Brevet FR2589649A1 — publié le 19870507

La présente invention se rapporte à un disposi- tif destiné à augmenter la puissance de sortie d'un am- plificateur alimenté en basse tension, par exemple, du type dont l'installation est prévue à bord de véhicules, en particulier, d'automobiles. La tension continue d'ali- mentation de service pour les appareils de ce genre est prise sur l'accumulateur et elle est généralement de 14,4 V. Ainsi qu'il est connu, pour obtenir de plus grandes puissances, on dispose de deux voies: soit abaisser l'impédance de la charge, dans le cas considé- ré, l'impédance du haut-parleur, soit relever ce qu'on appelle la dynamique du signal sur la charge, c'est-à- dire élever la tension appliquée à la charge. La technique connue a proposé des solutions aus- si bien dans le domaine de la première voie que dans le domaine de la deuxième, mais avec des inconvénients non négligeables. Par exemple, il a été proposé d'utiliser des hauts-parleurs possédant une impédance inférieure aux valeurs standards qui, ainsi qu'il est connu, sont de 4 ou de 8 ohms. Bien qu'elle soit la plus évidente, cette solution implique l'utilisation de haut -parleurs non normalisés et elle entraîne par conséquent, les in- convénients liés à l'approvisionnement et au coût de ces composants. I1 a également été proposé d'abaisser l'impédan- ce, vue de l'amplificateur final, en effectuant l'accou- plement de ce dernier à la charge par l'intermédiaire d'un transformateur élévateur. Cette solution comporte malheureusement l'inconvénient d'exiger des transforma- teurs de puissance travaillant à des fréquences audio. Dans le domaine de l'autre voie, c'est-à-dire celle qui consiste à élever la dynamique du signal sur la charge, la technique connue a proposé des montages dits en "pont", dans lesquels deux amplificateurs, qui ont sur leurs sorties respectives des signaux de même amplitude mais opposés en phase, sont connectés à la charge, ou des montages dits à "convertisseur-élévateur", dans les- quels la charge est alimentée par un circuit composé d'un convertisseur de tension continue/alternative et d'un transformateur élévateur. Toutefois, ces deux solutions comportent de gra- ves inconvénients. Dans le premier cas, on obtient une puissance de sortie qui est limitée par la dynamique maximale des deux amplificateurs qui, si l'on suppose la saturation nulle, vaut au maximum deux fois la tension d'alimentation. Dans le deuxième cas, du fait de la présence d'un convertisseur de tension continue/alternative, il est nécessaire de prévoir des blindages importants pour éviter les problèmes du rayonnement sur les bandes ra- dio. Le problème qui est à la base de la présente in- vention consiste à réaliser un dispositif destiné à aug- menter la puissance de sortie d'un amplificateur alimen- té en basse tension, en particulier, d'un dispositif du type des récepteurs de radio-diffusion montés à bord des automobiles, c'est-à-dire du type auto-radio, qui permet- te d'utiliser des composants standards, en particulier en ce qui concerne l'impédance du haut-parleur, sans tom- ber dans les inconvénients que l'on trouve dans les solu- tions techniques connues, et qui ont été indiqués et com- mentés précédemment. Ce problème est résolu, selon l'invention, avec un dispositif qui comprend au moins un amplificateur fi- nal possédant une entrée à laquelle parvient le signal audio à amplifier et une sortie connectée à un haut-par- leur, caractérisé en ce que la tension d'alimentation du- dit amplificateur est dérivée d'un noeud de circuit o, en l'absence de signal audio à amplifier au moyen dudit amplificateur, la tension n'est pas supérieure à la ten- sion continue de service de l'appareil tandis que, en 3 2589649 présence d'un signal audio à l'entrée, cette tension est égale à la somme de la tension continue présente audit point en l'absence de signal audio à l'entrée et d'une tension variable superposée, qui est proportionnelle au signal audio d'entrée. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion qui va suivre, de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels, la figure 1 représente le circuit fondamental du dispositif selon l'invention, dans une première forme de réalisation; la figure 2 représente schématiquement la varia- tion des tensions en fonction du temps, en certains points du circuit de la figure précédente et, en particu- lier, la variation de la dynamique maximale appliquée au haut-parleur; la figure 3 représente une variante du schéma de la figure 1; la figure 4 représente la variation des ten- sions, de la même façon que sur la figure 2 mais dans le cas du schéma de la figure 3; les figures 5 et 6 montrent des montages en pont sur le hautparleur, qui utilisent les schémas des figures 1 et 3; la figure 7 représente le circuit du dispositif selon l'invention selon une deuxième forme de réalisa- tion; la figure 8 représente schématiquement la varia- tion des tensions, de la même façon que sur la figure 2 mais dans le cas de la figure 7; la figure 9 représente une variante du schéma de la figure 7; la figure 10 représente la variation des ten- sions de la même façon que sur la figure 2 mais dans le cas du schéma de la figure 9; -4 2589649 les figures 11 et 12 représentent des montages en pont sur le hautparleur qui utilisent les schémas des figures 7 et 9; la figure 13 représente le circuit du disposi- tif selon l'invention dans une troisième forme de réali- sation; la figure 14 représente la variation des ten- sions de la même façon que sur la figure 2 mais dans le cas du schéma de la figure 13; la figure 15 représente une variante du schéma de la figure 13; la figure 16 représente la variation des ten- sions de la même façon que sur la figure 2 mais dans le cas du schéma de la figure 15; les figures 17 et 18 représentent des montages en pont sur le haut-parleur, qui utilisent les schémas des figures 13 et 15; la figure 19 montre une autre variante du sché- ma de la figure 13; la figure 20 montre un exemple de réalisation d'un circuit à seuil analogique qui peut être utilisé anses schémas des figures 13, 15, 17, 18 et 19. Sur la figure 1, qui représente schématiquement le circuit fondamental du dispositif selon l'invention, on a indiqué en A2 l'amplificateur final, en particulier du type alimenté à basse tension, par exemple, par un ac- cumulateur d'automobile à 14,4 V. La sortie U2 de l'am- plificateur A2 est connectée au haut-parleur RL à tra- vers le condensateur Cl. Le signal audio parvient à l'en- trée E2 de l'amplificateur A2 à travers la ligne 1 con- nectée à la borne d'entrée IN. L'amplificateur A2 est alimenté à travers la ligne 2 et la connexion de masse 3. La ligne 2 est connectée au noeud de circuit B qui est connecté à la source de tension continue VS de servi- ce de l'appareil, avec interposition d'un élément unidi- rectionnel D, plus précisément d"une diode. Le circuit comprend un autre amplificateur Ai dont l'entrée El est connectée à l'entrée IN du signal audio. La sortie U1 de l'amplificateur A1 est connectée au point nodal B par la ligne de liaison 4, avec interpo- sition d'un condensateur C. L'amplificateur Al est con- necté, pour son alimentation, à la borne de la source de tension continue VS de service de l'appareil, par la ligne 5, et à la masse 3. Sur la figure 2, on a indiqué les variations des tensions présentes en certains points significatifs du circuit de la figure 1 en fonction du temps et à des instants qui font suite à l'entrée d'un signal audio à la borne IN. En particulier, le diagramme montre la varia- tion de la dynamique maximale qui est appliquée au haut- parleur RL. Les variations des tensions représentées sur la figure 2 représentent un cas dans lequel le gain de l'am- plificateur A2 est égal à deux fois le gain de l'amplifi- cateur A1 et les polarisations en continu des sorties des amplificateurs sont égales à VS/2 pour l'amplifica- teur Ai et à VS pour l'amplificateur A2. Pour évaluer les tensions représentées sur la figure 2 et également celles qui sont illustrées par les diagrammes qui seront décrits dans la suite de la description, on n'a pas pris en considération les satura- tions des amplificateurs ni la chute de tension sur la diode D. Ainsi qu'on peut le voir, dans l'intervalle de temps de TO à Tl, en l'absence de signal audio à l'en- trée, on a un régime stable dans lequel VA est égale à VS/2, VC égale à VS et VB polarisée par la diode D à la valeur de VS. Le condensateur C est chargé à une tension continue égale à VS/2. A partir de l'instant T1 et ensuite, la présen- ce simultanée d'un signal audio à l'entrée des amplifica- teurs A1 et A2, engendre à la sortie la dynamique maxima- le appliquée à la charge RL. A l'instant T2, on remarque que la tension au point A s'élève au niveau positif égal à VS tandis que la tension VB du noeud B est la somme de la tension VA plus la tension présente aux bornes du condensateur C. Au total, cette tension est donc égale à VS + VS/2. Etant donné que le noeud B est connecté à l'alimentation de l'amplificateur à travers la ligne 2, cette tension représente la tension d'alimentation de l'amplificateur A2 à l'instant considéré. Sous l'effet de la différence de gain entre les deux amplificateurs, la tension VC de- vrait atteindre un pic positif, par rapport à sa polari- sation continue, égale à VS. Toutefois, ceci n'est pas possible puisque l'alimentation de l'amplificateur A2 vaut, ainsi qu'on l'a vu plus haut, VS + VS/2. Le pic po- sitif de la tension VC à l'instant T2 considéré et à l'arrivée de la première demi-onde du signal, reste limi- té à la valeur VS/2. A partir de l'instant T3 et jusqu'à T5, vu sur le diagramme de la figure 2, on est en présence d'une demi-onde négative à l'entrée. A l'instant T4 en particu- lier, la tension VA atteint son pic négatif maximum. A cet instant T4, le condensateur C est chargé par la dio- de D et atteint à ses bornes une tension égale à VS. De même, à ce même instant T4, la tension VC à la sortie de l'amplificateur A2 atteint le potentiel du pic négatif grâce au fait que le gain de l'amplificateur A2 est double de celui de Al. Le pic négatif de la ten- sion VC à la sortie de l'amplificateur A2 vaut donc VS. Tout ceci signifie que, à la première demi-onde du signal audio d'entrée, le dispositif répond avec une dynamique maximale sur la charge RL qui est donnée par la somme des deux pics de VC, c'est-à-dire égal à VS/2 + VS. Après l'instant T4, pour un signal constant à l'en- trée des amplificateurs, la chute de tension sur le con- densateur C se maintient à une valeur égale à VS. 7 2589649 Il en résulte que la tension d'alimentation de l'amplificateur A2, dérivée du point nodal D, est la ten- sion continue VS, à laquelle est superposé un signal si- nusoidal d'une amplitude maximale égale à VS et possé- dant une phase identique à celle du signal de sortie de l'amplificateur A2. En conséquence, pour un signal continu à l'en- trée, après la demi-onde, on obtient sur la charge RL une dynamique maximale VCppmaxi = 2 VS. En se reportant à la figure 3, on observe que le schéma reorésenté sur cette figure prévoit que la sor- tie de l'amplificateur A1 pilote une double structure à diode capacité DB, CB et DD, CD, une pour l'alimentation positive et l'autre pour l'alimentation négative de l'am- plificateur A2. La polarisation continue des sorties des ampli- ficateurs Al et A2 est égale à VS/2. Le fonctionnement du dispositif dans le circuit de la figure 3 est tout à fait analogue à celui du cir- cuit de la figure 1. La variation des tensions aux points fondamen- taux du circuit et la variation de la dynamique maximale appliquée à la charge RL (haut-parleur) sont illustrées par la figure 4 avec des modalités qui correspondent à celles utilisées pour la figure 2. Si l'on suppose que le gain de l'amplificateur A2 est égal à trois fois celui de l'amplificateur Ai, on voit que le dispositif répond à la première sinusoide d'entrée du signal avec une dynamique maximale VCppmaxi = VS + VS + VS/2 = 2VS + VS/2. En régime d'entrée continue du signal, le dispo- sitif réagit avec une dynamique VCppmaxi = VS + VS/2 + VS + VS/2 = 3VS. En se reportant maintenant à la figure 3, on re- marque que le circuit représenté est un montage en pont sur le haut-parleur RL de deux circuits selon la réalisa- tion représentée sur la figure 3. Conformément à la disposition de circuit de la figure 5, et en laissant inchangé tout ce qui a été dé- crit précédemment, à propos des circuits de la figure 1 et de la figure 3, il est possible d'obtenir une dynami- que maximale sur la charge RL, dans des conditions de ré- gime continu, égale à: VCppmaxi = 6VS Sur la figure 6, on a représenté un montage en pont sur le haut-parleur RL de deux circuits selon le schéma de la figure 1. Avec cette disposition de cir- cuit, il est possible d'obtenir des dynamiques maximales sur la charge RL, en régime continu, égales à: VCppmaxi = 4VS En se reportant maintenant à la figure 7, on ob- serve que le circuit déjà décrit à propos de la figure 1 présente la variante consistant en ce qu'il comprend une résistance R entre le point nodal B et la diode D. Si toutes les autres conditions qui ont déjà dé- crites à propos du circuit de la figure 1 restent inchan- gées, et si l'on pose que la valeur de la résistance R est égale à RL/2, les polarisations en continu des sor- ties des amplificateurs sont égales à VS/2 pour l'ampli- ficateur Al et à 3/4VS pour A2. Sur la figure 8, on a reporté, en fonction du temps, la variation des tensions que l'on observe aux points fondamentaux du circuit de la figure 7 et la va- riation de la dynamique maximale appliquée à la charge ou au haut-parleur RL. En observant le diagramme de la figure 8, on re- marque que la tension d'alimentation de l'amplificateur A2, VB, est la tension continue VS à laquelle est super- posé un signal sinusoidal d'une amplitude maximale égale à VS/2, avec une phase identique à celle du signal de sortie de l'amplificateur A2. On peut donc conclure qu'en présence d'un signal audio à l'entrée, on obtient sur la charge RL une dynamique maximale VCpp = 3/2VS. Avec le schéma de la figure 7, on obtient l'avantage d'éliminer la distorsion du signal sur la première demi-onde d'entrée, même si cet avantage est pé- nalisé par une plus faible dynamique maximale du signal de sortie appliquée à la charge RL relativement aux va- leurs des dynamiques maximales que l'on peut obtenir avec les circuits des figures 1 et 3 décrites précédem- ment. En se reportant à la figure 9, on observe que le circuit représenté sur cette figure correspond essen- tiellement au circuit de la figure 3, dans lequel on a ajouté respectivement les résistances RB et RD dans la branche d'alimentation positive et dans la branche d'ali- mentation négative. La variation des tensions et de la dynamique maximale qu'on peut obtenir avec le circuit de la figure 9, est représentée sur le diagramme de la figure 10, avec les modalités utilisées pour les schémas des figu- res précédentes. Sur ce diagramme, on remarque que le dispositif répond avec une dynamique maximale sur la charge RL égale à: VCppmaxi = VS + VS/2 + VS/2 = 2VS En se reportant aux figures 11 et 12, on remar- que deux montages de circuits selon les figures 7 et 9 en pont sur la charge RL. Les dynamiques maximales qui peuvent être obte- nues sur la charge RL avec le montage de la figure 11 peuvent atteindre 3VS. Avec le montage de la figure 12, il est au contraire possible d'obtenir des dynamiques maximales de 4VS en régime continu. Sur la figure 13, qui illustre une forme de réa- lisation modifiée de l'invention, on a indiqué par S un circuit à seuil analogique qui ne laisse passer que les signaux d'entrée qui excèdent le niveau d'une tension +VR prédéterminée constituant une tension de référence. 2589649 Ces signaux sont envoyés à l'entrée de l'amplificateur AI, lequel est connecté à l'amplificateur A2 de la même façon que dans le schéma de la figure 1 et avec les mê- mes composants de circuit que dans ce schéma. A l'entrée de l'amplificateur A2, on applique au contraire entièrement le signal audio appliqué à l'en- trée du circuit à seuil S. L'amplificateur A2 est ainsi polarisé de telle manière que, en l'absence de signaux à l'entrée, la sortie VC se trouve à la tension VS qui cor- respond également à la tension VB du point de connexion B. Sur la figure 14, on a indiqué les variations des tensions des points fondamentaux du circuit et de la dynamique maximale qu'on peut obtenir sur la charge RL, avec des symboles et des modalités qui correspondent à ceux qui ont déjà été utilisés dans les schémas et dia- grammes des figures précédentes. Il convient de remarquer que la variation des tensions- a été illustrée à propos d'un seul cycle de si- nusoide du signal audio d'entrée. On peut observer que, en régime stable la ten- sion VC est égale à VS. Sur la figure 15, on a représenté un dispositif de circuit basé sur la forme de réalisation de la figure 13 qui est en mesure de porter l'oscillation théorique maximale de la tension de sortie de l'amplificateur à trois fois la tension d'alimentation VS. Le dispositif est constitué par un premier cir- cuit à seuil analogique SP qui laisse passer les signaux d'entrée ayant une amplitude supérieure à la tension de référence +VR. La sortie de ce premier circuit à seuil est connectée à l'amplificateur Ala, dont la sortie est envoyée pour piloter l'alimentation positive de l'ampli- ficateur A2. Le dispositif comprend en outre un deuxième cir- cuit à seuil analogique SN, qui laisse passer les si- il 2589649 gnaux d'entrée ayant une amplitude inférieure à -VR. La sortie du circuit à seuil SN est connectée à un amplifi- cateur Alb, dont la sortie pilote l'alimentation négati- ve de l'amplificateur A2, ainsi qu'on peut le voir sur la figure 15. La sortie de l'amplificateur A2 est connec- tée à la charge RL avec interposition des capacités CI, comme dans les schémas des figures précédentes. Dans l'hypothèse de la figure 16, et si l'on dé- signe par G le gain des amplificateurs, la tension de seuil des circuits SP et SN sera égale à +VS/2G pour l'un et -VS/2G pour l'autre. Le fonctionnement du disoositif correspondant au circuit de la figure 15 est intuitif en soi et analo- gue à celui des circuits des figures précédentes. La va- riation en fonction du temps des tensions apparaissant aux points fondamentaux nodaux du circuit de la figure est représentée par le diagramme de la figure 16. Sur ce diagramme, on observe que, dans l'intervalle de temps allant de TO à T1, on a la situation suivante: VA = O, VB = VS, VC = VS/2, VD = VS et VE = O Dans l'intervalle de temps de T1 à T2, on est en présence d'un signal d'entrée d'une amplitude infé- rieure à VS/2G. Pendant cette même période, les tensions * VA et VD restent à leurs niveaux de repos. Dans l'intervalle de temps entre T2 et T4, le circuit à seuil analogique SP commence à laisser passer les signaux d'entrée, en fournissant à l'entrée de l'am- plificateur Ala un signal égal à: VIN - VS/2G A la sortie de l'amplificateur Ala, on trouve donc une tension VA = VIN. G - VS/2. Si l'on suDpose que la tension VIN. G atteint la valeur VS + VS/2, la tension VA atteindra la valeur VS et, étant donné que le condensateur CA est chargé à la tension VS, la tension du noeud B, VB, atteindra la valeur 2VS. De la même façon, pendant la demi-onde négative du signal, au moyen du circuit piloté par SN, on aura au point nodal E la tension VE égale à la valeur -VS. En conséquence, la dynamique totale de la ten- sion à la sortie de l'amplificateur A2 aura la valeur +2VS - (-VS) = 3VS. La tension maximale présente aux bornes de l'am- olificateur 2 n'est jamais supérieure à la valeur de 2VS. En se reportant aux figures 17 et 18, on remar- que des montages du type en pont sur la charge RL. Ces montages permettent d'obtenir respectivement des oscilla- tions théoriques de la tension de sortie de l'amplifica- teur A2 égale à 4VS (figure 17) et à 6VS (figure 18). En se reportant au schéma de la figure 19, on observe que le signal d'entrée pour le circuit à seuil analogique S peut être constitué par le signai de sortie de l'amplificateur A2. Dans ce cas, la tension de seuil VR est théoriquement égale à la tension VS. Un exemple pratique d'un circuit à seuil analo- gique est représente sur la figure 20 avec des éléments et symboles classiques en soi et intuitifs, qui ne deman- dent pas de description particulière. Selon l'invention, on peut donc obtenir dans les appareils amplificateurs à basse tension un rende- ment maximum théorique supérieur à celui qui peut être obtenu avec l'utilisation d'amplificateurs normaux de la classe B comportant un convertisseur DC/DC. En outre, la variation des signaux sur les sorties et sur l'alimenta- tion des amplificateurs est toujours en régime linéaire, ce qui élimine les problèmes de rayonnement dans la ban- de radio. Il est en outre à remarquer que la tension maximum d'isolement des condensateurs qui alimentent le stade audio final est égale à la tension VS. Bien entendu, diverses modification pourront être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non li- mitatif sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N D ICATION S 1 - Dispositif destiné à augmenter la puissance de sortie d'un amplificateur alimenté en basse tension, en particulier d'un amplificateur d'auto-radio, compre- nant au moins un amplificateur final (A2) possédant une entrée à laquelle parvient le signal audio à amplifier, et une sortie connectée à un haut-parleur (RL) caractéri- sé en ce que la tension d'alimentation (DB) dudit ampli- ficateur est dérivée d'un noeud de circuit (B) o, en l'absence de signal audio à amplifier au moyen dudit am- plificateur, la tension n'est pas supérieure à la ten- sion continue (VS) de service de l'appareil tandis que, en présence d'un signal audio à l'entrée, cette tension est égale à la somme de la tension continue présente au- dit point (B) en l'absence de signal audio à l'entrée et d'une tension variable superposée, qui est proportionnel- le au signal audio d'entrée. 2 - Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ladite tension variable superposée à la tension continue qui est présente en l'absence de signal audio à l'entrée est constituée par une partie amplifiée du signal audio d'entrée. 3 - Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite tension variable superposée est en phase avec le signal audio à la sortie dudit am- plificateur final (A2). 4 - Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un autre ampli- ficateur (Al) alimenté à la tension continue (VS) de ser- vice de l'appareil et qui possède une entrée à laquelle est appliqué le signal audio également appliqué à l'en- trée dudit amplificateur final (A2) et une sortie connec- tée, avec interposition d'un élément capacitif (C), audit noeud de circuit (B) d'o est dérivée l'alimenta- tion de l'amplificateur final (A2), un élément unidirec- tionnel (D) étant prévu entre ledit noeud de circuit (B) et la source de tension continue (VS) de service de l'ap- pareil. - Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé en ce que le gain de l'amplificateur final (A2) relié à la charge du haut-parleur est supérieur au gain de l'amplificateur (Al) alimenté à la tension continue (VS) de service de l'appareil. 6 - Dispositif selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit à seuil analogique (S) connecté à l'entrée dudit amplifica- teur (Al) alimenté à la tension continue (VS) de servi- ce, ledit circuit à seuil (S) étant agencé pour ne lais- ser entrer dans l'amplificateur (Al) que la partie du si- gnal audio qui a une amplitude supérieure à une tension de seuil prédéterminée (VR) dont la valeur absolue est inférieure à la valeur absolue de la tension continue (VS) de service. 7 - Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le gain de l'amplificateur final (A2) connecté au hautparleur (RL) est égal ou inférieur au gain de l'amplificateur (A1) alimenté à la tension conti- nue (VS) de service de l'appareil. 8 - Dispositif selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une résistance (R) est intercalée entre ledit élément unidirectionnel (D) et ledit noeud de circuit (B).