Révision du 19/01/2010
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Révision du 19/01/2010
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Révision du 19/01/2010
Chapitre 1 Généralités
- IntroductionCe nom veut dire « Leste » . Son sens est celui de la légèreté, de la liberté d'action.A son origine, Zippy I est une enceinte 2 voies asservies, pourvue d'un HP coaxial Beyma le 12KX. Elle étaitorientée vers la sono et les amplis instrumentaux.Les résultats obtenus avec la Zippy I a mené à l'étude et la réalisation de Zippy II . Elle est orientée vers lemonitoring de studio et la HI FI. Le HP utilisé est le B&C 12CX32. Elle a été réalisée par quelques amateurs dont Sylla, une jeune femme très dynamique auquel il n'aura pas falludeux mois pour concrétiser son projet. Zippy BB est en définitive la sœur quasi jumelle de Zippy II et utilises le B&C12CX32. Son schéma à étépartiellement refondu, afin de s'adapter au mieux aux exigences et choix de chacun des diyeurs La nécessité de reproduire l'extrémité basse du spectre audio, a amené à la doter d'un boomer. Suite à un débat sur HCFR, mon choix s'est porté sur le Dayton RSS390HF-4.
Remarque: Ce tutoriel est axé sur Zippy. Toutefois les éléments développés sont adaptable à tout type de HPélectrodynamiques. Une feuille de calculs, et des schémas de simulation sont disponibles à cet effet.
- Zippy_BB est constituéede trois ensembles dont chacun comprend:- Un haut parleur, - Une enceinte ( sauf le tweeter), - d'un amplificateur, et - de son , ou de ses réseaux d'asservissement en pression via un accéléromètre, et ,ou , (MFB pour Motionnal Feed Back en hommage à Philips sonpromoteur) en vitesse par un dérivé du pont de Voigt. (CFB pour Cinétic Feed Back pour dissocier les deuxprocédés) Ces éléments constituent un ensemble indissociable.
Ils sont précédés d'un étage de séparation et d'aiguillage de la modulation vers l'entrée des modules pré cités
Le tout étant alimenté - par une alimentation basse tension +/-15v 30VA (sécurité oblige) des circuits de traitementset - d'une ,deux ou trois alimentations de puissance +/- 20v à +/- 100v des étages de sortie des amplificateurs
-Les HP, caractéristiques nécessaires à la réalisationIls ne sont pas nombreux. Il est nécessaire de connaître - Re, la résistance purement électrique du HP,- Le son inductance - Sd la surface radiante du HP- Xmax son excursion maximale, et- Pmax la puissance RMS maximale qu'est capable de supporter le HP. Cette valeur est celle à ne pas dépasser.Ce n'est pas forcément celle de l'ampli (PAmp) nécessaire à la réalisation.− Éventuellement le facteur de force B.l1 Le Dayton RSS390HF-4. - Re = 3.3 Ohms- Le = 1mH ( valeur à peaufiner car donnée à 1kHz)- Sd =829.6 cm²- Xmax =14 mm
- Pmax = 500w RMS- B.l = 14.67
2 La partie Boomer du B&C 12CX32- Re = 5.1 Ohms- Le = 1.2mH - Sd =522 cm²- Xmax =6 mm- Pmax = 700w RMS- B.l = 15.3
3 La partie Tweeter du B&C 12CX32- Re = 6 Ohms- Le = 0.14 mH - Sd = 44 cm²- Xmax = 0.2 mm (apprécié)- Pmax = 160w RMS
- Les enceintesElles sont closes.Leur volume représente un compromis vis à vis de la puissance maximale délivrée par l'amplificateur Au nombre de deux, elles ont un volume de :- 60dm3 pour le boomer Dayton- 30 dm3 pour la partie basse du B&C. Par la suite nous verrons que la limitation de sa bande passante via lecircuit d'asservissement (CFB) autorise un volume de charge plus faible pour ce HP.Elles doivent être rigides . Pencoat les a réalisé en triple peau Médium + un équivalent au phaltex + Multiplis. Les raidisseurs internes de forme triangulaire limitent les ondes stationnaires internes à l'enceinte.
Chapitre 2
Le module d'amplification et d' asservissements
- La carte amplificatrice et de traitementElle a été conçue dans le but de permettre à chacun de l'adapter à ses besoins.Elle est pourvue:- d'un étage d'entrée symétrique de la modulation - d'un étage d 'entrée de de prétraitement du signal issue d'un accéléromètre type ACH101 (pour MFB etC&MFB)- d'un étage de conversion de la tension issue de l'étage d'entrée (pour CFB seulement) - d'un circuit sélecteur de mode d'asservissement inverseur- d'un circuit d'adaptation à la boucle positive de courant(pour CFB et C&MFB)- d'un sommateur faisant également fonction de PID, (pour CFB, MFB et C&MFB)- d'un amplificateurs ,(pour CFB, MFB et C&MFB)- d'un circuit de protection ( inutile si ampli inutilisé) du HP - d'un étage de sortie symétrique autorisant l'extension ( j'y reviendrais) ou la sortie du signal issu dusommateur . Pour une amplification externe au module. (CFB, MFB et C&MFB) Il correspond au schéma :
Il est agrandi dans l'annexe:A de ce chapitre
1 L'étage d'entrée (U1,U2:A)
Le signal d'entrée symétrique est appliqué en JIP (J Input Plus), JIM( J Input Moins) et le blindage du cablede transport du signal en JIG (J Input Ground).
-15
R410k
3
21
84
U2:A
TL072
3
26
74 1 5
U1
INA134C1
10µF
C210µFR
2
100
kR
110
0k
R310k
JPC
JPP
JPG
-15
+15
+15
C3 100pFTP1
In+
In-
Gnd
JIG
JIM
JIP
Pot 10k(Log)Facultatif
No P
ot
Vin
Vers Sélecteur MFB
Vers Convertisseur Tension/Vitesse du CFB
C6Cmr2
R5Rmr2
R6Rlb2
R1
0R
r21
R11
Rr2
2
R12Rr21
C5
Ccr
2
R7Rce2
R8Rce2
R13Rce2
C4Ckmr2
R9Rklb2
C8
Cce2
5
67U2:B
TL072
321
84
U3:
A
TL0
72
3
21
84
U4:A
TL072
5
67U3:B
TL072
-15 +15
-15
Zippy - BB
Sh:1/1
Dessin du 27/11/08
du: 10/12/09
Revision 3
De la puce à l'oreille http://www.delapucealoreille.com
Par: J-C Bodot
R410k
3
21
84
U2:A
TL072
CD
1
100n
FC
D3
100n
F
CD
2
100n
FC
D4
100n
F
+15
-15
3
26
74 1 5
U1
INA134C1
10µF
C210µFR
2
100k
R1
100k
R310k
JPC
JPP
JPG
-15
+15
+15
-15 +15
Q2
IRF
P24
0
Q4
IRF
P92
40
R4022
R4822
C28
22pF
C26 22
pF
R41
1.1k
R43
390
P3
250
Q1
TIP
31
C22100nF
R34
3.32k
C20
100nF
JHPP
R323.32k
C21
10uF
R3
333
.2k
R361.5k
3
21
84
U5:A
TL072
R30R_02A
C19
C_02
R371M
C32
1µF
R38
200k
R1710k
C24
100nF
JAP
R5
4R
_13
R50Ria1 JHPMD9
1N4148
D1
0
1N41
48
+15
R52Rte_11
-15R53
Rte_12
C30
Cte01
P1
10k
JGV
5
67 U6:B
TL072
5
67 U5:B
TL072
JHPR
JGR
R externe
12
JMP
3
CF
B r
atio
JAM
PA1+
-U
HP-
Au PCB
Gnd ou -Vs(Bridge)
R31R_O2B
C7C_01
R14R_01B
C17
22µF
Q5
IRF
P92
40R4922
R42750
R46
0.1
D310v
Q3
IRF
P24
0
R3922
R4
40.
1
R4
50.
1R
47
0.1
C18
C_O3
D110v
D5
10v
C29
Cte02
C31
Cte00
D7
10v
TP9
CFB
D6
1N4148D2
1N4148
D4
1N4148 D8
1N4148
C3 100pF
Mute_Cmd
TP13
TP10
TP4
TP2
TP1
TP3
TP8
CD
5
100n
FC
D7
100n
FC
D9
100n
FC
D1
1
100n
FC
D13
100n
F
CD
6
100n
FC
D8
100n
FC
D1
0
100n
FC
D1
2
100n
FC
D14
100n
F
In+
In-
Gnd
HP+
U1 U2 U3 U4 U6 U7 U8
R15ARcmp1
R15BRCmp2
R1
6R
cmp3
C10CmpH
5
67
U4:B
TL072
1 2
JMP1
1 2
JMP2
R18
10k
R2810k
CFB
MFB
3
21
84
U7:A
TL072
R21100k
C13
1µF
R19
180k
JACI
-15
+15
-15
R24
220k
R23
220k
R22
1k
PACC22k
JACG
JACPR20
10k
C1110uF
+15
AC
H10
1
+V
Out
Gnd
TP5
GminGmax
5
67U7:B
TL072
C14
Cmfb1
R25Rmfb1
R26Rfmb2
C15
Cmfb2
R27 10
kP
2
10k
MF
B ratio
C9CmpB
R72
220k
C33470n
9
814 U8:C
LM339
11
1013 U8:D
LM339
R6310k
R645.11k
-15
+15
-15
R5610k
R5
72.
74k
R59
100k
+15
5
42U8:B
LM339
Vd
VdR61
Rth1+15
Thermistance/radiateur
R6
8
1.5k
C34
10µF
Q6TIP122
D11
1N40
07
R6
927
0
De
fau
tSchéma
7
61
31
2
U8:A
LM339
Vd
2
D12
1N4148
R66100k
Defaut
Defaut
D13
1N4148
R6
5R
mut
e
+15
R58
2.4kVd2
Mute_Cmd
TP11
+15
0
Normal
Défaut
R62
Rthyst
1
R3
51.
5k
JLKJLA
+15
ClipLME 49810 only
Ou
t-1
SO
-2
Gn
d3
In4
V-
5
V+
6
SO
+7
Ou
t+8
U9 SSM2142
JAUXM
JAUXP
Aux Out -
Aux Out +
JAUXG
Vas
Vas
+15 -15
R51Ria2
Ria1 = 2.21k (Mono)
Ria2 = N.C (Mono)
Ria1=Ria2=22.1k si bridge
JIG
JIM
JIP
Pot 10k(Log)Facultatif
No
Po
t
Gnd
R29R_01A1 2
JMP4
1 2JMP5
Vin
Vin
12
JMP7
12JMP8
VtvExtend
AmpExterne
R67100k
JMC
JMB
Mute ou Bus Mute
Bus Mute
JMP1 JMP2 JMP3 JMP4 JMP5
CFB
MFB
C&MFB
CC C
C C
C C C
Fonctions Normales (Master)
Bias + 12
Bias -11
Mute2
Comp 6
Out -13
Out+14
OSens 8
In-5
In+4
GN
D3
-Ve
e10
+V
cc1
5
Ld1
Q7
LME49830
CD
15
100n
F
CD
16
100n
F
U9J15P
JG
J15M
( Master vers slave)
Vtv
CFB étendu
Normal
(LM49810)
TP7
TP12
TP6
JMP1 JMP2 JMP3 JMP4 JMP5
CFB
Slave ( CFB seulement)
C
22
17
161112
149
RL1
RT33L012
C23
100uF
C2747µF
C25
100uF
JAG Gnd
-15
J21V
3
21
84
U6:A
TL072
+15
R71
220k
C12
470n
C16
470n
R70220k
D14
1N41
48 D15
1N41
48
+15 -15
JTH1JTH2
CF
B
-15
CD
17
100n
F
CD
18
100n
F
Boucle de courant (CFB et C&MFB)
Boucle detension
Muting
Protections
Sommateur
Etage d'entrée
Entrée et traitement de l'accéléromètre
Convertisseur tension d'entrée/tension image de la vitesse
Extensionde bande
Sélection de mode
Protection HP et temporisation
Sortie pour: Extension
ouAmpli externe
JEXP
JEXM
JEXS
JDEF
C'est un INA134 qui dé symétrise le signal pour l'appliquer via R3 sur le curseur d'un potentiomètre de niveauau point JPC (J Pot. Curseur). Non, non , il n'y a pas d'erreur un montage de ce type, peu habituel fonctionnetrès bien. Même Nagra l'utilise.Alors que le point froid du potentiomètre est relié au point JPG (J Pot. Ground) , son point chaud est appliquéau point JPP (J Pot.Plus) relié à l'entrée inverseuse (pin 2) de U2:A qui se comporte comme un inverseur.Lorsque le curseur du potentiomètre est en bout de course coté JPP, le gain de l'étage est R4/R3 = 1 sur leschéma. Rien n'exclut une modification de ces valeurs afin de le modifier. Remarque: Si le potentiomètre de réglage de niveau n'est pas nécessaire, strappez entre JPC et JPP
2 L'étage d'entrée de l'accéléromètre et le prétraitement (U7:A et U7:B)
La borne positive de l'accéléromètre ACH101 est connecté en JACP (J Accéléromètre Plus) alimentée via R20et découplée grâce à C11 . ( condensateur polarisé, respecter la polarité) Sa référence de tension (la terre) est reliée en JACG (J Accéléromètre Ground) Sa sortie à l'entrée JACI (J Accéléromètre Input) puis à U7:A vie le filtre passe haut constitué de C13 et R21.Sa fréquence de coupure est de 1.6Hz. Son rôle est donc de bloquer toute composante continue risquant deperturber le fonctionnement du pré ampli U7:A. Le gain de ce dernier est variable grace à PACC. Les valeursont été choisies pour que les gains Gmin=1 et Gmax=24 . Sur le schéma apparaissent les position du curseur dePACC pour chacun de ces gains. Les résistances R23 et R24 assurent qu'en cas de défectuosité du contact ducurseur sur la piste de PACC, le gain soit limité à 3.L'étage suivant réalisé autour de U7:B est destiné à corriger le signal de l'accéléromètre.Il est passe haut du premier ordre (6dB/octave) via C14 et R25 dont la fréquence de coupure (à -3dB) est poursuivre les valeurs apposées sur le schéma Fphac=1/(2.Pi.Cmb1.Rmb1). Il est aussi passe bas du premier ordre parR26 et C15, dont la fréquence de coupure est Fpbac=1/(2.Pi.Cmb1.Rmb1) . Sans oublier qu'il est atténuateur ouamplificateur dans le rapport R26/R25. A noter que cet étage est fondamentalement inverseur. L'issue de cesignal sera traité avec le sélecteur de mode.
3 L'étage de conversionCet étage ne concerne que le mode CFB. Il est inutilisé dans le mode hybride (CFB + MFB soit C&MFB)31 Son rôle:Comme nous le verrons par la suite, l'étage de puissance, bouclé par son réseau de contre réaction de tension etle réseau de réaction de courant est un convertisseur tension / vitesse. Pour mieux coller à l'acoustique, il est tout à fait réaliste d'affirmer que c'est un convertisseur tension /flux devitesse .
1 2
JMP2
R2810k
MFB
3
21
84
U7:A
TL072
R21100k
C13
1µF
R19
180k
JACI
-15
+15
-15
R24
220k
R23
220k
R22
1k
PACC22k
JACG
JACP R20
10k
C1110uF
+15
AC
H10
1
+V
Out
Gnd
TP5
GminGmax
5
67U7:B
TL072
C14
Cmfb1
R25Rmfb1
R26Rfmb2
C15
Cmfb2
R27
10k
P2
10k
MF
B ratio
TP6
De l'étage d'entrée
32 Un peu de théorie (âmes insensibles, passez vite au 5)Le flux de vitesse Φv de la membrane est le produit de sa vitesse v sa surface radiante Sd, . Cela peut être traduit par la formule idéale Φv =v.Sd = KA. Ueamp/Reamp KA étant le gain de l'asservissement etUeamp la tension appliquée à l'entrée. Le rapport Ueamp/ Reamp , qui exprime un courant Ieamp, montre que leconvertisseur effectue une conversion courant -> flux de vitesse. Φv =v.Sd = KA. Ieamp et que Reamp est chargée de la conversion tension courant.
KA et Reamp sont constants. Ainsi, le flux de vitesse est, dans les limites fréquentielles du procédé, à l'image dela consigne Ueamp, et réciproquement
Ce système étant performant, il est nécessaire de placer un étage capable de réaliser la conversion entre latension d'entrée, image de la pression à reproduire et Ueamp image du flux de vitesse.La pression acoustique rayonnée Par est le produit du flux de vitesse Φv par l'impédance (complexe) derayonnement Zar du HP . De ce qui précède on peut écrire que Par= Φv.Zar =v.Sd.Zar = KA. Ueamp.Zar/Reamp
Ce qui signifie qu'il est nécessaire de faire précéder l'étage bouclé par un étage tenant compte de l'impédancede rayonnement . Si sa tension d'entrée est Ue cela implique que Ueamp.Zar/Reamp =Ue
Ce qui amène à la fonction de transfert du convertisseur. Elle est définie comme étant le rapport de sa tension de sortie ( Celle appliquée à l'entrée de l'ampli bouclé)Ueamp sur la tension appliquée à l'entrée soit Ue => Ueamp/Ue = Reamp/Zar
Toute impédance complexe peut être écrite sous la forme Z= R + j X. R est la partie réelle de l'impédance( c'est une résistance pure) et X est la partie réactive ( cause de la présence d'inductance ou de capacitance oudes deux) c'est la réactance. j=Racine de -1 est un nombre dit imaginaire dans la mesure ou cette opérationn'est pas réalisable. Donc Zar = Rar +j.Xar= Rar (1+ j.(Xar/Rar))Le transfert de l'étage devient donc Ueamp/Ue = Reamp/[Rar (1+ j.(Xar/Rar))] ce qui paraît compliquer les choses.Tout se simplifie et surtout se motive si l'on pose Reamp = Kr. Rar Tous calculs faits la fonction de transfert de l'étage est Ueamp/Ue =Kr . Rar/Zar = Kr.Rar.Yar =Kr Yar/Gar Yar est l'admittance de rayonnement et, Gar sa partie réelle représentant la conductance acoustique derayonnement
33 L'impédance de rayonnement acoustique d'un HP à membrane vibrante (théorique aussi)Dans toute sa splendeur, elle peut être représentée
Elle a une infinité de - Masses acoustiques Mar1,2,..... - Résistances acoustiques Rar1,2,3,4,.... et de
– Compliances acoustiques Car1,2,....–
Elle est pratiquement irréalisable.
M
R C
R M
R C
R
ar
arar
ar ar
ar ar
ar
Mar 3, Rar5, Car3 etc..
1
1 1
2 2
23
4
Dans la pratique, il s'avère que sa réduction à ce schéma
est suffisamment approchée pour assurer de bons résultats.Il lui correspond un réseau équivalent à son admittance
Pour l'évaluer l'impédance de rayonnement, il est plus pratique de passer par son inverse . Ce qui revient àcalculer son admittance. Inutile donc d'identifier les éléments du second schéma.En posant:− Rars = Rar1 + Rar2, la somme des deux résistances de rayonnement, et− Rar//= Rar1.Rar2/(Rar1+ Rar2) = Rar1.Rar2/Rars, la résistance équivalente aux deux résistances en parallèle.− p= j.w pour simplifier l'écriturel'admittance de rayonnement s'écrit
Yar= (1/p.Mar) + [(1+ Car.Rar2)/(Rars.(1+Car.Rar//))] = (1/Rars) .((Rars/p.Mar) + [(1+ p.Car.Rar2)/(1+p.Car.Rar//)] )
De plus la fréquence de coupure acoustique d'un HP correspond à une longueur d'onde égale à la circonférenceradiante du HP. Ce qui se traduit par Fac= c/π.Dd, dans laquelle:− c est la célérité sonore et− Dd = 2. (Sd/π)1/2 le diamètre radiant du HP. La puissance ½ revient à extraire la racine carrée du rapportSd/π . Cette extraction revient du reste à calculer le rayon Rd radiant du HP. À toute fréquence caractéristique correspond une pulsation, dans ce cas ωac=2.π.Fac , elle même inverse d'uneconstante de temps. Ainsi ττττa= 1/ ωac =1/ 2.π.Fac =Rd/cLa constante de temps acoustique du HP est donc le rapport entre son rayon radiant et la célérité sonore. Tout cela pour dégager des formules pratiques de calcul. Car il se dégage que la fonction de transfert de notreconvertisseur peut être ramené à cette constante de tempsEn tronquant quelque peu l'approche, on ,déduit des constantes de temps relatives à la seule surface radiante ouau rayon du HP − ττττMa = Mar/Rars = 0.589 ττττa
− ττττCa1 = Car.Rar2 =0.83349 ττττa
− En convenant que kar=Rar1/Ras =0,694− ττττCa2= Car.Rar// = ττττCa1.kar = 0.57844. ττττa
L'expression de l'admittance utilisant ces constantes de temps est :
Yar= (1/Rars) .((1/p.ττττMa) + [(1+ p. ττττCa1)/(1+ p.ττττCa2)] ) La fonction de transfert de cet étage, déjà définie Ueamp/Ue =Kr . Rar/Zar = Kr.Rar.Yar =Kr Yar/Gar
est donc: Ueamp/Ue= Kr .((1/p.ττττMa) + [(1+ p. ττττCa1)/(1+ p.ττττCa2)] ) en imposant que Gar=1/Rars
ce qui implique Reamp = Kr. Rars
M
R C
R
ar
arar
ar
1
1 1
2
C R
R M
Y Y
Y Y
1
2
34 L'impédance de rayonnement acoustique d'un HP à dôme Son schéma équivalent (à gauche) et le circuit correspondant à son admittance (a droite) sont:
Son admittance Yar= (1/Rar).[(Rar/p.Mar)+ (p.Car.Rar/(1+p.Car.Rar))]Comme précédemment sa fréquence de coupure acoustique implique une constante de temps ττττa=Rd/c Les deux constantes de temps de rayonnement− ττττMa = Mar/Rar = 0.5 ττττa et,− ττττCa = Car.Rar = ττττa L'admittance s'écrit Yar= (1/Rar).[(1/p.ττττMa )+ (p.ττττCa/(1+p.ττττCa)]Si Reamp = Kr. Rar <=> Kr= Reamp / Rar la fonction de transfert de l'étage convertisseur est:
Ueamp/Ue= Kr .((1/p.ττττMa) + (p. ττττCa/(1+ p.ττττCa))) 35 Retour au schéma
Tous les calculs concernant cet étage apparaissent sur la feuille de calculs type Excel U2:B , R5 et C6 remplissent la fonction d'intégrateur (1/p.ττττMa) rencontrée dans la fonction de transfert.La résistance R6 limite l'effet de l'intégrateur à une fréquence de coupure basse que vous devrez définir, dumoins rentrer sur la feuille de calculsOn peut montrer que cette limitation représente un effet passe haut du premier ordre en cascade avecl'intégrateur. Le réseau C4,R9 suivi de l'adaptateur d'impédance U3:A applique ce même effet à l'autre branchedu convertisseur. Ce qui signifie que C6.R6=C4.R9.Les réseaux R10,R11,C5,U3:B et R12 respectent la seconde partie (1+ p. ττττCa1)/(1+ p.ττττCa2) de l'impédance detransfert dans le cas d'une membrane vibrante, Pour un dôme, R11 n'est pas câblée. Seuls R10,C5,U3:B et R12 restent concernés. La sommation ( le signe + de la fonction de transfert) est confiée à R7, R13,U4:A et R8.R14,C7 ainsi que R15A,R15B,R16et C10 permettent sans exagération une extension du haut de la bande
M
R C
ar
ar ar C R
M
Y Y
Y
C6Cmr2
R5Rmr2
R6Rlb2
R1
0R
r21
R1
1R
r22
R12Rr21
C5
Ccr
2
R7Rce2
R8Rce2
R13Rce2
C4Ckmr2
R9Rklb2
C8
Cce2
5
67U2:B
TL072
321
84
U3
:A
TL0
72
3
21
84
U4:A
TL072
5
67U3:B
TL072
+15
-15
-15 +15
R1710k
C7C_01
R14R_01B
TP4
TP2
TP3
R15ARcmp1
R15BRCmp2
R1
6R
cmp3
C10CmpH
1 2
JMP1
CFB
C9CmpB
Vtv
Extensionde bande
De U2:A
reproduite par le HP. C9,R15A,R15B peuvent permettre une légère modulation de la partie basse. C8 peut permettre la limitation douce de la partie haute. Il n'est généralement pas câblé. Le convertisseur n'est pas inverseur.
4 L'étage de sélection de mode d'asservissement JMP1 strappé , permet d'exploiter les signaux traités par le convertisseur qui vient d'être décrit .Il n'est à utiliser qu'en mode CFB. Dans ce cas le signal de conversion est appliqué via R17 au sommateur géré par U4:B.La fermeture de JMP2 permet la connexion du signal issu de l'étage d'entrée de la modulation, via R28, et aucircuit de pré amplification et de pré traitement de l'accéléromètre, via R27 et P2. P2 est le potentiomètre de dosage de la boucle MFB. (Curseur coté masse à la première mise sous tension).Vis à vis du signal d'entrée le gain de cet étage inverseur est unitaire.JMP1 et JMP2 ne peuvent pas être strappés simultanément.Dans ces deux cas le jumper JMP4 est strappé.Dans le cas d'utilisation du CFB, JMP5 est utilisé sur les cartes d'extension à plusieurs HP de mêmescaractéristiques. Dans ce cas un seul convertisseur suffit. Il est placé sur une carte considérée maitresse. Chacune des cartes esclaves conservant l'asservissement en flux de vitesse, Cette extension n'est possible qu'en CFB. Cette configuration, pas simple à entrevoir sur un texte, apparaitra dans un schéma d'application. En MFB chaque HP doit posséder son accéléromètre et son amplificateur. L'élargissement à plusieurs HP,autrement qu'en asservissant chacun des HP n'est pas envisageable. Il en va de même pour le mode hybride(C&MFB),ou, chaque HP basse doit posséder les deux boucles d'asservissement. Il ne peut exister aucun tronccommun entre eux.Un tableau des connexions des modes principaux apparaît sur le schéma
C signifie que le cavalier est fermé.
5 L' amplificateur et le réseau d'asservissement Il sont indissociables vis à vis du CFB.51 Bref principe Le réseau électrique du HP peut être schématisé sous les deux formes suivantes.
R L
A
B
Is
B.l.v
ee R L
A
B
Ise e
Z em B.l.vUHPUHP
JMP1 JMP2 JMP3 JMP4 JMP5
CFB
MFB
C&MFB
CC C
C C
C C C
Fonctions Normales (Master)
JMP1 JMP2 JMP3 JMP4 JMP5
CFB
Slave ( CFB seulement)
C
Qui montrent que la force contre électromotrice (fcem) du HP est B.l.v = Zem.Is .Le courant traversant le HP , Is= UHP./Ze+Zem dans laquelle l'impédance Ze purement électrique est Ze= Re +p.Le
Comme précédemment l'opérateur p= j.ω. Ce qui induit que la fcem: B.l.v = UHP .Zem/Zem+Ze Le schéma théorique de base est le suivant:
Étoffé des éléments du HP il devient
Dans laquelle la fcem: B.l.v = Zem/(Zem + Re +R0 +p.(Le+L0))Les calculs montrent que si les conditions- Le/Re = L0/R0 et- R2/R1= Re/RO =A sont satisfaites, la vitesse du déplacement du diaphragme est v =UeAmp.A/B.l Aucun terme en ω ou f n'est présent, le système est apériodique. Ces conditions d'équilibre ne sont malheureusement pas applicables car elles correspondent à un seuild'instabilité du montage. Les approcher au mieux est réaliste et donne d'excellents résultats. L'effet de cesfaibles écarts est de limiter la bande à reproduire . Ils définissent les limites du système.
HP
AMP
R L
RRU
AB
UHP
Us
Is
UZ0
Z 0
0 0
1 2
eAmp
C
Z HP
AMP
R L
RRU
AB
Us
Is
UZ0
Z 0
0 0
1 2
eAmp
C
ZHP
RLZem ee
B.l.vUHP
52 Dans la pratique La section amplificatrice
Elle est assurée principalement par Q7, un LME 49830 de National semiconductors. Le schéma tourne autour deleurs notices d'application. L'étage de puissance est confié à deux paires de IRFP240 (Q2 et Q3) et IRFP9240(Q4 et Q5).Pour les puissances inférieures à 100w/8 Ohms, une seule paire suffit. Au delà de 200w, il sera nécessaire deprévoir une extension au circuit. Des point de raccordement à la carte d'extension (JEXTP et JEXTM) sontprésents sur le circuit.Le potentiomètre P3 dans le circuit base émetteur de Q1 permet de régler le courant de repos de l'étage depuissance. A chacun sa philosophie sur le sujet. Il apparaît qu'un courant de repos de 100mA soit le minimumenvisageable. A la mise sous tension le curseur de P3 doit se trouver sur la butée correspondant à sa brochelibre, celle opposée à la base du TIP131.
Par lui même l'étage amplificateur est inverseur. La contre réaction de tension est assurée par R33 et R32. L'étage qui le précède, qui tourne autour de U5:A dont le rôle est multiple (voir § 23) est vu commeinverseur dans ce contexte . Les résistances R29 et R30 d'égales valeurs lui assurent un gain d'entrée unitaire.Le rapport R33/R32 est proche du rapport entre la résistance purement électrique Re du HP et R0. larésistance de puissance de pied de HP et placée à l'extérieur du circuit. Le rapport R33/R32 est très tolérant parce que le retour de la boucle de courant est réglable. Toutefois il estintéressant de le définir par excès. Ce qui signifie que R33/R32 peut être légèrement supérieur à (Re+R0)/R0.Dans la réalité on peut poser R32= 10 000x R0 et R33=10 000(Re +R0)Sachant que le rapport Re/R0 doit tourner aux alentour de 10. le gain de l'ampli avoisine 11 soit environ 21dB Il en ressort un faible bruit, et une bande passante dépassant très largement le spectre audio.
La compensation de la dérive en continu est assurée par U5:B monté en intégrateur . Sa constante de tempsR37.C32 est de 1 seconde. Sa tension de sortie est réinjectée dans la boucle de CR via R38
Q2
IRF
P2
40
Q4
IRF
P9
24
0
R4022
R4822
C28
22pFC
26
22p
F
R4
11
.1k
R43
390
P3
25
0
Q1
TIP
31
C22100nF
R34
3.32k
C20
100nF
R323.32k
C2
1
10uF
R3
33
3.2
k
R361.5k
3
21
84
U5:A
TL072
R30R_02A
R371M
C32
1µF
R3
820
0k
C24
100nF
JAP
5
67 U5:B
TL072
JAM
PA1+
-U
C17
22µF
Q5
IRF
P9
24
0R4922
R42750
R4
60
.1
D310v
Q3
IRF
P2
40
R3922
R4
40
.1
R4
50.
1R
47
0.1
D110v
D5
10v
D7
10v
TP9
D6
1N4148D2
1N4148
D4
1N4148 D8
1N4148
Mute_Cmd
TP13
TP8+15
-15
1
R3
51
.5k
JLKJLA
+15
VasR29R_01A
Bias + 12
Bias - 11
Mute2
Comp 6
Out - 13
Out+ 14
OSens 8
In-5
In+4
GN
D3
-Ve
e1
0+
Vcc
15
Ld1
Q7
LME49830
(LM49810)
C23
100uF
C2747µF
C25
100uF
JEXTM
JEXTP
bou
cle
de
co
ura
nt
La boucle de courant
Pour une amplification normale ( pas de bridge) Le courant circulant dans le HP , est converti en tension par R0 dont l'une des bornes JHPR (J HP connecté à R)est reliée au – du HP , et de l'autre coté à la masse (JGR( J Ground à R)) . La borne JGV dans ce cas est reliée à la masse (Attention le courant du HP qui circule dans ce fil nécessite uneforte section).Le + du HP est connecte à JHPP ( J du HP , Plus)sa borne négative à JHPM (J du HP Moins).La tension image du courant qui circule dans le HP est appliquée, via R50=2.21kΩ ,à l'entrée non inverseuse deU6:B. Les deux diodes D9 et D10 limitent les excursions de la tension appliquée en cas d'anomalie grave del'ampli de puissance. Elles sont inactives en fonctionnement normal et ne risquent pas d'écrêter le signal.U6:B à travers son réseau de CR compense l'absence de la self située en série avec R0 sur le schéma de principe.En ne prenant pas en compte C29 et C31 destinés à des compensations ( généralement pas câblées) les relationspermettant de définir les valeurs de R52,et R53 sont: (R52+R53).C30= Le/(Re+R0) et R53=R52/10La valeur de C30 est choisit de telle manière, que la somme des résistances R52+R53 soit supérieure à 5kΩ , etinférieure à 15 kΩ. Commencer par une valeur de C30=10nF permet de fixer les idées. Remarque: R51 n'est pas câblée
Dans le cas d'une amplification bridgée Les changements à opérer sont faibles.- R50 passe de 2.21k à 22.1k- Câbler R51=R50=22.1k- JGV est raccordée à la sortie du second amplificateur dont la phase est inverse à celle de l'amplificateur dela carte maitresse.C'est tout.
Fermeture de la boucleC'est U5:A qui s'en charge. Il est sommateur, inverseur et correcteur. Il est raccordé à l'amplificateur via la résistance R32Il reçoit:- le signal issu des sélections d'entrée et de MFB via R29 et C17 . Ce dernier évite qu'une composante continue
R5
4R
_13
R50Ria1 JHPMD9
1N4148
D1
0
1N41
48
+15
R52Rte_11
-15R53
Rte_12
C30
Cte01
P1
10k
JGV
5
67 U6:B
TL072 JHPR
JGR
R externe
12
JMP
3
CF
B r
atio
HP-
Au PCB
Gnd ou -Vs(Bridge)
C18
C_O3
C29
Cte02
C31
Cte00
CFB
TP10
R51Ria2
Ria1 = 2.21k (Mono)
Ria2 = N.C (Mono)
Ria1=Ria2=22.1k si bridge
JAG Gnd
CF
B
entrée inverseuse de U5:A
soit appliqué à l'amplificateur.- le signal de la boucle de courant via R24 ,P1 et C18 si le jumper JMP3 est strappé. Le potentiomètre P1permet le dosage du taux de réaction de courant. A la première mise sous tension son curseur doit être placé surla butée au potentiel de la masse.- à un intégrateur constitué de R37, U5:B et C32, à travers la résistance R38. Ce réseau permet de limiter ladérive en tension de l'amplificateur.Le correcteur est intégrateur via C19 et R30+R31 et différenciateur via C19 et R31. D'une manière générale C19.(R30+R31) = Le/10(Re+R0) . Et C19.R31=Le/20(Re+R0). En règle générale aussi,R29=R30=10kΩ
6 Les protections et le circuit de Muting
L'ensemble des protections et circuit de muting sont réalisées autour d'un LM339. C'est un quadruplecomparateur dont les 4 sorties sont à collecteur ouvert. Cette caractéristique permet de réaliser une fonctionlogique OU en reliant les collecteurs entre eux. Cette liaison constitue le bus « défaut »Le pont de résistances R56,R57,R58 procure deux tensions positives de seuil proches de Vd=5v et Vd2=2.4v.
les protections de dérive de tension, et thermiqueAprès passage dans un filtre passe bas du 3°ordre, la tension de sortie de l'amplificateur est appliqué à uncomparateur à fenêtre composé de U8:C et U8:D. Ce filtre est constitué des trois réseaux en cascade (R=220ket C=470nF) par R70,R71,R72 et C16,C12,C33. Les diodes D14,D15 permettent l'usage de condensateurs à faibletension de service.La broche inverseuse de U8:C est polarisée à -5v via le pont de résistance constitué de R53 et R54. Tant que latension à sa borne non inverseuse n'est pas inférieure à -5v sa sortie est positive. En ce qui concerne U8:Dpolarisé à +5v sa tension de sortie est positive tant que la tension appliquée à sa borne inverseuse est inférieureà 5v.(Son transistor de sortie est bloqué)En cas de dérive supérieure à 5v (en valeur absolue) le point commun de sortie des deux comparateurs seretrouve à un potentiel proche de celui de la masse. Leur charge commune étant R59=100kΩ.
R72
220k
C33470n
9
814 U8:C
LM339
11
1013 U8:D
LM339
R6310k
R645.11k
R5610k
R5
72.
74k
R5
910
0k
+15
5
42U8:B
LM339
Vd
VdR61
Rth1+15
Thermistance/radiateur
Defaut
R58
2.4kVd2
TP11
+15
0
Normal
Défaut
R62
Rthyst
R71
220k
C12
470n
C16
470n
R70220k
JTH1JTH2
-15
Sortiede l'amplificateur
Ce qui revient à dire qu'en cas d'anomalie l'un des transistors de sortie devient passant et décharge rapidementC34=10µF via R68. La base de Q6 se retrouve à un potentiel de masse ce qui l'empêche de conduire. Le relais prend sa position derepos en isolant le HP de l'ampli. La tension présente en J21V doit avoisiner 21v. Elle peut être issue de la sortiefiltrée, précédent le régulateur de l'alimentation +15v. Si la situation est normale, Les transistors de sortie des deux comparateurs ne conduisent pas et C34 se chargevia R68+R59. Lorsque la tension à ses bornes avoisine 1.2v Q6 devient passant et le relais passe à sa position detravail. Le HP est connecté à l'ampli.C'est le même stratagème utilisé pour la protection thermique. Tant que le point JTH1 (J thermique 1) est à unpotentiel supérieur à Vd=5v la sortie du comparateur U8:B est à un potentiel de +15v via R59. La sortie de cecomparateur étant réuni au bus « défaut »Si la température atteint un seuil critique (80° est une bonne cote) la CTN connectée entre JTH1 et JTH2 (JThermique 2) à une résistance telle que le pont R61,CTN voit à ses bornes une tension inférieure à Vd =5v et leprocessus de protection s'enclenche. La résistance R62 crée un hystérésis évitant un effet oscillatoire de laprotection . Sa valeur bien supérieure à R61 et surtout R59, doit être tout comme R61 du reste, déterminé enfonction du choix de la valeur de la thermistance. Ce point fera partie d'une annexe.La CTN est à placer sur le radiateur. Leur contact thermique doit être étroit . La jonction des collecteurs constitue un bus de défauts qui peut être étendu si nécessaire. Par contrel'extension de ce bus ne doit pas perturber la constante de temps de commande du relais. Si le temps de chargevous paraît court, c'est la valeur de R59 qu'il faut modifier.La protection contre les surcharges est assurée par le LME49830.
le circuit de muting
La commande est appliquée sur l'une des cartes. Une liaison inter carte permet un mute sur l'ensemble descartes du systèmes. Il utilise la partie U8:A du LM339.
-15
7
61
31
2
U8:A
LM339
Vd
2
D12
1N4148
R66100k
Defaut
D13
1N4148
R6
5R
mut
e
+15
Mute_Cmd
R67100k
JMC
JMB
Mute ou Bus Mute
Bus Mute
TP12
(R36)
JHPPHP+
R6
8
1.5k
C34
10µF
Q6TIP122
D11
1N40
07
R6
927
0
De
fau
t
22
17
161112
149
RL1
RT33L012
J21V
Sortie del'amplificateur
Afin d'être compatible avec une logique TTL, son seuil de tension est Vd2=2.4v . Cette tension est appliquée à sonentrée inverseuse . Sans commande(manuelle), l'entrée est fixée à +15v via R66. Elle sera limitée à plus 5v dansle cas d'une commande TTL qui ne souffrira pas de la présence de R66 vue sa grande valeur. Par contre R57 està supprimer. D'une manière générale le muting est actif lorsque le bus d'entrée est à un potentiel de masse. Unedérive de tension ou un échauffement prohibitif de l'amplification provoque l'action du muting ,grâce à D12. L'action de mute, rend le transistor de sortie du comparateur passant. Ce qui a pour effet de déchargerrapidement C21 via R36. La remise en fonctionnement ( le dé muting) provoque la charge de C21 via R36+R65. S'il n'est pas provoqué par un défaut d'amplification, le muting ne concerne que le LME49830.
- Composants utilisésIls n'imposent pas de grandes contraintesSur le schéma sont présents des TL072, rien n'exclut d'utiliser des amplis Op plus performants.Je ne peux que conseiller de les monter sur supports à tulipes. Les résistances faible puissance sont des ¼ W à couche métallique à 1% de tolérance.Les condensateurs C26 et C28 sont des céramiques au pas de 2.54. Tous les autres non chimiques sont au pas de5.08. Ils doivent être de bonne qualité sans pour autant aller vers l'ésotérisme. Les composants industriels nonestampillés « Audio » conviennent parfaitement. Le cheminement du signal audio nécessite parfois des électrochimiques non polarisés. Il faut absolumentrespecter cela. Des IRFP 240 et 9240 appairés sont conseillés. Toutefois la résistance de source quiaccompagne chacun d'eux laisse une tolérance suffisante pour que ce critère ne soit pas un énorme casse tête. Le PCB est réalisé sur un support époxy, une épaisseur de cuivre de 105µm. Il est étamé et doté d'un vernisépargne sur les deux faces. Coté composants, une sérigraphie blanche souligne l'implantation des composants.
– La détermination des valeursDe nombreuses valeurs sont fixes et ne ne demandent pas de calcul particulier . Par contre celles qui relèventdes éléments à asservir et du mode d'asservissement choisi doivent être déterminées en fonction du HP utilisé.Ces calculs sont réalisée sous Calc de Open Office. Il est compatible avec Excel de Microsoft. 1 Pour un HP à membrane Elle comporte: une feuille de saisie et de - calculs des paramètres électriques, mécaniques et acoustiques du HP - calculs de ces mêmes paramètres pour la boite close dans laquelle est incluse le HP
HP: RSS390HF-4 Fab: Dayton 16/12/09 par: JCB
Paramètres du boomerRéseau électrique B.l Réseau mécanique Réseau acoustique Complément
1 3,48 Ω <> 14,67 61,93 kg/s > 0,08296 8998,45 T 22 °C 1
2 0,33 Ω < 652,15 kg/s 94756,45 kt 1,081 2
3 1 mH < 4,65 µm/N 0,03198 > ρρρρ 1,197 3
4 1258,38 µF 270,81 g 39,35 kg/m² c 344,279 m/s 4
5 1131,12 µF 243,43 g > 35,37 kg/m² 5
6 62,13 mH 288,685 µm/N > 1,987 281,8 6
7 19,58 Ω 10,99 kg/s > 1597,41 7
8 6,55 µF 13,69 g > 1,990 kg/m² 278,037 µs 8
9 5,62 mH 26,1 µm/N > 0,17964 393,41 µs 9
10 6,3 Ω 34,18 kg/s > 4965,92 0,441 10
11 14,28 Ω 15,07 kg/s > 2189,97 0,694 11
12 2,79 16,25 cm 12
13 0,42 32,5 cm 13
14 0,49 13,48 14
15 553,06 Hz 18 Hz 337,19 Hz 472,01 µs 15
16 605,58 Hz 16
17 262,81 µs 14 mm 1,16 17
EnceinteRéseau électrique Réseau mécanique Réseau acoustique Cotes internes et coef
18 3 60 L 40 cm 18
19 13,23 mH 61,47 µm/N > 0,42 h 40 cm 19
20 4,83 µF 10,1 g > 1,47 kg/m² p 39,38 cm 20
21 β 1,88 a 0,5185 m² 21
Sd (m²)
Re Rme Rae N.s/m3
Rg Rmg Rag N.s/m3 kg/m3
Le Cme Cae cm3/N kg/m3
Cems Mms Mas
Cemd Mmd Mad
Lem
Cms
Cas cm3/N V
as dm3
Rem
Rms
Ras N.s/m3
Cemr Mmr Mar ττττMar
Lemr
Cmr
Car cm3/N ττττCar
Remr1 Rmr1 Rar1 N.s/m3 Kar2/1
Remr2 Rmr2 Rar2 N.s/m3 Kar1/1+2
Qms
rd
Qts Dd
Qes Vref dm3
Fe0
Fs
Fa
ττττa
Fe
ττττeX
maxV
d dm3
Vhp dm3 V
b dm3
Leb Cmb Cab cm3/NCeb Mmb Mab
Les cases de saisies sont sur un fond turquoise clair . Il est primordial d'entrer la valeur en tenant compte de son unité ou de son sous multiple spécifié dans la caseadjacente.- calculs des valeurs théoriques des composants nécessaires à l'asservissement CFB du Boomer.Elle nécessite la saisie de quelques valeurs.Le cout important des condensateurs qui se situent hors du code E12 (12 valeurs par décade) et la grandefacilité d'approvisionnement des résistances de valeurs disponibles dans le code E96, porte à choisir une valeurde condensateurs et de déterminer par le calcul la ou les valeurs des résistances qui l'entourent.
Ainsi C5,C6,C30 sont à priori librement choisie. Mais afin de conserver un bon rapport signal/bruit, ils sontdéterminés de telle manière que:- pour C5, R11+R10 soit comprise entre 5 et 15kΩ. - pour C6 , que R5 soit dans cette échelle de valeur, et que- pour C30, ce soit la somme R52+R53 qui soit contrôlée de la sorte.Fmin correspond à la fréquence la plus basse à retransmettre.Amin est plus délicat à définir. De sa valeur dépend la réserve dynamique du convertisseur. Amix limite le gain afin de ne pas excéder la plus grande excursion possible du HP. Kra est le rapport entre R32 et la résistance (Rg sur la saisie) placée en série avec le HP. Une résistance R32située entre 3 et 10k permet de le définir. Il est tel que R33 n'excède pas 75 voir 100k. Kra=104 me semble êtreune valeur convenable pour un HP de 8Ω. Doubler Kra pour un HP de 4Ω est convenable aussiPréalablement Rg sera voisine du dixième de la résistance électrique de la bobine mobile du HP (Rg~Re/10)Remarque: La valeur de Le donnée par les constructeurs est souvent une valeur appréciée à 1kHz. A la mise aupoint, il sera sans doute nécessaire de modifier R52+R53. Le protocole de réglage fera l'objet d'un texte ad hoc
Valeurs sur schéma Valeurs à reporter dans le schéma de simulation (LTSpice) LégendeRep Val Unit param Val param Unit param Val param Unit Valeurs à entrer
22 C5 100 nF Cr1 100 n Re 3,48 Valeur, issue de la mise 23 R10 8,921 Rr1 8,921 k Le 1 m au point au simulateur, et24 R11 3,934 Rr2 3,934 k reportée sur le schéma de25 R12 3,857 Bl 14,67 principe26 Ain 0,3 Ain 0,3 Sd 0,08 Paramètre à reporter 27 Fmin 15 Hz xxxUnit (sans accolade) 28 C6 47 nF CR2 47 n Mad 35,37 sur le schéma de simulation
29 R5 19,72 Rr3 5,92 k Ras 1597,4130 R6 225,75 Rr4 225,75 k Cas 1,99 µ 30
31 k1 10 k1 10 31
32 C4 470 nF Mab 1,47 Conditions initiales d'analyses 32
33 R9 22,58 Cab 0,42 µ C7 1 p 33
34 Amix 0,33 Amix 0,33 C9 100 µ 34
35 R8 10 Rr5 10 k Mar 1,99 C10 1 p 35
36 R7,13 30,3 Rar1 4965,92 36
37 R14 30,3 R14 30,3 k Rar2 2189,97 37
38 C7 68 nF C7 68 n Car 0,17964 µ 38
39 R15 A,B 5 39
40 R16 1,25 R16 1,25 k R3A 10,5 k 40
41 C9 1,5 µF C9 1,5 µ C3A 10 µ 41
42 C10 150 nF C10 150 n 42
43 R.ext 0,33 Ω R0 0,33 43
44 C30 47 nF C2A 47 n 44
45 R(52+53) 5,592 45
46 Krb 20 46
47 R52 5,312 R6A 5,312 k 47
48 R53 0,280 R7A 0,280 k 48
49 R54 10 49
50 C18 10 µF C3A 10 µ 50
51 R29 10 R1A 10 k 51
52 R30 10 R2A 10 k 52
53 R31 10 R2B 10 k 53
54 C19 0,66 nF C1B 0,66 n 54
55 kra 10000 Kra 10000 55
56 R32 3,3 56
57 R33 38,05 57
Modif 18/12/09 10h
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une feuille, concoctée par Stf_adonf et dans laquelle Philby à mis sa patte. Ils sont très présents sur leforum HCFR et sur ce projet. Leur collaboration est précieuse, je les remercie beaucoup.Une feuille ,donc: - de conversion des valeurs théoriques de résistance en valeurs pratiques, et - de report de ces valeurs vers le fichier de simulation, Comme noté dans le chapitre 1.3, peu de paramètres sont nécessaires au calcul d'un CFB. C'est la simulation , sedevant être la plus proche possible de la réalité, qui en nécessite le plus . Vous trouverez en annexe 2: B du présent chapitre, le mode d'emploi permettant le lien avec la simulation.
une feuille faisant office de nomenclature. Elle rassemble les valeurs fixes, et les valeurs pratiquesparticulières au HP utilisé.
2 Pour un HP à dômeLes constructeurs ne sont pas généreux dans la fourniture des paramètres de ce type de transducteur.Il est donc nécessaire de les reconstituer, voir effectuer des mesures sur le HP afin de les compléter et lesvérifier. Alors que l'action, de l'asservissement d'un HP à membrane, est principalement désirée sous la fréquence decoupure du couple HP+ enceinte, celle d'un tweeter se situe au delà. Quoique proche l'évaluation des élémentsd'asservissements diffèrent quelque peu.
A compléter
- Les simulationsElles sont effectuées à l'aide de LTSpice. Ce soft, proposé par Linear Technology, est gratuit. Son moded'emploi est disponible lors du téléchargement.Sa prise en main par un technicien est aisée. C'est Jean-Marc Plantefève qui me l'a fait connaître, je l'enremercie.1 CFB - Simulation du HP Dayton RSS390HF-4. Elle correspond au double schéma suivant.
Le schéma du haut correspond au schéma réel de simulation.Celui du bas, est son équivalent réalisé par une cascade de filtres. Ce schéma est important pour définir lescaractéristiques des filtres d'aiguillage. Ils réapparaitront dans le chapitre consacré à l'aiguillage.
CFB - Courbes correspondant aux schémas de simulation Sans filtre, précédant le montage, le résultat de la simulation pourrait être celui ci.
La courbe rouge indique la puissance délivrée au HP. C'est une puissance peak . la puissance RMS correspond à lamoitié. Soit 30kW. Cette puissance est 60 fois celle admissible par le HPLe déplacement max, (la courbe bleue), de la bobine est proche de 100mm soit 7 fois supérieur au déplacementmax du HP. La courbe de réponse s'étend de 8Hz à 700Hz (-3dB) et la dynamique est de 113dB. Si la courbe de réponse est alléchante, les courbes de puissance et de déplacement montrent l'irréalisme d'unprojet ainsi fagoté. La solution réside à faire précéder le système d'un filtre dont la pente permet de réduire le débattement et lapuissance . Un filtre de Butterworth du 4° ordre dont la fréquence de coupure est de 16Hz ,
ramène la puissance peak à 1kW soit 500W RMS et le débattement à 14mm. Ces deux valeurs sont en conformitéavec les données du constructeur. En contrepartie, la bande est réduite à 20, 700Hz (à -3dB). La dynamique de113 dB est inchangée.La courbe de réponse (en vert) superposée à celle de l'équivalent formé de filtres élémentaires (rouge) est:
En modifiant la fréquence de coupure du filtre à 20Hz,
La puissance de l'amplificateur n'excède pas 400W Peak (200W RMS) . Le débattement est bien inférieur à lavaleur maximale qu'est capable de supporter l'équipage mobile. La dynamique reste de 113 dB mais la fréquencede coupure basse est de 25 Hz.
2 C&MFB - Simulation du HP Dayton RSS390HF-4. Elle correspond au schéma suivant.
C&MFB – Courbes résultantes
C'est pour ce HP, dans la partie haute de la zone fréquentielle reproduite que la puissance requise est la plusimportante. La dynamique est de 112 dB. Il s'avère que le MFB seul est très approché de ce résultat. Le faibletaux de réaction d'intensité linéarise la courbe de réponse à ses extrémités.
3 CFB - Simulation d e la partie basse du B&C 12CX32 Ses schémas de simulation et d'équivalence sont:
Courbes résultantes
Ces courbes montrent l'impossibilité de faire descendre ce HP à 20Hz en disposant d'une dynamique avoisinantles 110 dBEmployé seul la dynamique précédente (113 dB) est acquise si la fréquence de coupure du filtre est ajustée à40Hz.Ain passe de 0.2 à 0.4 et k2 de 2.5 à 1
A remarquer que:
- La puissance requise est d'une quarantaine de W RMS- la fréquence de coupure haute du HP est dans les deux cas de 1.62kHz Coaxial, il ne peut être équipé d'un accéléromètre.
- Applications Elle concerne les:1 - CFB intégral sans potentiomètre de dosage du niveau d'entrée.2 - CFB intégral avec potentiomètre de dosage du niveau d'entrée. (Le seul exemple avec pot. de niveau)3 - MFB intégral sans potentiomètre de dosage du niveau d'entrée.4 - C&MFB intégral sans potentiomètre de dosage du niveau d'entrée. Remarques: Intégral signifie l'utilisation de la partie amplificatriceLes parties orangées ne sont pas câblées.
Annexe A du 2°chapitre Schéma de la carte amplificatrice et de traitement, agrandi.
C6
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Annexe B du 2°chapitre: Rédigée par Stéphane alias Stf_adonf Exemple d'utilisation de la feuille Excel Zippy_B_Calc.xls (avec Macros Ltspice); Simulation d'un haut parleur de grave JBL GT120MKII.
. Récupération des paramètres du HP.
Utilisation de la feuille excel Zippy_BB_Calc.xlsLes paramètres présents dans la feuille ci-dessus vont être reportés dans le fichier Excel onglet'CFB_Membrane', le lancement d'une macro présente dans ce dernier viendra modifier certaines directives etvariables dans le ou les fichiers de simulations Ltspice.
1 Renseigner ensuite les paramètres de l'enceinte close.Volume occupé par le haut parleur, les renforts le volume interne de l'enceinte
2 Avant de lancer la simulation on va choisir des valeurs pour certains composants.Préconisations de J-C.B: C5,C6,C30 sont à priori librement choisie. Mais afin de conserver un bon rapport signal/bruit, ils sontdéterminés de telle manière que:- pour C5, R12=R11+R10 soit comprise entre 5 et 15kΩ. - pour C6 , R5 soit dans cette échelle de valeur- pour C30, c'est R52+R53 qui est concernée.Fmin correspond à la fréquence la plus basse à retransmettre.Amin est plus délicat à définir. De sa valeur dépend la réserve dynamique du convertisseur. Amix limite le gain afin de ne pas excéder la plus grande excursion possible du HP. Kra est le rapport entre R32 et la résistance (Rg sur la saisie) placée en série avec le HP. Une résistance R32située entre 3 et 10k permet de le définir. Il est tel que R33 n'excède pas 75 voir 100k. Kra=104 me semble êtreune valeur convenable pour un HP de 8Ω. Doubler Kra pour un HP de 4Ω est convenable aussiPréalablement Rg sera voisine du dixième de la résistance électrique de la bobine mobile du HP (Rg~Re/10)
Remarque: La valeur de Le donnée par les constructeurs est souvent une valeur appréciée à 1kHz. A la mise aupoint, il sera sans doute nécessaire de modifier R52+R53. Le protocole de réglage fera l'objet d'un texte ad hoc
La petite fonction proposée par Philby permet d'indiquer si C5,C6,C30 sont dans la fourchette des 5K-15K.
3 Dans l'onglet VAR_export_LTSPICE vérifier le nom du fichier d'origine Ltspice qui sera utilisé pour lasimulation.
4 Dans le menu compléments d'Excel (2007), ouvrir Macro création Ltspice choisir HP Membrane.
. Après quelques instants doit apparaître dans le répertoire d'exécution un fichier préfixé comme le fichier
Ltpsice d'origine et suffixé avec le type de HP et la date courante. Ce fichier est à lancer dans Ltspice. Dansnotre exemple le fichier se nomme :CFB_Boomer_Membrane_19-17-51.asc. Dans Ltspice cela donne :
1 Lancement de la simulation.
A vous de jouer !
Chapitre 3
Le module de filtrage
Constats préliminaires
1 Limitation volontaire de la bandeAfin de limiter la puissance délivrée dans les HP d'extrémité de bande, il est nécessaire d'en supprimer lesparties infra et ultra sonore. Correctement calibrés, ces filtres peuvent être considérés comme des élémentsde protections des HP d'extrémités de bande.Afin d'être efficace, le filtre passe haut, ou coupe bas, destiné à limiter la bande infra sonore doit avoir unepente minimale de 12 dB/Octave (2° ordre). Dans l'absolu un filtre du 4° ordre nous offre la certitude d'unegrande efficacité. Sa fréquence de coupure est choisie en deçà de la fréquence de coupure du HP chargé dereproduire le bas du spectre. L'inconstance du temps de propagation d'un filtre de Butterworth étant situédans une zone inaudible, ce type de filtre fait tout à fait l'affaire Le filtre passe bas (ou coupe haut) se contente d'un filtre du second ordre par contre son temps depropagation, appliqué sur l'ensemble du spectre audio, devra être le plus constant possible. Le choix se portetout naturellement vers un filtre de Bessel.
Afin que les temps de propagation de groupe (tpg) de chacun des filtres précédemment cités ne vienneperturber une zone de séparation , Ils sont placées en amont de l'ensemble de la chaine reproductrice.Si le temps est constant dans la zone reproduite, on peut considérer que le décalage temporel n'affecte pas lecontenu du message sonore. 2 Bande reproduiteEn faisant abstraction des deux filtres précédents, la bande idéalement reproduite se situe entre la fréquencela plus basse (à -3dB) retransmise par le boomer et la fréquence la plus haute retransmise par le tweeter.Entre ces deux points la courbe de réponse doit être linéaire.
3 Autre vision d'un HP dans le cadre de l'asservissementUn haut parleur, peut être considéré comme un convertisseur tension/pression acoustique.Au rapport entre la pression acoustique délivrée et la tension appliquée correspond une fonction de transfert En fait ce rapport est entaché d'un coefficient (K) de conversion électro-mécano-acoustique et d'une fonction(ΤΤΤΤ(jω)) traduisant le comportement fréquentiel du HP. Ceci signifie que l'usage des nombres complexes est de rigueur. Pour faciliter l'écriture, p=j.ω autrement dit ΤΤΤΤ(jω)= ΤΤΤΤ(p)
Cet opérateur à d'autres vertus que je n'utiliserai pas dans ce cadre. Dans le cas qui nous intéresse, la tension d'entrée Ue de l'amplificateur est la grandeur appliquée . En terme deservomécanisme il s'agit de la consigne. Un facteur d'amplification A propre au montage est donc inclus à lachaine. En résumé, en régime linéaire la pression acoustique Pa(p) délivrée par un HP peut être écrite: Pa(p) = K.A.Τ Τ Τ Τ (p) . Ue
4 Théorie de l'aiguillage d'un système à deux voies En convenant que le système dispose d'un boomer et d'un tweeter, chacun dispose - d'un coefficient K propre. Appelons KB celui du Boomer et, KT celui du Tweeter- d'un facteur d'amplification AB pour le Boomer et AT pour le Tweeter- d'une réponse complexe traduite par les fonctions de transferts ΤΤΤΤB(p) pour le Boomer et ΤΤΤΤT(p) pour leTweeter. En fait chaque transducteur est un passe bande, large, pouvant être définie par la cascade d'un passehaut et d'un passe bas. Ainsi, ΤΤΤΤB(p) =ΤΤΤΤBH(p) .ΤΤΤΤBL(p) et ΤΤΤΤT(p) =ΤΤΤΤTH(p) .ΤΤΤΤTL(p)
L'indice H signifie Passe Haut et l'indice L Low Pass (Passe bas). Ainsi ΤΤΤΤBH(p) est la transmittance (Fonction detransfert) passe haut du boomer. La nécessité de séparer fréquentiellement les deux HP afin qu'ils travaillent dans une zone adaptée à leur
spécialité fait ajouter une fonction de transfert à chacun d'eux. La bande reproduite par le boomer devient ΤΤΤΤB(p) =ΤΤΤΤBH(p) .ΤΤΤΤBL(p) .ΤΤΤΤBS(p).ΤΤΤΤBX(p) dans laquelle ΤΤΤΤBS(p) est latransmittance du filtre de Séparation appliqué au Boomer et ΤΤΤΤBX(p) une transmittance de correction.Il en va de même pour le tweeter . ΤΤΤΤT(p) =ΤΤΤΤTH(p) .ΤΤΤΤTL(p) .ΤΤΤΤTS(p) .ΤΤΤΤTX(p) dans laquelle ΤΤΤΤTS(p) est unetransmittance du filtre de Séparation appliqué au Tweeter et ΤΤΤΤTX(p) , une transmittance correctrice. Les deux transmittance correctrices prendront un sens dans ce qui suit.La pression délivrée par les deux transducteurs, dans l'axe est donc: Pa0(p)= KB.AB.ΤΤΤΤB(p) + KT.AT.ΤΤΤΤT(p)
Soit Pa0(p)= KB.AB.ΤΤΤΤBH(p) .ΤΤΤΤBL(p) .ΤΤΤΤBS(p) .ΤΤΤΤBX(p) + KT.AT.ΤΤΤΤTH(p) .ΤΤΤΤTL(p) .ΤΤΤΤTS(p).ΤΤΤΤTX(p)
En posant KB.AB = KT.AT,
Les coefficients KB et KT étant liés à chacun des transducteurs sont imposés et n'offre aucune possibilité demodification. Par contre les facteurs d'amplification sont modifiables aisément. Pour satisfaire à la précédenterelation le facteur d'amplification AT = AB .KB/KT
L'expression de la pression exercée par les deux transducteurs
Pa0(p)= KB.AB.(ΤΤΤΤBH(p) .ΤΤΤΤBL(p) .ΤΤΤΤBS(p).ΤΤΤΤBX(p) + ΤΤΤΤTH(p) .ΤΤΤΤTL(p) .ΤΤΤΤTS(p).ΤΤΤΤTX(p) )
qu'en vertu du paragraphe 2 de ce chapitre, en définissant ΤΤΤΤBS(p) et ΤΤΤΤTS(p) en conséquence, on souhaiterésoudre pour obtenir: Pa0(p)= KB.AB.( ΤΤΤΤBH(p) .ΤΤΤΤTL(p) )Ce qui revient à résoudre: ΤΤΤΤBH(p) .ΤΤΤΤTL(p) = ΤΤΤΤBH(p) .ΤΤΤΤBL(p) .ΤΤΤΤBS(p).ΤΤΤΤBX(p) + ΤΤΤΤTH(p) .ΤΤΤΤTL(p) .ΤΤΤΤTS(p) .ΤΤΤΤTX(p)
La variable p étant commune à tous les termes , sera considérée comme implicite. Ce qui permet d'écrire cetteéquation sous une forme allégée. (ΤΤΤΤBL .ΤΤΤΤBS .ΤΤΤΤBX/ΤΤΤΤTL) + (ΤΤΤΤTH .ΤΤΤΤTS.ΤΤΤΤTX /ΤΤΤΤBH) = 1En posant ΤΤΤΤBX/ΤΤΤΤTL=1 ce qui implique ΤΤΤΤBX=ΤΤΤΤTL , montre que le circuit de filtrage du boomer doit être suivi ouprécédé d'une fonction de transfert passe bas équivalente à ΤΤΤΤTL. C'est celle de l'effet passe bas du tweeter ,De la même manière, Τ Τ Τ ΤTX /ΤΤΤΤBH=1 implique ΤΤΤΤTX =ΤΤΤΤBH. Cette fois c'est le circuit de séparation du tweeter doitêtre suivi ou précédé d'un filtre passe haut équivalent au filtre fictif provoquant l'effet passe haut du boomer.L'équation devient (ΤΤΤΤBL .ΤΤΤΤBS ) + (ΤΤΤΤTH .ΤΤΤΤTS) = 1 soit ΤΤΤΤBS= (1- ΤΤΤΤTH .ΤΤΤΤTS)(1/ΤΤΤΤBL)
Quoique irréalisable (voir la remarque 2 suivante) sous cette forme le schéma de la chaîne utilisant un tel filtreest le suivant.
Les types de transmittances issues du boomer sont asymptotiquement symbolisées en bleu, celles du tweeter enrouge.En partant du principe que la relation KB.AB = KT.AT, est respectée Remarque 1: Toutes les fonctions de transferts fictives des deux HP sont présents dans le séparateur. Ceci montre l'intérêt de créer un schéma constitué de filtres équivalents au transfert de chaque HP.
Dresser un tel schéma nécessite une bonne maitrise de la connaissance du filtrage. Remarque 2: La transmittance 1/ΤΤΤΤBL est irréaliste, car elle correspond à la fonction inverse à celle d'un passebas d'ordre 2 ou 3. On lui préfèrera un réseau passe tout qui a la faculté d'avoir une courbe de réponse linéaireet une réponse en phase variable. Un tel circuit correspond à une ligne à retard. Mais la encore, quelqueprécautions sont à prendre.Cette solution qui permet de conserver un bon comportement en phase, ne compense pas les variations deniveaux en fonction de la fréquence. Il en résulte une légère ondulation de la courbe de réponse. Notre seuil différentiel de sonie est de 0,4dB. Il faut donc rechercher une ondulation qui n'excède pas +/- 0,2dB afin qu'elle soit inaudible. Ce critère est très difficile à obtenir, d'autant plus, que la fréquencecaractéristique de ΤΤΤΤBL est proche de la fréquence de coupure souhaitée. Remarque 3: Si la fréquence de coupure coïncide avec la fréquence de coupure basse du tweeter, cellecaractéristique de ΤΤΤΤTH , alors ΤΤΤΤTS=1 . Le risque est d'appliquer au Tweeter , même s'il est incapable de lesrestituer, des signaux à basses fréquences qui pourraient le détruire . Il faut donc, avant de valider ce choix,veiller à ce qu'il ne soit pas destructeur.Remarque 4: L'ensemble dispose donc des coefficients et des deux transmittances nécessaires pour leconsidérer comme un HP équivalent. Cette remarque est importante car elle permet d'entrevoir l'extension à un système à 3 voies ou plus. Il suffit de sélectionner les HP par paires proches et de reproduire le principe. Il en découle deux possibilités:- Évaluation du couple boomer + médium, puis évaluation du HP résultant + Tweeter dans un systèmetrois voies, ou - Évaluation du couple médium + tweeter, puis évaluation du couple HP résultant + boomer Cette deuxième possibilité permet d'envisager la réalisation de Zippy en deux étapes. La première consistantà asservir le B&C lors d'une première étape, puis moyennant des modifications mineures lui adjoindre leWoofer, son enceinte et son électronique . Le gros des modifications ayant lieu sur la carte de séparation . Ellesconsistent à câbler les filtres manquant et de modifier la matrice d'interconnexion (nous y reviendronsobligatoirement). Cette dernière remarque permet de dresser rapidement le synoptique général du séparateur pour 3 voies.4 Synoptique théorique d'un séparateur pour trois voies
A la condition que KB.AB = KM.AMAB = KT.AT = K.A, qui correspond à l'équilibre des niveaux entre les trois HPla pression délivrée serait Pa0(p)= K.A.ΤΤΤΤBH(p) .ΤΤΤΤTL(p) Car comme mentionné plus haut l'approche des inverses de ΤΤΤΤBL(p) et ΤΤΤΤTL(p) va provoquer une légère ondulationde la courbe de réponse.
Remarque 1: ΤΤΤΤTL et ΤΤΤΤMH sont doublement présents
Remarque 2: Ce schéma n'inclut pas- Les deux filtres de coupure basse et haute indispensables à la protection des HP- Les lignes à retard destinées à la mise en phase mécanique des HP. Dans le cas d'emploi d'un HP coaxial dontles plaques de champ ne sont pas alignées,
5 Synoptiques théoriques adapté à la zippyDans le cadre de l'enceinte Zippy, les transmittances ΤΤΤΤTH et ΤΤΤΤMH sont déterminées lors de l'évaluation duréseau d'asservissement (CFB) . Ainsi ΤΤΤΤTS=1 et ΤΤΤΤMS=1 deviennent inutiles. Concrètement, elles seront tout demême présentes sur le PCB afin que chacun agisse à sa guise.
Les deux plaques de champ du B&C 12CX32 sont décalées de d=39mm. Celle du tweeter étant en recul vis avis de celle du boomer – médium (suivant l'utilisation) A une température ambiante de 21 à 22°C , pour unepression atmosphérique moyenne, et au niveau de la mer, cela produit un retard ττττT des signaux de pression issusdu tweeter de ττττT=d/c = 39.10-3/344 = 113µs vis à vis de ceux émis par le boomer-médium. Il est donc nécessaire de retarder les signaux destinés au boomer médium de ce même temps ττττT, afin derendre les signaux synchrones.
En réalisant le système trois voies de telle manière à ce que le caisson de basse soit séparé du caissonmédium aiguës la mise en phase mécanique est possible. L'origine des phases étant prise au niveau de la plaquede champ du tweeter. Dans la réalité les distances relatives des HP par rapport au point d'écoute nécessite unemodification de ce point de phase théorique.
Synoptique du filtre séparateur de l'enceinte 2 voies (B&C 12CX32 seul)
Synoptique du filtre séparateur de l'enceinte 3 voies adaptée à Zippy_BB
Ont été adjoint aux deux filtres séparateurs un étage d'équilibrage entre enceintes. Il est limité à unevariation de niveaux de +/-3 dB bien suffisant et logiquement inutilisé. L'enceinte de référence a ce dosage strappé.Dans chacune des enceintes, la voie qui restitue le bas du spectre est prise pour référence interne. Ce quiexplique que , la carte étant conçue pour les deux configurations, le dosage du Boomer médium soit court-circuitable.
