brevet FR2477339A1 — publié le 19810904

La présente invention concerne un amplificateur de puissance, utilisable dans des étages d'amplification pour signaux musicaux et vocaux. On connait un amplificateur de puissance se composant d'un pré-amplificateur symétrique à deux temps avec des transistors complémentaires du type n-p-n et du type p-n-p, fonctionnant selon un montage d'émetteur commun avec des résistances d'émetteur de couplage de réaction, et de deux amplificateurs de puissance d'étage terminal à deux temps, symétriquesz de classe B + C, constitués d'éléments appelés, sous certaines conditions, élément supérieur et élément inférieur. L'élément supérieur comporte des transistors combinés, dont chacun est équivalent à un transistor p-n-p du point de vue de la conductibilité électrique, et l'élément inférieur est constitué de transistors n-p-n équivalents. Par rapport à leur électrode de sortie, les transistors de chaque élément sont montés en série et dans le sens du passage de leur courant de sortie.L'émetteur équivalent du premier transistor double combiné de l'element supérieur, fonctionnant en service B (amplificateur B de l'élément supérieur) est relié, par une résistance de faible valeur, au pôle positif de la source d'alimentation, qui de son côté présente une sortie intermédiaire reliée à la masse. Le collecteur équivalent de cé même transistor est accouplé à l'émetteur équivalent du second transistor triple (combiné) du même élément, fonctionnant en service C (amplificateur C de l'élément supérieur), et le collecteur de ce dernier est relié, au moyen de deux condensateurs identiques montés en série, de grande capacité, au collecteur équivalent du transistor correspondant de l'élément inférieur, fonctionnant en service C (amplificateur C de l'élément inférieur). L'émetteur de ce dernier transistor triple, en service C, est mis en service B par le collecteur et l'émetteur d'un transistor double combiné du type n-p-n, et est relié par une résistance de faible valeur au pôle négatif de la source d'alimentation. Les collecteurs des transistors équivalents, fonctionnant en service B, des deux éléments sont reliés l'un à l'autre par deux diodes de puissance identique montées en série, dont le sens de passage correspond aux courants de collecteur des transistors de classe B. Le point milieu des diodesest relié au point central des condensateurs de grande capacité et, par l'intermédiaire de ces derniers et au moyen d'une résistance de couplage de réaction, au point central des résistances d'émetteur du pré-amplificateur.Ce point est relié de son côté à la masse par des résistances et un condensateur montés en série. Le collecteur équivalent du transistor combiné de l'élément supérieur, fonctionnant en service C, est relié, par un enroulement primaire du transformateur d'étage terminal symétrique, au pôle négatif de la source d'alimentation, tandis que le collecteur du transistor de classe C de l'élément inférieur est relié, de la même façon, au pôle positif de la source d'alimentation. La base équivalente de chacun des transistors doubles, fonctionnant en service B au moyen d'une résistance et d'une diode dans le sens de passage du courant, est reliée au collecteur correspondant des transistors du pré-amplificateur, et la base équivalente de chacun des transistors triples combinés de classe C, est reliée, par une diode de sécurité, au collecteur correspondant des transistors du pré-amplificateur. En outre, les bases de chacun des transistors doubles combinés de classe B sont mutuellement reliées par des transistors de sécurité au pôle correspondant de la source d'alimentation, les bases des transistors de sécurité correspondants étant, reliées par une résistance, aux émetteurs des transistors doubles combinés fonctionnant en service B. L'amplificateur de puissance décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante : à l'arrivée d'un signal à l'entrée de l'amplificateur, l'élément supérieur ou l'élément inférieur, suivant la polarité de chacun, est bloqué. Dans le cas d'un signal dont le niveau diintensité atteint jusqu'à 50 % environ de la valeur maximale, seuls les transistors doubles combinés fonctionnant en service B sont excités. En cas d'augmentation du niveau d'intensité du signal au-delà de la valeur citée, les transistors triples combinés sont également bloqués, la puissance de la charge augmentant jusqu'à sa valeur maximale.Comme les courants de collecteur de tous les transistors augmentent de 0 àunmaximum non admissible quelconque dans l'élément bloqué correspondant, avec 1' augmentation de la valeur instantane du signal, les transistors d'amplification sont mis hors service en cas de court-circuit à la sortie de l'amplificateur et en cas d'absence de transistors de sécurité (un montage particulier avec transistors, résistances, diodes, etc.). En cas de charge inductive et en cas d'arrivée d'un fort signal de basse fréquence à l'entrée de l'amplificateur (avec un niveau d'intensité supérieur à la normale) des phénomènes transitoires se produisent dans l'étage terminal,et la forme de la caractéristique dynamique est elliptique, ce qui fait quson pénètre dans une zone interdite pour le fonctionnement et que les transistors sont endommagés. Les inconvénients de l'amplificateur de puissance décrit ci-dessus sont les suivants Il faut utiliser des montages de sécurité particuliers pour les transistors combinés d'étage terminal en cas de court-circuit à la sortie et en cas de charge inductive ; l'étage terminal de l'amplificateur fonctionne avec des distorsions de non-linéarité augmentées, car il est commandé par des transistors montés suivant un circuit à émetteur commun ; les transistors fonctionnent dans le préamplificateur avec une tension collecteur-émetteur relativement élevée, ce qui provoque un échauffement même avec de faibles courants de repos, le point de fonctionnement est instable et le courant de collecteur de ces transistors, ainsi que le courant des transistors de l'étage terminal, augmente sans limitation avec instabilité de température. Cela conduit à utiliser des éléments et des circuits supplémentaires en vue de la coppensation de température. Pour la commande d'une unité d'amplification terminale fonctionnant en service B + C aux hautes puissances, les deux éléments de l'amplificateur de classe C doivent présenter un coefficient d'amplification plus élevé que les deux éléments correspondants de l'amplificateur de classe B. Cela doit impliquer que l'amplificateur de classe C doit comporter un plus grand nombre de transistors que l'amplificateur de classe B, ce qui par suite conduit à un montage compliqué et coilteux. L'objectif de l'invention est de procurer un amplificateur de puissance simple, protégé contre les courtscircuits à la sortie de l'unité d'amplification terminale en cas de charge inductive, et avec des distorsions de nonlinéarité moindres. Cet objectif est atteint par un amplificateur de puissance composé d'un pré-amplificateur symétrique à deux temps avec des transistors complémentaires du type n-p-n et du type p-n-p, fonctionnant suivant un montage émetteur commun avec des résistances d'émetteurde couplage de réaction, et d'une unité d'amplification de puissance à deux temps, de classe B + C, l'unité susmentionnée étant constituée de deux éléments symétriques, à savoir un élément supérieur comprenant des transistors combinés, équivalant à des transistors de type p-n-p en ce qui concerne la conductibilité électrique, et un élément inférieur, qui comprend des transistors combinés, équivalant à des transistors du type n-p-n du point de vue de la conductibilité électrique.Les transistors combinés de chacun des éléments sont montés en série et dans le sens de passage de leurs courants de sortie par rapport à leurs électrodes de sortie. L'émetteur équivalent du premier transistor combiné, fonctionnant en service B, de l'élément supérieur, est reliérpar une résistance de faible valeur,au pôle positif de la source d'alimentation, qui de son côté présente un raccordement intermédiaire relié à la masse. Le collecteur équivalent de ce dernier transistor est relié à l'émetteur équivalent du second transistor double combiné, fonctionnant en service C, du même élément, dont le collecteur équivalent est relié, par deux condensateurs identiques montés en série, de grande capacité, au collecteur équivalent du transistor double combiné, fonctionnant en service C, de l'élément inférieur. L'émetteur équivalent de ce même transistor est relié au collecteur équivalent de l'autre transistor double combiné, fonctionnant en service B, de l'élément inférieur, dont l'émetteur équivalent est relié par une résistance de faible valeur au pôle négatif de la source d'alimentation. Les collecteurs des transistors équivalents fonctionnant en service B des deux éléments sont reliés l'un à l'autre par deux diodes de puissance identiques, montées en série, dans le sens du passage des courants de collecteur des transistors équivalents, qui fonctionnent en service B, le point central des diodes étant relié au point central des condensateurs de grande capacité, qui de son côté est relié par une résistance de couplage de réaction au point intermédiaire des résistances d'émetteur du pré-amplificateur. Ce point est relié à la masse par une résistance et un condensateur montés en série. Le collecteur équivalent du transistor combiné, fonctionnant en service C, de l'élément supérieur, est relié à la borne d'arrivée de l'un des deux enroulements primaires orientés dans le même sens du transformateur d'étage terminal et, par l'intermédiaire de celui-ci, au pôle négatif de la source d'alimentation. Le collecteur équivalent du transistor combiné, fonctionnant en service C, de l'élément inférieur, est relié au pôle positif de la source d'alimentation, par la borne d'arrivée de l'autre enroulement primaire du transformateur d'étage terminal.Entre la sortie du pré-amplificateur symétrique à deux temps et les entrées de l'unité d'amplification de puissance à deux temps de classe B + C, un amplificateur intermédiaire symétrique à deux temps est monté, qui comporte un transistor n-p-n pour l'élément supérieur et un transistor p-n-p pour l'élément inférieur. La base du transistor n-p-n est reliée au collecteur du transistor n-p-n du pré-amplificateur, et son collecteur est relié au pôle positif de la source d'alimentation. L'emetteur de ce même transistor de l'amplificateur intermédiaire est relié à l'émetteur du transistor p-n-p de l'élément inférieur de l'amplificateur intermédiaire par le montage en série d'une première diode de faible puissance, d'une première résistance, d'une deuxième résistance, d'une troisième résistance et d'une deuxième diode de faible puissance.La base de ce même transistor est reliée au collecteur du transistor p-n-p au pré7amplificateur, et son collecteur est relié directement au pôle négatif de la source d'alimentation, les émetteurs des deux transistors de l'amplificateur intermédiaire pour l'élément supérieur et l'élément inférieur étant également reliés aux bases équivalentes des transistors combinés, fonctionnant en service B, de l'unité d'amplification d'étage terminal qui leur correspondent. Le point situé entre la première et la deuxième résistances dudit montage en série est relié par une diode de sécurité à la base équivalente du transistor combiné, fonctionnant en service C, de l'élément supérieur.Le point commun de la deuxième résistance et de la troisième résistance faisant partie dudit montage en série est relié par une diode de sécurité à la base équivalente du transistor combiné, fonctionnant en service C, de l'élément inférieur de l'unité d'amplification d'étage terminal. Les avantages de l'amplificateur de puissance selon l'invention sont les suivants Montage simplifié de l'amplificateur ; meilleure protection contre un court-circuit et contre les phénomènes transitoires en cas de charge inductive ; moindres distorsions de non-linéarité ; fonctionnement de l'amplificateur résistant mieux à la température et plus stable. On va mieux expliquer l'invention à l'aide d'une forme de réalisation représentée sur le dessin annexé. L'amplificateur de puissance se compose d'un préamplificateur symétrique à deux temps (I) avec des transistors complémentaires du type n-p-n (1) et du type p-n-p (2), fonctionnant en montage d'émetteur commun avec des résistances d'émetteur de couplage de réaction (3) et (4), et d'une unité d'amplification terminale de puissance à deux temps, de classe B + C (II) constituée de deux éléments symétriques, appelés dans certaines conditions élément supérieur, comportant des transistors combinés 5 et 7, qui sont équivalents à des transistors du type p-n-p en ce qui concerne leur conductibilité électrique, et élément inférieur, comportant des transistors combinés 6 et 8, qui sont équivalents à des transistors du type n-p-n du point de vue de leur conductibilité électrique. Les transistors combinés de chacun des deux éléments sont montés en série et dans le sens de passage de leur courant de sortie par rapport à leurs électrodes de sortie, l'émetteur équivalent du premier transistor combiné (5) de l'élément supérieur, fonctionnant en service B, étant relié, au moyen d'un résistance de faible valeur, au pôle positif de la source d'alimentation, qui présente un raccordement intermédiaire relié à la masse. Le collecteur équivalent de ce même transistor (5) est relié à l'émetteur équivalent du second transistor double combiné (7), dans le même élément et fonctionnant en service C, dont le collecteur équivalent est relié, par deux condensateurs identiques montés en série (9) et (10), de grande capacité, au collecteur équivalent du transistor combiné (8) de l'élément inférieur, fonctionnant en service C.L'émetteur équivalent de ce même transistor (8) est de son côté relié au collecteur équivalent de l'autre transistor combiné (6) de l'élément inférieur, fonctionnant en service B, dont l'émetteur équivalent est relié,par une résistance de faible valeur, au pôle négatif de la source d'alimentation, les collecteurs des transistors équivalents (5) et (6) des deux éléments, fonctionnant en service B, étant reliés l'un à l'autre par deux diodes de puissance identiques, montées en série (11) et (12), dans le sens de passage des courants de collecteur des transistors équivalents fonctionnant en service B.Le point central des diodes (11) et (12) est relié au point central des condensateurs de grande capacité respectifs (9) et (10), ce dernier étant relié de son côté par une résistance de couplage de réaction (11) au point intermédiaire des résistances d'émetteur (3) et (4) du préamplificateur I, qui est relié à la masse par une résistance (14) et un condensateur (15) montés en série. Le collecteur équivalent du transistor combiné (7) de l'élément supérieur, fonctionnant en service C, est relié à la borne d'arrivée de l'un des deux enroulements primaires identiques orientés dans le même sens du transformateur (16) d'étage terminal ou de sortie, et, par l'intermédiaire de ce dernier, au pôle négatif de la source d'alimentation, tandis que le collecteur équivalent du transistor combiné (8), fonctionnant en service C, de l'élément inférieur, est relié par la borne d'arrivée du second enroulement primaire du transformateur (16) d'étage de sortie au pôle positif de la source d'alimentation.Entre la sortie du pré-amplificateur symétrique à deux temps I et les entrées de l'unité d'amplification terminale de puissance à deux temps, de classe B + C (II), il est monté un amplificateur intermédiaire symétrique à deux temps (III), qui comporte un transistor n-p-n (17) pour l'élément supérieur et un transistor p-n-p (18) pour l'élément inférieur. La base du transistor n-p-n (17) est reliée au collecteur du transistor n-p-n (1) du pré-amplificateur I, et son collecteur est relié au pôle positif de la source d'alimentation.L'émetteur du même transistor (17) de l'amplificateur intermédiaire III est relié à l'émetteur du transistor p-n-p (18) de l'élément inférieur de l'amplificateur intermédiaire III par un montage en série se composant d'une diode de faible puissance (19), d'une résistance (20), d'une deuxième résistance (21), d'une troisième résistance (22) et d'une deuxième diode de faible puissance (23). La base du transistor (18) est reliée au collecteur du transistor p-n-p (2) du préamplificateur I, et son collecteur est relié directement au pôle négatif de la source d'alimentation.Les émetteurs des deux transistors (17) et (18) de l'amplificateur intermédiaire III pour l'elément superieur et l'élément inférieur sont également reliés aux bases équivalentes des transistors combinés correspondants (5) et (6), fonctionnant en seryice B, de l'unité d'amplification d'étage terminal II, le point situé entre la première résistance (20) et la deuxième résistance (21) dudit montage en série étant relié par une diode de sécurité (24) à la base équivalente du transistor combiné (7), fonctionnant en service C, de l'élément supérieur, et le point situé entre la deuxième résistance (21) et la troisième résistance (22) dudit montage en série étant rélié par une diode de sécurité (25) à la base équivalente du transistor combiné (8), fonctionnant en service C, de l'élément inférieur de l'unité d'amplification terminale II. Le fonctionnement de 11 amplificateur de puissance est base sur le montage particulier, décrit ci-dessus, des éléments, et se caractérise par les particularités suivantes A l'état de repos, un courant initial de collecteur minimal passe dans les transistors (1) et (2) du préamplificateur I, ainsi que dans les transistors doubles combinés (5) et (6) de l'amplificateur de classe B de l'unité d'amplification II, si bien que ces éléments se trouvent dans un état proche de l'état bloqué. Le montage doit alors être calculé à l'avance de telle sorte qù'un courant proche du maximum passe dans les transistors (17) et (18), c'est-à-dire que ces derniers doivent se trouver dans un état de fonctionnement proche de la saturation. A l'arrivée d'un signal à l'entrée du préamplificateur I, l'élément supérieur (transistor 1) ou l'élément inférieur (transistor 2) du pré-amplificateur I, suivant leur polarité, se bloque. . Le blocage de l'un de ces deux transistors a pour effet une diminution ou un abaissement du courant de collecteur du transistor (17) ou (18) de l'amplificateur intermédiaire III qui est relié au collecteur de ce transistorl ou 2. Cela provoque à son tour un blocage du transistor de classe B de l'élément correspondant de l'unité de sortie Il, ainsi qu'un blocage total des transistors de classe B de l'élément opposé.Par conséquent, une commande inversée de l'unité d'amplification de sortie II est provoquée par les transistors (17) et (18) de l'amplificateur intermédiaire III, c'est-à-dire que ces transistors, en se bloquant/dbloquent l'élément correspondant de l'unité. -La somme des résistances des éléments montés en série (19, 20, 21, 22 et 23) entre les deux émetteurs doit être choisie de telle sorte que, pour un signal d'entrée maximal, le transistor de 1'amplificateur intermédiaire qui commande à ce moment-là se bloque. Si cette condition préalable est remplie, l'amplificateur intermédiaire III ne remplit plus seulement une fonction d'amplification, mais aussi une fonction de protection par limitation de courant, à effet rapide, de l'unité d'amplification terminale.L'unité d'amplification terminale II est donc protégée vis-à-vis d'une surcharge en cas de court-circuit de courte durée (jusqu'à quelques minutes) dans la charge, ainsi que vis-à-vis d'une augmentation du signal d'entrée au-delà du niveau d'intensité maximal admissible. Parmi les nombreuses possibilités d'application, mentionnons un montage plus simple et meilleur marché, car la nécessité d'une incorporation de circuits particuliers de sécurité dans l'amplificateur disparaît. D'autre part, du fait que les transistors de l'amplificateur intermédiaire III sont montés suivant un montage collecteur commun, un fonctionnement avec des distorsions de non-linéarité minimales de l'étage terminal II est rendu possible. Cette constatation vaut également pour une unité d'amplification terminale II réalisée sous la forme d'un amplificateur unique de classe B selon un montage émetteur commun, et elle présente un intéret particulier lorsque l'unité d'amplification terminale II fonctionne en service B + C suivant un montage émetteur commun. Dans ce cas encore, la nécessité d'une augmentation du nombre des transistors utilisés dans les deux éléments de l'amplificateur de classe C, par rapport aux deux éléments de l'amplificateur de classe B, disparaît. Comme, en cas de fonctionnement avec l'augmentation de la température, les transistors de l'amplificateur intermédiairesedebloquent et leur tension collecteur-émetteur chute, cela entraîne une chute partielle du courant de repos de l'unité d'amplification, c'est-à-dire qu'il se produit dans le montage une compensation en température singulière sans utilisation d'éléments ou de circuits particuliers dépendant de la température. Dans le cas d'une charge inductive et dans le cas de l'arrivée, à l'entrée de l'amplificateur, d'une tension de basse fréquence avec un niveau d'intensité plus élevé que la valeur admissible maximale, la forme du signal qui atteint l'étage terminal est rectangulaire. Les conditions préalables d'une rupture dans les transistors de puissance existent alors. Mais comme à la fin de l'impulsion rectangulaire le transistor à commande de réaction de l'élément correspondant de l'amplificateur intermédiaire Ilîsedébloque, et prend donc une petite résistance dynamique, la jonction base-émetteur du transistor équivalent correspondant de l'unité d'amplification II est shuntée. La progression de la charge de courant électrique se trouve accélérée lors de cette transition, ce qui fait que,dans ce cas également,les conditions préalables d'une rupture dans le transistor de sortie sont supprimées. REVENDICATION Amplificateur de puissance, composé d'un préamplificateur symétrique à deux temps avec des transistors complémentaires du type n-p-n et du type p-n-p, fonctionnant suivant un montage émetteur commun avec des résistances d'émetteur de couplage de réaction, et d'une unité d'amplification de puissance à deux temps, de classe B + C, constituée de deux éléments symétriques, appelés dans certaines conditions élément supérieur qui contient des transistors combinés qui sont équivalents à des transistors du type p-n-p du point de vue de leur conductibilité électrique, et élément inférieur qui contient des transistors combinés qui sont équivalents à des transistors du type n-p-n du point de vue de leur conductibilité électrique, les transistors combinés de chaque élément étant montés en série et dans le sens du passage de leur courant de sortie par rapport à leur électrode de sortie, tandis que l'émetteur équivalent du premier transistor combiné de l'élément supérieur, fonctionnant en service B, est relié par une résistance de faible valeur au pôle positif de la source d'alimentation, qui de son côté présente un raccordement intermédiaire relié à la masse, et que le collecteur équivalent du même transistor est relié à l'émetteur équivalent du second transistor combiné, fonctionnant en service C, du même élément, dont le collecteur équivalent est relié, par deux condensateurs identiques et montés en série, de grande capacité, au collecteur équivalent du transistor combiné, fonctionnant en service C, de l'élément inférieur, et l'émetteur équivalent du même transistor étant relié à l'autre transistor combiné, fonctionnant en service B, de l'élément inférieur, dont l'émetteur équivalent est relié par une résistance de faible valeur au pôle négatif de la source d'alimentation, les collecteurs des transistors équivalents des deux éléments, fonctionnant en service B, étant reliés l'un à l'autre par deux diodes de puissance identiques et montées en série, dans le sens du passage des courants de collecteur des transistors équivalents fonctionnant en service B, tandis que le point central des diodes est relié au point central des condensateurs de grande capacité, qui de son côte est relié au point intermédiaire des résistances d'émetteur du pré-amplificateur par une résistance de couplage de réaction, et à la masse par une résistance et un condensateur montés en série, le collecteur équivalent des transistors combinés, fonctionnant en service C, de l'élément supérieur étant relié à la borne d'arrivée de l'un des deux enroulements primaires identiques et redressés du transformateur terminal, dont l'extrémité est reliée au pôle négatif de la source d'alimentation, tandis que le collecteur équivalent du transistor combiné, fonctionnant en service C, de l'élément inférieur est relié à la borne d'arrivée du second enroulement primaire du transformateur terminal, dont l'extrémité est reliée au pôle positif de la source d'alimentation, caractérisé en ce que, entre la sortie du préamplificateur symétrique à deux temps (I) et les entrées de l'unité de puissance à deux temps, de classe B + C (II), est monté un amplificateur intermédiaire symétrique à deux temps (III), qui comprend un transistor n-p-n (17) pour l'élément supérieur et un transistor p-n-p (18) pour l'élément inférieur, la base du transistor n-p-n (17) étant reliée au collecteur du transistor n-p-n (1) du pré-amplificateur, et son collecteur étant relié au pôle positif de la source d'alimentation, tandis que l'émetteur du même transistor (17) de l'amplificateur intermédiaire est relié, par un montage en série, composee d'une diode de faible puissance (19), d'une résistance (20), d'une deuxième résistance (21), d'une troisième résistance (22) et d'une deuxième diode de faible puissance (23), à l'émetteur du transistor p-n-p (18) de l'élément inférieur de l'amplificateur intermédiaire (III), dont la base est reliée au collecteur du transistor p-n-p (2) du pré-amplificateur (1), et dont le collecteur est relié directement au pôle négatif de la source d'alimentation, les émetteurs des deux transistors (17) et (18) de l'amplificateur intermédiaire (III) pour l'élément supérieur et pour l'élément inférieur étant reliés à la base équivalente des transistors combinés (5) et (6) de l'unité d'amplification terminale (II), fonctionnant en service B, qui leur correspondent, tandis que le point situé entre la première résistance (20) et la deuxième résistance (21) de l'amplificateur intermédiaire (III) est relié par une diode de sécurité (24) à la base équivalente du transistor combiné (7), fonctionnant en service C, de l'élément supérieur, et que le point situé entre la deuxième résistance (21) et la troisième résistance (22) de l'amplificateur intermédiaire (III) est relié par une deuxième diode de sécurité (25) à la base équivalente du transistor combiné (8), fonctionnant en service C, de l'élément inférieur de l'unité d'amplification terminale (II).