Montage Amplificateur Push-Pull de classe B page 1 07/02/2003

Amplificateur de puissance,montage Push-Pull en classe B

Partie ManipulationMontage de base et points de mesure

-15V

R

2N2907

2N2222

uve

+15V

Vers voie A

Vers masse

Vers voie B

Q1

Q2

Figure 1 : Schéma du montage push-pull et points de mesure

Fonctionnement du push-pullCe montage est composé d’une paire complémentaire assortie de transistors (NPN et PNP, decaractéristiques identiques). Les transistors fonctionnent en émetteur-suiveur!: seule la tension d’entréeactionne les transistors en état de conduction. À l’état de repos, les deux transistors sont bloqués. Q1conduit pendant l’alternance positive et Q2 pendant l’alternance négative.

Relevé des courbesLe relevé de la tension à l’entrée du montage et à la sortie (aux bornes de la résistance) à l’oscilloscopeconduit aux courbes suivantes (calibre en tension 2V/div, base de temps 200µs/div).

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-6

-4

-2

0

2

4

6

Temps (ms)

Tensions (V)

EntréeSortie

Figure 2 : Réponse du montage push-pull

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Explication de la distorsion de croisementLorsque la tension de polarisation à la base des transistors est nulle, les deux transistors ne conduisent paset la tension du signal doit être supérieure à VBE pour qu’un des transistors conduise.Ainsi il existe un intervalle de temps entre les alternances positives et négatives pendant lequel aucuntransistor ne conduit. On observe la distorsion résultante sur la tension de sortie du montage.

Détermination de la tension Eo

En déterminant la valeur de la tension d’entrée pour laquelle la tension de sortie commence à ne plus êtrenulle, il est possible de déterminer Eo. Ceci nous permet de trouver une tension Eo de 0,55 Volts. Une autreméthode consiste à mesurer la différence tension entre les maxima des tensions d’entrée et de sortie.Une méthode plus précise consiste à alimenter le montage par une tension continue réglable afin de pouvoirmesurer plus finement la tension Eo. Une telle mesure conduit à un Eo de 0.6V.

Compensation de la distorsion de croisementLe montage suivant permet de réaliser une compensation de la distorsion de croisement.

Figure 3 : Montage push-pull avec compensation de la distorsion de croisement par Ampli Op

Principe de la compensation de la distorsion de croisement par AO.La tension de sortie peut être exprimée à partir de la tension VBE et de la tension U.

UVV BES +=

Sachant que la tension de sortie de l’amplificateur opérationnel s’exprime en fonction de son gain et de ladifférence de potentiel entre ses entrées + et -, e, nous obtenons!: eAVS =

e s’écrit encore!: UVE -=eCeci conduit donc à UAAVV EBE )1( +-=

Le transistor conduit quand la tension VBE est supérieure à Eo. Juste avant que le transistor ne se mette àconduire, la tension U est nulle, la tension d’entrée requise pour mettre en conduction le transistor est doncEo/A.

Moralité!: Comme le gain de l’amplificateur opérationnel est très grand, la valeur seuil de la tension d’entrée àpartir de laquelle le transistor se met à conduire est très faible (c’est-à-dire très petite devant celleobtenue pour le montage initial).

-15V

R

2N2907

2N2222

u

ve

+15V

+

_

vs

evBE

TL081

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Le montage peut-il être considéré comme amplificateur!?Dans la mesure où U(t) ª VE(t) on ne comprend pas bien la notion d'amplification : le gain en tension est de 1 !Dans ce montage, la notion d'amplification est liée à la puissance : le courant débité par ce montage

"amplificateur" RU

i ech =arg est plus important que celui prélevé à la source initiale Ve(t) : i+(t) ª 0 !

Bien que l'on parle d'amplificateur, on ne peut pas associer de valeur numérique au gain de cet amplificateur.En effet : tout d'abord la puissance en entrée est nulle mais surtout, la puissance délivrée en sortie dépendde la charge ! On voit donc que la valeur du gain si on considérait une puissance en entrée non nulle,dépendrait de la charge : le gain ne serait pas propre à l'amplificateur (ce qui est la notion traditionnelle d'ungain d'un ampli).

Vérification du fonctionnement du montageL’effet de l’amplificateur opérationnel sur le comportement du montage peut être déterminé à partir durelevé des tensions d’entrée et de sortie du montage (mêmes réglages que précédemment). On obtient bienune tension de sortie identique à la tension d’entrée.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-6

-4

-2

0

2

4

6

Temps (ms)

Tensions (V)

EntréeSortie

Figure 4 : Compensation de la distorsion de croisement

La tension de sortie de l’amplificateur opérationnel est la suivante!:

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-6

-4

-2

0

2

4

6

Temps (ms)

Tension (V)

Figure 5 : Tension de sortie de l'amplificateur opérationnel

La tension de sortie de l’amplificateur correspond à la tension d’entrée «!décalée!» de Eo en amplitude. Cecipermet alors de ne plus avoir de zones pendant lesquelles l’amplitude de la tension d’entrée est inférieure àEo (phénomène entraînant les distorsions de croisement).

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Partie simulationMontage push-pull de baseLe montage réalisé sous Pspice est le suivant!:

Figure 6 : Montage push-pull réalisé sous Pspice

Le temps de simulation choisi est de 500µs afin d’avoir un nombre entier de périodes du signal). Ce montageconduit aux résultats suivants (ligne 1!: courants dans les collecteurs, ligne 2!: tension d’entrée et de sortie).

Time

0s 50us 100us 150us 200us 250us 300us 350us 400us 450us 500usV(V1:+) V(R1:1)

-5.0V

0V

5.0VIC(Q1) IC(Q2)

-50mA

0A

50mA

SEL>>

Figure 7 : Réponse du montage push-pull sous Pspice

On observe bien le phénomène de distorsion de croisement, expliqué auparavant. On détermine la valeur de latension Eo!: 0.6V.

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Ce phénomène sera peu pénalisant dès que l’on aura des signaux d’amplitude élevée (pour lesquels la tensionEo est négligeable devant l’amplitude de la tension). Par ailleurs, plus la fréquence des signaux sera élevée,moins le phénomène sera pénalisant (car se produisant rapidement).

Compensation de la distorsion de croisement par des sources de tensionL’amplitude des tensions V4 et V5 doit être choisie de manière à compenser la tension base-émetteur quientraîne le phénomène de distorsion de croisement. Ainsi l’amplitude doit donc être de 0.6V. La réponse dumontage est alors la suivante.

Time

0s 50us 100us 150us 200us 250us 300us 350us 400us 450us 500usV(V4:-) V(R1:1)

-5.0V

0V

5.0VIC(Q1) IC(Q2)

-50mA

0A

50mA

SEL>>

Figure 8 : Compensation des distorsions par sources de tension

Dans ce cas de fonctionnement, la valeur maximale des courants est de l’ordre de 48mA.

Evolution de la température (de 27°C à 125°C)La simulation conduit aux résultats suivants.

Time

0s 50us 100us 150us 200us 250us 300us 350us 400us 450us 500usV(V4:-) V(R1:1)

-5.0V

0V

5.0VIC(Q1) IC(Q2) I(R1)

-100mA

0A

100mA

SEL>>

Figure 9 : Réponse du montage pour une température de 125°C

Le courant dans la charge a augmenté. La tension de sortie est quasiment identique à son évolutionprécédente. La température élevée conduit à une diminution de la tension base-émetteur!: on déplace alors lepoint de polarisation du montage. Par ailleurs, on constate que les deux transistors se conduisent ensemblealors que le courant dans la charge est nul!; il existe un courant de «!circulation!».

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Ajout de résistances pour limiter la puissance dissipée dans les transistorsRôle des résistancesSupposons que la tension d’entrée est nulle, la tension de sortie l’est aussi. Le circuit est donc à l’équilibre.Pour des raisons de symétrie, nous pouvons alors considérer uniquement la partie haute du montage.

+15V

Q1

+0.6V

Figure 10 : Réponse du montage pour une température de 125°C

Lorsque VBE vaut 0.6V, le circuit est en équilibre et le transistor bloqué. Pour une température de 125°C, latension VBE devient inférieure à 0.6V!: on alors mise en conduction du transistor. De la puissance va donctransiter au niveau du transistor dont la température va augmenter!: on assiste alors à un phénomèned’emballement thermique.

Le diagramme par schéma blocs de ce fonctionnement est le suivant :

Figure 11 : Principe de l’évolution de la température du transistor

En supposant un point de repos où Ve=0 et en supposant que Vce ne dépend que très peu de Ve, on obtient : DP

Rth Dq

K = -2mV/°C DVbe DVe

Vce Suivant le montage

DIe -1

Dq

Figure 12 : Schéma bloc simplifié de l’évolution thermique du transistor

On a à faire à un système dont le gain de boucle est globalement positif. Celui est donc stable uniquement sile gain total est inférieur à 1 !

G = K . Vce . Rth = 0,002 . 15V . 83°/W = 2,5

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Pour limiter ce phénomène, on insère une résistance dans le circuit afin qu’ellelimite l’appel de courant dans le transistor sans introduire une chute de tensiontrop forte sur la tension de sortie. Cette résistance permet de compenser lachute de tension base-émetteur en fonction de la température comme le montrela figure suivante!:

Figure 13 : Réponse du montage pourune température de 125°C

Le principe de la régulation consiste donc à insérer des résistances de stabilisation de la température :

Figure 14 : Ajout d’une résistance pour la stabilisation de la température

Dimensionnement des résistance R2 et R3A l’aide du logiciel Pspice, il est possible de tester différentes valeurs de la résistance à ajouter afin deremplir les fonctions demandées.On voit que plus la résistance est forte, plus le gain est faible. L'ordre de grandeur de la résistance à insérerest de Re. G = 1 => Re = 2,5 W.

+Autre façon d’expliquer l’emballement thermiqueConsidérons les deux équations qui régissent le fonctionnement du transistor.

Équation thermique!: Th

ajd R

TTP

-=

Pd est la puissance fournie à la jonctionTj est la température de la jonction!; Ta est la température ambianteRTh est la résistance thermique de la jonction

La dérivée de la puissance par rapport à la température est alors!: Thj

d

RTP 1

=∂∂

Equation électriqueVDC

Q1

R2

+0.6V

C

EVCE

iC

VDC

Q1

R2

+0.6V

C

EVCE

iC

Figure 15 : Réponse du montage pour une température de 125°C

La puissance électrique peut s’écrire!: CCEd iVP .=

+15V

Q1

R2

+0.6V

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La tension collecteur émetteur peut encore s’écrire!: CDCCE iRVV .2-=

Au niveau de la maille passant par l’émetteur, on peut aussi écrire!: 2

6.0R

Vi BEC

-=

De ce fait, la puissance électrique s’écrit!: ( )2

22

2

6.0.6.0 ˜

¯

ˆÁÁË

Ê ---=

RV

RVR

VP BE

BEDC

d

La dérivée de cette expression par rapport à la température s’écrit alors!: 2

.R

VT

VTP DC

j

BE

j

d

∂∂

-=∂∂

Les échanges thermiques au niveau de la jonction peuvent donc conduire au schéma suivant

Thermique (A)

Electrique (B)

Pd Tj

Thermique (A)

Electrique (B)

Pd Tj

Figure 16 : Schéma bloc simplifié du couplage thermique-électrique

Ceci signifie qu’il existe un système bouclé dans lequel la puissance dissipée par la jonction et sa températuresont liées. L’augmentation de la température fait diminuer la tension base-émetteur et donc augmenter lecourant dans la jonction (et donc la puissance dissipée dans la jonction). On a donc affaire à un emballementthermique qui conduit à la destruction du composant.

Ce système sera stable si 1<AB !; ceci conduit à 1..2

<∂

∂- Th

DC

j

BE RR

VT

V

D’où!: DCj

BETh V

TV

RR ..2 ∂∂

>

Application numérique!: j

BE

TV∂

∂=-2mV/°C RTh = 83°C/W => R2 >2.5Ω

Test de la structure proposée sous Pspice (pour des résistances de 1W).La figure suivante présente les résultats de simulation pour l’ajout des résistance à la sortie des émetteurset une température de 125°C. On constate bien que les courants dans les transistors sont limités sans pourautant que la tension de sortie du montage soit diminuée.

Time

0s 50us 100us 150us 200us 250us 300us 350us 400us 450us 500usV(V4:-) V(R1:1)

-5.0V

0V

5.0VIC(Q1) IC(Q2) I(R1)

-50mA

0A

50mA

SEL>>

Figure 17 : Effets de la limitation de la dérive thermique (T=125°C)

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Remplacement des sources de tension par des diodesIl peut être intéressant de fonctionner avec des diodes en polarisation directe!: la tension à leurs bornes estproche de la tension de seuil ( de même valeur que la tension base-émetteur). Les résistances R4 et R5 sontprésentes dans le circuit afin de fixer le courant de polarisation dans les diodes.

Ajout des résistances pour régler le courant de polarisation des diodesPour calculer la valeur à donner aux résistances, nous allons négliger le courant de base devant le courantdans la diode. Nous prenons une tension d’entrée nulle pour déterminer le courant de polarisation.

+15V

Q1

R2

R4

Figure 18 : Calcul de la polarisation de la diode

L’équation liant la tension aux bornes de R4 et de la diode est!: 6.015 4 += DiRComme l’on veut un courant dans la diode de 2mA, on obtient une valeur de R4 de 7200W.La figure suivante présente les résultats de simulation pour l’introduction des diodes et des résistances R4et R5 dans le schéma.

Time

0s 50us 100us 150us 200us 250us 300us 350us 400us 450us 500usV(D1:2) V(R1:1)

-5.0V

0V

5.0VIC(Q1) IC(Q2)

-50mA

0A

50mA

SEL>>

Figure 19 : Compensation de la distorsion de croisement à l’aide de diodes