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1.Easy to use and quick to get started

2.The process supports design scales of 300 devices or 1000 pads

3.Supports simple circuit simulation

4.For students, teachers, creators

Profession

1.Brand new interactions and interfaces

2.Smooth support for design sizes of over 30,000 devices or 100,000 pads

3.More rigorous design constraints, more standardized processes

4.For enterprises, more professional users

Std edition Le Cube de M Plantefeve

Profile:Amplificateur audio conçu par M Plantefevre. Version par Frank G

License: Domaine public

Published Time: 2022-04-30 21:47:37
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Description

kLe circuit électronique du Cube


L’école suivie avance ce duo conceptuel : une performance suffisante en mesures classiques et l’épure en nombre de composants. L’outil premier fut la simulation Spice avec des modèles d’origine constructeurs pour les transistors.
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L’envie est une faible distorsion d’enveloppe ou mémoire. Distorsion dynamique difficile à mesurer, voire à simuler, mais d’importance à l’écoute musicale. Le compromis consenti est une distorsion harmonique non abyssale à condition que le dégradé valorise l’harmonique 2.

A l’appairage de transistors, on s’aperçoit immédiatement des changements de courants avec la montée en température, on peut même aller à l’emballement avec la technologie bipolaire. Pour limiter cette distorsion thermique (ou mémoire), le choix des transistors s’est fait en technologies et taille de puce, mais sans complexifier le schéma, au contraire.

L’absorption diélectrique aux condensateurs sur signal (là aussi source de distorsion mémoire) est contrée par l’élimination de ce type de condensateur. C’est ainsi que le Cube se retrouve DC coupled. La taille de la carte de circuit imprimé est voulue faible, dans le même principe.
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Le schéma a trois étages et met en œuvre un asservissement en tension de la sortie, avec une impédance de sortie assez faible pour un comportement constant face aux variations de charges sur enceintes d’impédance minimale de 4 ohms. La structure, pour reprendre la littérature, est celle d’un CFA (Current Feedback Amplifier). Cela signifie que l’erreur entre entrée et sortie est d’abord traitée en courant. Le réseau de contre-réaction doit être alors à faible impédance.

\\mac-groupe.net\data\Personnels\fgu\Documents\PERSO\ELEC AUDIO\Le Cube\Cube_0b.PNG


Le premier étage est à transistors Fets LSK170A, l’absence de courant de commande (de grille) évite la génération d’une tension d’offset en entrée de circuit. Le Vgs négatif auto-polarise le différentiel mono-transistor (branche positive), l’asymétrique de l’étage conserve la distorsion de rangs pairs. La réjection des bruits d’alimentation est assurée par un même transistor en générateur de courant (branche négative) aussi auto-polarisé, à 1,2mA. Les résistances de source sont des duos série, résistance fixe et ajustable, pour un réglage fin de courant de repos et d’offset. Le gain de cet étage est de +8dB. Le Slew Rate est à 0,6mA/[30pF·10^6]=20V/µs (30pF est la capacité parasite Cbc du MJE253 aval) alors que le Signal Slope d'un sinus de 20kHz à 25V crête est de 3,14V/µs. La distorsion d'intermodulation transitoire est écartée.

Le deuxième étage est symétrique en schéma mais asymétrique en fonctionnement. Le bipolaire PNP de la branche positive est en amplification (émetteur commun, x320, +50dB), le NPN de la branche négative est en générateur de courant (environ 12mA). Par effet Miller au PNP, le pôle de boucle ouverte est à environ 16kHz (1/[2·pi·1kΩ·30pF·320]). La puce 4A a une résistance thermique transitoire stable à l’échelle des transitoires audio.

L’étage de sortie utilise des mosfets «lateral structure» caractérisés par leur coude progressif et leur indifférence thermique à 100mA, le courant de repos pour une classe B linéaire. Ce push-pull est suiveur (drain commun) avec une transconductance de 1A/V (1A/V·8Ω/[1+1A/V·8Ω]= 0,9). La capacité parasite d’entrée de ce push-pull est d’environ 500pF/(1+1A/V·8Ω) = 55pF, le courant très faible d’entrée permet une attaque à haute impédance (environ 12kΩ) directement par le deuxième étage. Pas de thermomètre nécessaire, polarisation simplement résistive, pas d'inertie thermique à la mesure.

Le réseau résistif de contre-réaction (1+1kΩ/68Ω=15,7) réinjecte à -24dB. Le gain de chaîne directe étant de +58dB, le gain de boucle ouverte est de 34dB. Le gain effectif en boucle fermée est de +23,7dB, la bande passante est à 500kHz.



https://forums.melaudia.net/attachment.php?aid=21950   

\\mac-groupe.net\data\Personnels\fgu\Documents\PERSO\ELEC AUDIO\Le Cube\liste.PNG

Le sandwich :

flasque dissipateur du Galaxy percé à 3.25mm dans l'axe d'une rigole réceptrice d'écrou M3 (pas de taraudage)

semelles Keratherm (white ou mieux, pink)

Mosfets (tête en bas)

entretoise Teflon 4mm en 80mm*20mm

circuit imprimé

vis-rondelles M3 en serrage mesuré

Cette entretoise est également sur le Cube. Elle permet un montage thermique direct des transistors sur le dissipateur, sans maltraiter les broches grâce à un pliage plus souple. Ce lien court vers le dissipateur, c'est moins de résistance thermique totale, mais c'est aussi une inertie thermique plus grande aux puces (moins de distorsion d'enveloppe ?).

Le Teflon, pour une stabilité métrique face aux variations de température et face au fil des ans. La constance de la force d'appui en dépend. (un ami Bruxellois m'a un jour dit que je construisais mes électroniques pour mes petits-enfants Wink)

Protocole de montage (une fois tous les petits composants soudés et les coupes nettoyées de leur déchets à l'acétone et au fin pinceau) :

  • plier les broches aux transistors à la bonne côte, suivant l'épaisseur de l'entretoise
  • serrer avec vis-écrous le sandwich pcb-Tefon-transistors
  • souder les pins, côté cuivre puisque pcb simple face
  • enlever les vis-écrous, les remonter et les resserrer pour le sandwich pcb-Teflon-transistors-Keratherm-dissipateur

L'oxyde d'aluminium (Al2O3) en céramique est effectivement meilleur conducteur thermique que l'élastomère du Keratherm Pink. (Lambda respectivement de 25 W/mK et 3.5W/mK). Toutefois, ce qui nous intéresse, c'est la résistance thermique effective : Rth = épaisseur/(Lambda*S) ; en K/W

Une semelle souple Keratherm Pink de 0.225mm, c'est une épaisseur 9 fois inférieure au 2mm d'une semelle de céramique. Pour une même surface S, on revient à un Rth comparable. Ou, il faut passer à des épaisseurs plus fines, avec le risque d'une casse au serrage de ce matériau rigide. Et cette même rigidité demande une pose de graisse thermique pour combler les aspérités.

Quant à la tension minimum pour un fonctionnement optimal, je dirais +/-18Vdc. Et je conseillerais de ne pas dépasser +/-34Vdc Dans ce dernier cas, dissipation et puissance au transformateur sont à recalculer à la hausse.

Il est vrai que ma mise en équation de la puissance nominale de sortie était peu didactique. Effectivement, le 2 des dénominateurs au message #15 est issu de la racine de 2 au carré :

Voilà qui est bien précis ! A cette lecture, un Cube en version 40W/8R (le projet original) semble fort pertinent. Avec rails à +/-31Vdc (transfo 300VA 2*22Vac), coffret Galaxy Maggiorato 4U GX283 230*230mm.


https://forums.melaudia.net/attachment.php?aid=20216       

ALIMENTATION

Le torique Toroidy Audio Grade est choisi pour la présence d'un écran inter-enroulements permettant de diminuer fortement la capacité parasite entre primaire et secondaires. Objectif : moins de perturbations par bouclage une fois une source connectée.

Le redressement à deux ponts, pour découpler le point milieu du transformateur secteur du zéro signal. Ponts intégrés rustiques mais solides, plutôt que huit diodes Sic rapides mais de chute d'insertion plus importante, plus fragiles et bien plus coûteuses.

2*12 condensateurs de 2200μF.(2*26400μF) Panasonic série FR et un circuit imprimé pour une configuration en micro-pi résistif pour ce réservoir filtrant.
https://forums.melaudia.net/attachment.php?aid=20217

L’écran du torique est à la terre (ou PE du secteur). Le coffret est au zéro signal par les deux RCA d’entrée en face avant, non isolées et à proximité immédiate du potentiomètre de volume. Par le design et l’implantation de la platine de filtrage, la surface de la boucle de masse est faible.

APPAIRAGE

https://forums.melaudia.net/attachment.php?aid=20273    :

Pour les Exicon ECX10N20 et ECX10P20, mieux vaut mesurer ses exemplaires en Vgs pour d=100mA et ainsi calculer la résistance amont de polarisation. Sur mon proto : (0.39V+0.82V)/12mA = 100R (110R avec les modèles Spice). Résistance de Grille (330) et découplage Drain Source (1μ) durant la manip.

Les LSK170A (ou 2SK170GR) peuvent aussi être mesurés en Id avec Rs=150R. Pour Id autour de 1.2mA, il peut être nécessaire d’ajuster Rs et donc les 100R fixes faisant duo avec les ajustables 100R.

Les MJE243 et MJE253 sont simplement triés pour implanter les Beta les plus élevés. Un petit rappel sur les schémas associés à ce genre de mesures :

lire la valeur au premier coup d’œil, à la même température (ambiante) pour chaque série, sinon échauffement et disparité pointent.

- LSK170A : 2SK170GR : 2.6/6.5mA : 100R+100R
- LSK170B : 2SK170BL : 6/12mA : >2*100R (330R+100R ?)
- LSK170C : 2SK170V : 10/20mA : >>2*100R (680R+100R ?)

Quand on a le choix : LSK170A : 2SK170GR, pour respecter la fonction de transfert recherchée à la conception.

REGLAGES

C’est essentiellement un choix de compromis entre rendement (dissipation) et linéarité en boucle ouverte. Pour ce qui est du courant de repos avec ces puces Mosfets lateral structure, on peut observer une première jonction linéaire (classe B) des courbes Id=f(Vgs) en N et P vers 100mA avec en bonus, une polarisation en indifférence thermique.

https://forums.melaudia.net/attachment.php?aid=21490  

Tous deux servent à régler et offset, et courant de repos. Au maximum de leur valeur ohmique à la première mise sous tension, le premier courant de repos sera non excessif. Enceintes non raccordées, cinchs d’entrée shuntées (volume à zéro si un Alps est intégré), deux multimètres, cordons banane / fast-on pour la mesure en intensité. Ajuster progressivement et tour à tour pour atteindre une tension continue en sortie proche de zéro (inférieure à +/-40mV) et une intensité d’alimentation donnant entre 110mA et 120mA. Affiner après un quart d’heure de chauffe et vérifier à nouveau après stabilisation en température.

  • ajustables au maximum de leur valeur ohmique pour la première mise sous tension
  • un canal à la fois (l’autre aux rails d’alim déconnectés)
  • enceinte non raccordée
  • cinch d’entrée shuntée (volume à zéro quand un Alps est intégré)
  • un multimètre en Adc, deux cordons banane / fast-on pour la mesure du courant de repos, rail positif ou rail négatif
  • un multimètre en Vdc, deux cordons bananes en sortie HP, ou grip-fil en amont de la protection si présente
  • ajuster progressivement et tour à tour pour atteindre une tension continue en sortie proche de zéro (inférieure à +/-40mV) et une intensité d’alimentation donnant entre 110mA et 120mA
  • affiner après un quart d’heure de chauffe et vérifier à nouveau après stabilisation en température.

Mesure deux tons (200Hz ; 2kHz ; ratio 1:1), le Cube chargé par 8 Ohms. En fait dix résistances de 0.8R en série. Crête de 10V.
https://forums.melaudia.net/attachment.php?aid=21160
Division de tension par dix, connexion à l’entrée de la carte son ESI U24XL. Analyser Arta.

https://forums.melaudia.net/attachment.php?aid=21161  

cablage

Il y a plusieurs configurations possibles en matière de sécurité. Effectivement, le coffret relié au PE du secteur (jaune/vert) est la configuration la plus habituelle dans le monde de l’amplification DIY (déclenchement du DDR en cas de défaut d’isolement entre circuit et coffret). Mais pour ce Cube à vocation Haut-Rendement et donc à très faible bruit, j’ai préféré une autre configuration :

transformateur à écran inter-enroulements, relié au PE

coffret relié au 0V signal par les cinchs non isolées et à faible entraxe

pour des mosfets montés sur des dissipateurs au 0V plutôt qu’au PE relié à l’écran inter-enroulements

Alors, les points essentiels pour prévenir par isolation renforcée de tout défaut, sont :

  • transformateur monté sur semelle isolante (épaisse)
  • transformateur à noyau résine, sans coupelle métallique de fixation
  • embase secteur à fusible et interrupteur intégré, avec connecteurs à cabochons isolants (ce qui manque sur la réalisation d’Hervé)


Beaucoup d’amplificateurs commerciaux sont dans le même cas de classe II (isolation renforcée et non liaison au PE).

Côté amplificateur, pas d’autre connexion entre « 0 droit » et « 0 gauche ». Et pas de liaison au PE. Donc liaison de masse (« 0 ») par voie mono :

entre cinch et carte amplificatrice

entre carte amplificatrice et carte de filtrage

entre carte de filtrage et borne HP noire

Modules de sécurité : pour ne pas former une boucle réceptrice de bruits BF sur le « 0 » et continuer de profiter de l’intérêt du double mono sur ce point, n’utiliser le module que pour le trajet puissance vers borne rouge :

relier directement le « 0 » carte de filtrage à la borne noire qui sera isolée du circuit imprimé

relier la Fast-On « 0 » du module à la masse cinch*

*Les 2 cinchs non isolées et donc conduisant le « 0 » au coffret sont en plus liées par un pont en 1mm² cuivre rigide soudé entre les œillets de masse, qui lui-même en son milieu peut recevoir le fin fil (simple prise de potentiel) venant de la Fast-On module.

Isolation face au secteur : Les transfos audio-grade Toroidy à écran inter-enroulements font le job, mais il ne faudrait pas gâcher cela par l’insertion du transfo 12V pour les deux sécurités. Quel modèle utilises-tu ?

Pour le Cube :

ajustables au maximum de leur valeur ohmique pour la première mise sous tension

un canal à la fois (l’autre aux rails d’alim déconnectés)

enceinte non raccordée

cinch d’entrée shuntée (volume à zéro quand un Alps est intégré)

un multimètre en Adc, deux cordons banane / fast-on pour la mesure du courant de repos, rail positif ou rail négatif

un multimètre en Vdc, deux cordons bananes en sortie HP, ou grip-fil en amont de la protection si présente

ajuster progressivement et tour à tour pour atteindre une tension continue en sortie proche de zéro (inférieure à +/-40mV) et une intensité d'alimentation donnant entre 110mA et 120mA

affiner après un quart d'heure de chauffe et vérifier à nouveau après stabilisation en température.

*******

L'occasion de présenter une application au magnifique petit logiciel qu'est SMath Studio.
https://forums.melaudia.net/attachment.php?aid=22242   
En pièce jointe le fichier interactif, il suffit après téléchargement de remplacer l'extension .txt par .sm ; les différents gains sont recalculés à la saisie d'autres valeurs en R12 et R13. Simplifier en considérant A tendant vers l'infini, conduit le gain de 23,7dB à 23,9dB. On peut donc en pratique utiliser directement la formule G=20*log(1+R12/R13).

*************

Quand l"enceinte est à faible impédance et/ou à faible sensibilité, un Cube à faible impédance de sortie et à forte capacité en ampères est à double push-pull d’Exicon.


https://forums.melaudia.net/attachment.php?aid=23910 

******************  

Tous deux servent à régler et offset, et courant de repos. Au maximum de leur valeur ohmique à la première mise sous tension, le premier courant de repos sera non excessif. Enceintes non raccordées, cinchs d’entrée shuntées (volume à zéro si un Alps est intégré), deux multimètres, cordons banane / fast-on pour la mesure en intensité. Ajuster progressivement et tour à tour pour atteindre une tension continue en sortie proche de zéro (inférieure à +/-40mV) et une intensité d’alimentation donnant entre 110mA et 120mA. Affiner après un quart d’heure de chauffe et vérifier à nouveau après stabilisation en température.

design drawing
schematic diagram
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PCB
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ID Name Designator Footprint Quantity
1 100u C1,C2 CAP-D12.5×F5.0 2
2 1uF C3,C4 CAP-TH_L7.2-W6.0-P5.00-D0.6 2
3 LSK170A J1,J2 TO92-DGS 2
4 Faston-Male J7,J8,J9,J10 FASTON 4
5 MJE253G Q1 TO-225-3_L7.6-W2.8-P2.54-L 1
6 MJE243G Q2 TO-225-3_L7.6-W2.8-P2.54-L 1
7 100K R1 R_AXIAL-0.4 1
8 330 R2,R10,R11 R_AXIAL-0.4 3
9 1K R3,R6 R_AXIAL-0.4 2
10 100 R4,R5,R8 R_AXIAL-0.4 3
11 200 R4X,R5X POTENTIOMETER_TRIMMER_BOURNS_3299X 2
12 47 R7,R9 R_AXIAL-0.4 2
13 x R8X R_AXIAL-0.4 1
14 1k R12 R_AXIAL-0.6 1
15 68 R13 R_AXIAL-0.4 1
16 2SK1058 U1 TO247BH 1
17 2SJ162 U2 TO247BH 1
18 5009 U3,U4 TEST-TH_BD3.18-P1.93 2

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