Pour améliorer le rendement de la pleine puissance de l’amplificateur de classe A précédent en réduisant la puissance gaspillée sous forme de chaleur, il est possible de concevoir le circuit amplificateur de puissance avec deux transistors dans son étage de sortie produisant ce qui est communément appelé un amplificateur de classe B également connu sous le nom de configuration d’amplificateur push-pull.
Les amplificateurs push-pull utilisent deux transistors « complémentaires » ou appariés, l’un étant de type NPN et l’autre de type PNP, les deux transistors de puissance recevant ensemble le même signal d’entrée qui est égal en magnitude, mais en phase opposée l’un à l’autre. Il en résulte qu’un transistor n’amplifie que la moitié ou 180o du cycle de forme d’onde d’entrée tandis que l’autre transistor amplifie l’autre moitié ou les 180o restants du cycle de forme d’onde d’entrée, les « deux moitiés » résultantes étant remises ensemble à la borne de sortie.
Alors l’angle de conduction pour ce type de circuit amplificateur n’est que de 180o ou 50% du signal d’entrée. Cet effet de poussée et de traction des demi-cycles alternés par les transistors donne à ce type de circuit son nom amusant de « push-pull », mais sont plus généralement connus comme l’amplificateur de classe B comme indiqué ci-dessous.
Circuit amplificateur à transformateur push-pull de classe B
Le circuit ci-dessus montre un circuit amplificateur de classe B standard qui utilise un transformateur d’entrée équilibré à prise centrale, qui divise le signal de forme d’onde entrant en deux moitiés égales et qui sont déphasées de 180o l’une par rapport à l’autre. Un autre transformateur à prise centrale sur la sortie est utilisé pour recombiner les deux signaux et fournir la puissance accrue à la charge. Les transistors utilisés pour ce type de circuit amplificateur push-pull à transformateur sont tous deux des transistors NPN dont les bornes d’émetteur sont connectées ensemble.
Ici, le courant de charge est partagé entre les deux dispositifs de transistors de puissance car il diminue dans un dispositif et augmente dans l’autre tout au long du cycle du signal réduisant la tension et le courant de sortie à zéro. Le résultat est que les deux moitiés de la forme d’onde de sortie passent de zéro à deux fois le courant de repos, ce qui réduit la dissipation. Cela a pour effet de presque doubler l’efficacité de l’amplificateur à environ 70%.
En supposant qu’aucun signal d’entrée n’est présent, alors chaque transistor transporte le courant de collecteur de repos normal, dont la valeur est déterminée par la polarisation de base qui est au point de coupure. Si le transformateur est précisément centré, alors les deux courants de collecteur circuleront dans des directions opposées (condition idéale) et il n’y aura pas de magnétisation du noyau du transformateur, ce qui minimise la possibilité de distorsion.
Lorsqu’un signal d’entrée est présent aux bornes du secondaire du transformateur d’attaque T1, les entrées de base des transistors sont en « anti-phase » l’une par rapport à l’autre comme indiqué, ainsi si la base de TR1 devient positive entraînant le transistor en conduction forte, son courant de collecteur augmentera mais en même temps le courant de base de TR2 deviendra négatif plus loin dans la coupure et le courant de collecteur de ce transistor diminue d’une quantité égale et vice versa. Par conséquent, les moitiés négatives sont amplifiées par un transistor et les moitiés positives par l’autre transistor donnant cet effet push-pull.
Contrairement à la condition de courant continu, ces courants alternatifs sont ADDITIFS entraînant la combinaison des deux demi-cycles de sortie pour reformer l’onde sinusoïdale dans l’enroulement primaire des transformateurs de sortie qui apparaît alors à travers la charge.
Le fonctionnement de l’amplificateur de classe B présente une polarisation continue nulle car les transistors sont polarisés à la coupure, de sorte que chaque transistor ne conduit que lorsque le signal d’entrée est supérieur à la tension base-émetteur. Par conséquent, à une entrée nulle, la sortie est nulle et aucune puissance n’est consommée. Cela signifie alors que le point Q réel d’un amplificateur de classe B se trouve sur la partie Vce de la ligne de charge, comme indiqué ci-dessous.
Courbes caractéristiques de sortie de classe B
L’amplificateur de classe B présente le gros avantage, par rapport à ses cousins amplificateurs de classe A, qu’aucun courant ne traverse les transistors lorsqu’ils sont dans leur état de repos (ie, sans signal d’entrée), donc aucune puissance n’est dissipée dans les transistors de sortie ou le transformateur lorsqu’il n’y a pas de signal présent contrairement aux étages d’amplificateur de classe A qui nécessitent une polarisation de base importante dissipant ainsi beaucoup de chaleur – même sans signal d’entrée présent.
Donc le rendement de conversion global ( η ) de l’amplificateur est supérieur à celui de la classe A équivalente avec des rendements atteignant jusqu’à 70 % possibles résultant de presque tous les types modernes d’amplificateurs push-pull fonctionnant dans ce mode de classe B.
Amplificateur push-pull de classe B sans transformateur
L’un des principaux inconvénients du circuit d’amplificateur de classe B ci-dessus est qu’il utilise des transformateurs à prise centrale équilibrée dans sa conception, ce qui le rend coûteux à construire. Cependant, il existe un autre type d’amplificateur de classe B appelé amplificateur de classe B à symétrie complémentaire qui n’utilise pas de transformateurs dans sa conception donc, il est sans transformateur utilisant à la place des paires complémentaires ou assorties de transistors de puissance.
Comme les transformateurs ne sont pas nécessaires cela rend le circuit amplificateur beaucoup plus petit pour la même quantité de sortie, également il n’y a pas d’effets magnétiques parasites ou de distorsion de transformateur pour affecter la qualité du signal de sortie. Un exemple de circuit amplificateur de classe B « sans transformateur » est donné ci-dessous.
Étage de sortie sans transformateur de classe B
Le circuit amplificateur de classe B ci-dessus utilise des transistors complémentaires pour chaque moitié de la forme d’onde et, bien que les amplificateurs de classe B aient un gain beaucoup plus élevé que les types de classe A, l’un des principaux inconvénients des amplificateurs push-pull de type classe B est qu’ils souffrent d’un effet connu communément sous le nom de distorsion de croisement.
Hélas, nous nous souvenons de nos tutoriels sur les transistors qu’il faut environ 0,7 volt (mesuré de la base à l’émetteur) pour qu’un transistor bipolaire commence à conduire. Dans un amplificateur de classe B pur, les transistors de sortie ne sont pas « pré-biaisés » à un état de fonctionnement « ON ».
Cela signifie que la partie de la forme d’onde de sortie qui tombe en dessous de cette fenêtre de 0.7 volts ne sera pas reproduite avec précision comme la transition entre les deux transistors (lorsqu’ils passent d’un transistor à l’autre), les transistors ne s’arrêtent pas ou ne commencent pas à conduire exactement au point de passage à zéro, même s’ils sont des paires spécialement appariées.
Les transistors de sortie pour chaque moitié de la forme d’onde (positive et négative) auront chacun une zone de 0,7 volt dans laquelle ils ne conduisent pas. Le résultat est que les deux transistors sont mis « hors tension » exactement au même moment.
Une façon simple d’éliminer la distorsion de croisement dans un amplificateur de classe B est d’ajouter deux petites sources de tension au circuit pour polariser les deux transistors à un point légèrement supérieur à leur point de coupure. Cela nous donnerait alors ce que l’on appelle communément un circuit amplificateur de classe AB. Cependant, il n’est pas pratique d’ajouter des sources de tension supplémentaires au circuit amplificateur, donc des jonctions PN sont utilisées pour fournir la polarisation supplémentaire sous la forme de diodes au silicium.
L’amplificateur de classe AB
Nous savons que nous avons besoin que la tension base-émetteur soit supérieure à 0,7v pour qu’un transistor bipolaire au silicium commence à conduire, donc si nous remplacions les deux résistances de polarisation du diviseur de tension connectées aux bornes de base des transistors par deux Diodes au silicium. La tension de polarisation appliquée aux transistors serait désormais égale à la chute de tension directe de ces diodes. Ces deux diodes sont généralement appelées diodes de polarisation ou diodes de compensation et sont choisies en fonction des caractéristiques des transistors correspondants. Le circuit ci-dessous illustre la polarisation par diode.
Amplificateur de classe AB
Le circuit amplificateur de classe AB est un compromis entre les configurations de la classe A et de la classe B. Cette très faible tension de polarisation de la diode fait que les deux transistors sont légèrement conducteurs même en l’absence de signal d’entrée. Une forme d’onde de signal d’entrée fera fonctionner les transistors normalement dans leur région active éliminant ainsi toute distorsion de croisement présente dans les conceptions d’amplificateur de classe B pure.
Un petit courant de collecteur circulera lorsqu’il n’y a pas de signal d’entrée mais il est beaucoup moins important que celui de la configuration d’amplificateur de classe A. Cela signifie alors que le transistor sera « ON » pendant plus d’un demi-cycle de la forme d’onde mais beaucoup moins qu’un cycle complet donnant un angle de conduction compris entre 180o et 360o ou 50% à 100% du signal d’entrée selon la quantité de polarisation supplémentaire utilisée. La quantité de tension de polarisation de diode présente à la borne de base du transistor peut être augmentée en multiples en ajoutant des diodes supplémentaires en série.
Les amplificateurs de classe B sont grandement préférés aux conceptions de classe A pour les applications de haute puissance telles que les amplificateurs de puissance audio et les systèmes de sonorisation. Comme le circuit d’amplificateur de classe A, une façon d’augmenter considérablement le gain en courant ( Ai ) d’un amplificateur push-pull de classe B est d’utiliser des paires de transistors Darlington au lieu de transistors simples dans son circuit de sortie.
Dans le prochain tutoriel sur les amplificateurs, nous examinerons de plus près les effets de la distorsion de croisement dans les circuits d’amplificateurs de classe B et les moyens de réduire son effet.
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