Dernière mise à jour : 05/01/2010
Présentation
Wattmètre 10 leds à circuit intégré, pour
visualisation puissance en sortie amplifiée HP d'un
amplificateur
BF sur une plage de puissance comprise entre 0 W et 100 W, basé
sur l'emploi d'un LM3915 (plage de puissance modifiable, voir texte).
Comme le circuit intégré principal utilisé est
un LM3915, vous avez droit à une
échelle de type logarithmique (pas de 3 dB entre chaque led) et à la possibilité
de choisir entre mode d'affichage point (une seule led allumée
à la fois) et mode d'affichage baregraphe (ou ruban ou barre, nombre de
leds allumées dépendant de l'amplitude du signal
appliqué à l'entrée). Trois versions légèrement différentes sont
proposées :
- Schéma 001a : version un peu plus simple;
- Schéma 001b : version un peu plus compliquée,
- Schéma 001c : version plus simple que celle un peu plus simple.
Alimentation requise différente selon version : +12 V, entre +15
V et +24 V (régulation interne wattmètre en
+12 V), ou entre +27 V et +50 V (régulation interne
wattmètre en +24 V, repiquage dans alim puissance de l'ampli BF
possible, voir
texte).
Avertissement
Les
indicateurs de puissance décrits ici sont prévus pour
être raccordés en parallèle sur un HP. Pour une
installation stéréo, il faut réaliser deux
exemplaires identiques, un pour chaque HP. Ces montages doivent
être uniquement raccordés en sortie d'un
amplificateur dont la sortie "moins" est commune avec la masse de
l'amplificateur. Pour une exploitation sur un amplificateur BF de
type ponté, merci de bien lire le
paragraphe traitant du sujet. Un mauvais branchement pouvant dans le
pire des cas occasionner une panne de l'amplificateur BF, il est
impératif de bien comprendre comment s'opèrent les
raccordements, et de ne rien tenter si le moindre doute subsiste.
Schéma 001a
Le voici dans son intégralité, redresseur BF et régulation
d'alimentation compris.
Schéma 001a
Circuit d'affichage
La circuiterie d'affichage est
réduite à sa plus simple expression grâce à
l'emploi d'un circuit intégré de type LM3915, qui
comporte tous les comparateurs et
ponts diviseurs résistifs permettant de définir les
différents
seuils d'allumage des dix leds qu'il pilote. Ont
été ajoutés à ce circuit
spécialisé d'affichage, deux résistances
permettant de définir le seuil d'allumage de la dernière
led (D10) et par là-même, de définir le seuil
d'allumage de toutes les autres leds. Dans le cas présent, la
dernière led s'allume pour une puissance crête de 100 W
aux bornes du HP, ce qui correspond à une tension crête
d'un peu plus de 20 V (explication plus loin).
Mode d'affichage
Le cavalier JP1 permet de choisir le mode d'affichage. Si JP1 est
en place, l'affichage se fait en mode barre (BAR), et si JP1 est
retiré (broche 9 du LM3915 laissée en l'air), l'affichage
se fait en mode point (DOT).
Atténuateur d'entrée
Les deux résistances R1 et R2 sont montées en diviseur résistif
de tension, et permettent d'atténuer la tension
récupérée aux bornes du HP, pour disposer d'une
tension raisonnable pour la suite des opérations. Comme
l'alimentation du LM3915 se fait sous 12 V, il est bien que la tension
appliquée sur l'entrée de mesure (borne 5) ne soit pas
trop supérieure à cette tension d'alim (pour ne pas
"saturer" le circuit ni même risquer de
l'endommager). Ici, choix est fait de disposer d'une tension d'environ
+9,1 V pour représenter une puissance de 100 W aux bornes du HP.
Pourquoi ? Parce que la diode D11 en série avec le signal
d'entrée "bouffe" quelques centaines de mV, et que l'on peut
estimer qu'une tension crête de 10 V peut, après passage
dans ladite diode, être comprise entre 9,1 V et 9,4 V (la chute
de tension d'une diode silicium comme celle employée ici est
voisine de 0,6 V). On peut donc décider - de façon tout
à fait arbitraire - que la tension de référence
haute du circuit d'affichage sera de 9,1 V, ce qui est obtenu ici
grâce aux résistances R6 et R7. Pour résumer et
pour être peut-être un peu plus clair, il nous faut environ
10 V crête après
l'atténuateur d'entrée pour allumer la dernière
led D10. Si l'atténuateur provoque une atténuation de 2
(les deux résistances R1 et R2 ont même valeur), il faudra
20 V crête avant l'atténuateur
d'entrée pour allumer la dernière led D10. Et comme la
tension avant atténuateur d'entrée correspond à la
tension récupérée sur le HP, on peut avouer la
chose suivante :
Cette tension de 20 V, développée sur une charge (HP) de 4 ohms, produit une puissance de :
P = (U * U) / R
P = 400 / 4 = 100 W
Ca va, ça colle pour notre HP de 4 ohms.
Maintenant, que faut-il modifier si le HP sur lequel on raccorde le
wattmètre, est un modèle 8 ohms ? Et bien tout d'abord,
calculons la tension crête correspondant à une puissance
de 100 W pour une telle charge de 8 ohms.
P = (U * U) / R
P = (U * U) / 8 = 100 W
(U * U) = 100 * 8 = 800
U = 28,3 V
Avec une charge de 8 ohms, il faut dont atténuer la tension de
28 V (excusez mon indélicatesse, j'ai arrondi) pour obtenir une
tension de 10 V. Et bien cela n'est guère compliqué car
si on choisit nos deux résistances d'atténuateur
d'entrée R1 et R2 avec une valeur résistive de 1 KO par
volt, on en déduit que s'il faut "retenir" 18 V et garder 10 V,
on peut prendre une résistance de 18 KO pour R1 (18 KO pour 18
V) et une résistance de 10 KO pour R2 (10 KO pour 10 V).
Maintenant, que faut-il modifier si le HP sur lequel on raccorde le
wattmètre, est un modèle 16 ohms ? Même raisonement
que précédement, et donc mêmes formules :
P = (U * U) / R
P = (U * U) / 16 = 100 W
(U * U) = 100 * 16 = 1600
U = 40 V
Avec une charge de 16 ohms, il faut atténuer la tension de 40 V
pour obtenir une tension de
10 V. Si une fois encore (et on n'a pas de raison particulière
de changer) on choisit nos deux
résistances d'atténuateur d'entrée R1 et R2 avec
une valeur résistive
de 1 KO par volt, on en déduit que s'il faut "retenir" 30 V et
garder
10 V. On peut donc prendre une résistance de 30 KO pour R1 (30
KO pour 30 V)
et une résistance de 10 KO pour R2 (10 KO pour 10 V). Notez que
cette notion de 1 KO / volt est purement arbitraire et que je l'ai
choisie un peu au hasard, on peut bien sûr adopter d'autres
valeurs de résistances (mais en gardant des rapports
identiques), par exemple en utilisant pour R1 et R2 deux
résistances de 4,7 KO au lieu de deux résistances de 10
KO, en mode 100 W sous 4 ohms.
Le mot du sage : "Les calculs
théoriques qui précédent supposent que
l'impédance d'entrée du circuit de mesure qui suit les
deux résistances de l'atténuateur d'entrée (R1 et
R2) soit infinie. Si ce n'est pas le cas, vous devez estimer l'erreur
de mesure qui peut en résulter, et évaluer si cette
dernière est tolérable ou non".
Ma réponse : Remarque
fort judicieuse, merci. On trouve en effet une résistance R5
après la diode D11, qui s'ajoute en parallèle sur R2
quand D11 conduit. Mais comme R5 a une valeur bien supérieure
à R2 (cent fois plus grande), on peut considérer qu'ele
est négligeable. Et pour couronner le tout, la diode D11
elle-même présente une résistance dynamique qui
n'est pas nulle, on peut donc la voir associée à R5 comme
formant un second pont diviseur d'entrée, monté en
série avec le premier. Oui, mais ce deuxième pont
diviseur atténue très peu, puisque la valeur
résistive de la diode D11 est très faible devant celle de
R5. Et vous savez quoi ? Cette petite atténuation
complémentaire nous arrange dans notre cas car il nous restait
quelques mV "en trop" après le redressement.
Le sage : "Votre affaire ne me
parrait pas très calculée dans l'ensemble, vous ne pouvez
pas atteindre une précision d'affichage de 1 %".
Ma réponse : Ca tombe
bien, une telle précision n'est pas recherchée, on ne
veut pas un mesureur de laboratoire, mais un indicateur qui donne une bonne idée de la puissance délivrée
par l'amplificateur. De toute façon, l'impédance du HP
sur lequel on va se raccorder n'est pas "plate" sur la totalité
de la plage de fréquences couvertes, alors que la valeur de
puissance affichée est supposée valable pour une charge
fixe de 4 ohms. Bref, l'idée est d'avoir une valeur
affichée assez fidèle, même si dans la pratique on
arrive à quelques 10 % d'erreur. Pour rappel, l'écart
entre chaque led correspond à 3 dB, ce qui équivaut en
puissance à une évolution du simple au double (25 W pour
une led, à 50 W pour la led suivante, par exemple). L'important
est de ne pas se limiter à une précision de 50 %...
Circuit de redressement
Le circuit d'affichage LM3915 réclame sur son entrée
principale (broche 5) une tension positive par rapport à la masse, et le signal audio
disponible en sortie HP de l'amplificateur BF sur lequel on se
raccorde, est de type alternatif. Il est préférable - mais pas impératif -
de procéder à un redressement du signal alternatif pour
en obtenir une tension continue de valeur proportionnelle, c'est le
rôle confié à la diode D11, et au condensateur C1,
qui opèrent tout deux un redressement de type mono-alternace.
Une résistance R5 placée en parallèle sur C1
permet de décharger ce dernier en absence de modulation, ou
quand tout simplement l'amplitude du signal BF diminue. Le but du
montage n'est pas de mémoriser les crêtes, je vous assure
qu'il est pénible de voir un wattmètre afficher la valeur
25 W pendant plusieurs secondes après coupure du son...
Temps (vitesse) de réaction de l'affichage
Ce qu'on appelle le temps de réponse est défini par le
temps mis par l'affichage pour montrer une valeur proche de la
réalité en un temps donné (par exemple affichage
de 95 % de la valeur réelle en 0,3 seconde). Si le temps de
réponse est long, on ne peut pas visualiser les crêtes
(les pics de forte de puissance ne se voient pas), et si le temps de
réponse est court, c'est l'inverse. Cool. La "constante de
temps", terme rébarbatif également employé
à l'école, est défini par la résistance
dynamique de la diode D1 (sa résistance interne) et par la
valeur de C1. Pour ce qui est de la résistance interne de la
diode, elle est assez faible quand elle conduit. Quant à la
valeur du condensateur, c'est celle qui est inscrite dessus. Vous
pouvez vous amuser à changer le condensateur C1 par un autre de
valeur plus faible (réactivité d'affichage plus grande)
ou plus forte (réactivité moindre), pour voir comment se
comporte l'affichage. Ne comptez pas pouvoir ouvrir la diode pour
gratter sa "puce" en vue de réduire sa résistance
dynamique, ou pour y ajouter de la patte à modeler pour
l'augmenter, le jeu n'en vaut pas la chandelle et vous risquez de vous
couper. Pour la durée d'extinction de l'affichage, vous pouvez
jouer sur la valeur de R5 : plus sa valeur est faible et plus le
condensateur C1 se décharge vite, et plus les leds
s'éteignent vite quand le son diminue ou disparait. Mais
attention, rappelez-vous que R5, d'un point de vue dynamique (quand il
y a du son), est en parallèle avec R2, et que si R5 est trop
faible, on ne pourra plus dire qu'on peut négliger sa
présence pour le calcul d'atténuation du pont diviseur
d'entrée. Si vous augmentez la valeur de R5 au point de la
supprimer complètement (résistance infinie), vous pourrez
alors vraiment la négliger. Mais entre nous, est-il vraiment
nécessaire de négliger quelque chose qui n'existe pas ?
Simplification possible ?
On
trouve des schémas
où le signal audio venant du HP est transmis directement sur la
broche
5 du LM3915, en passant juste au travers du pont diviseur
résistif
d'entrée R1 / R2, et où les composants qui suivent (D11,
C1 et R5)
n'existent tout simplement pas. Cette façon de faire est
autorisée car
le LM3915 est équipé en interne d'une diode qui supprime
(presque
complètement) les alternances négatives du signal issu du
HP. L'ajout des trois composants en question permet de jouer facilement
sur le temps de réponse et le temps de relachement de
l'affichage, c'est pourquoi je l'ai mis en place. Bien entendu, vous
êtes invité à voir ce qui se passe en pratique
quand ces composants sont mis en place ou retirés.
Pas de condensateur de liaison en entrée ?
Surprenant.
Que se passerait-il donc si une tension continue de 20 V arrivait
à
l'entrée du wattmètre ? Et bien voyez-vous, dans ce cas
là, je me
poserais plutôt la question de savoir si le HP est toujours en
bonne
santé... Il existe plusieurs topologies de sortie
d'amplificateurs BF, pour lesquels l'étage de sortie (de
puissance) est alimenté sous une tension simple (unique) ou
double (symétrique). Dans le premier cas (alim unique), un gros
condensateur de liaison est installé en série avec la
sortie de l'amplificateur pour couper la composante continue qu'il
fournit obligatoirement. Et dans le second cas (alim
symétrique), il n'y a pas de condensateur de liaison car la
sortie au repos, présente une tension continue faible ou nulle.
Si en absence de signal sonore utile en sortie de l'ampli vous voyez
plusieurs leds allumées de façon permanente sur le
wattmètre, il est certain que quelque chose ne va pas.
Modification de la pleine échelle d'affichage
Les valeurs des composants utilisés ici ont été
calculées pour permettrent une plage d'affichage de 100 W pleine
échelle. Il est possible de modifier cette plage, pour disposer
d'une pleine échelle de 50 W ou d'une pleine échelle de
300 W, par exemple. Pour afficher une puissance plus importante, il
suffit d'augmenter la valeur de R1, afin d'atténuer plus la
tension prélevée aux bornes du HP. Si la tension
crête est d'environ 20 V pour 100 W sous 4 ohms, elle est
différente pour d'autres valeurs de puissance et doit donc
être traitée en conséquence. Le tableau qui suit
indique la valeur à donner à R1 en fonction de la
puissance maximale à afficher (pleine échelle) et de
l'impédance du HP (R2 valant toujours 10 KO).
Puissance max
|
HP 4 ohms
|
HP 8 ohms
|
HP 16 ohms
|
50 W
|
R1 = 4,3 KO
|
R1 = 10 KO
|
R1 = 18 KO
|
100 W
|
R1 = 10 KO
|
R1 = 18 KO
|
R1 = 30 KO
|
150 W
|
R1 = 15 KO
|
R1 = 24 KO
|
R1 = 39 KO
|
200 W
|
R1 = 18 KO
|
R1 = 30 KO
|
R1 = 47 KO
|
250 W
|
R1 = 22 K0
|
R1 = 36 KO
|
R1 = 56 KO
|
300 W
|
R1 = 24 KO
|
R1 = 39 KO
|
R1 = 62 KO
|
350 W
|
R1 = 27 KO
|
R1 = 43 KO
|
R1 = 68 KO
|
Remarques
- Certaines valeurs de résistance (R1) ont été arrondies pour coller à la série de valeurs normalisées E12 ou E24.
- On utilise rarement un ampli délivrant plusieurs centaines de
watts sous 16 ohms, les valeurs sont plutôt données
à titre indicatif.
Régulation de tension
Le wattmètre est alimenté sous une tension
stabilisée de +12 V par rapport à la masse, et cette
tension est obtenue par un régulateur de tension
intégré de type LM7812. Si vous disposez
déjà d'une tension régulée de +12 V, vous
pouvez ignorer ce régulateur et les composants qui tournent
autour de lui. Ce type de régulateur supporte une tension
continue d'entrée de 35 V au maximum. Si la tension dont vous
disposez est supérieure à cette valeur, il faut utiliser
un régulateur d'un autre type, comme le régulateur
programmable TL783 mis en oeuvre dans le wattmètre 001b
décrit ci-après.
Résistances perdues ?
On ne voit pas de résistance nommée R3 ni R4 sur le
schéma, on passe directement de R2 à R5. Une erreur ? Non
point. Je sais que ça ne se fait pas, mais j'ai voulu conserver
une certaine similitude au niveau des appellations des composants entre
les deux versions 001a et 001b. Tout simplement.
Schéma 001b
Cette version est destinée à être intégrée directement dans l'ampli, en
se repiquant sur son alim d'origine.
Schéma 001b
Circuit d'affichage
Pas beaucoup de différences avec le circuit
précédent (001a), si ce n'est une valeur
légèrement plus faible pour R6, qui passe de 430 ohms
à 390 ohms, modifiant un peu le seuil haut d'allumage des leds.
En réalité, ce schéma est basé sur un
circuit proposé par le fabricant du LM3915, et chose
plutôt curieuse, je n'ai pas modifié la valeur de cette
résistance. Pour ce qui est du mode d'affichage "Barre" ou
"Point", même chose que précédement, le choix est
effectué grâce à la présence ou l'absence du
cavalier JP1.
Circuit d'entrée
Là, on voit qu'un transistor (Q1) a été
ajouté entre le pont diviseur d'entrée
(l'atténuateur) et le circuit d'affichage LM3915. Ce transistor
permet de disposer d'une impédance un peu plus
élevée en entrée du circuit de mesure, et peut
faire office de "fusible" en cas de problème à
l'entrée, bien que ce ne soit pas du tout son rôle
premier. Etant monté en suiveur de tension, on retrouve sur son
émetteur, la tension que l'on peut mesurer sur sa base, à
laquelle ont été ajoutés (et non
retranchés, pour une fois) quelques 600 mV à 700 mV. Il
n'est pas inutile de rappeler que les alternances positives (par
rapport à la référence qui est la masse) "passent"
au travers du transistor Q1, alors que les alternances négatives
sont bloquées par ce dernier. On pourrait alors se demander
à quoi peut bien servir la diode D11, qui redresse en
mono-alternance un signal qui est déjà redressé en
mono-alternance... Et bien dans le cas présent, cette diode joue
juste le rôle d'une "barrière" à sens unique, qui
évite au condensateur C1 de se décharger dans le circuit
situé avant lui. Le contrôle de la décharge de ce
condensateur est donc entièrement laissé à la
bonne volonté de la résistance R5, dont la valeur
toujours élevée permet une décharge lente du
condensateur C1 par rapport au temps de charge qui lui est bien plus
rapide. Bref, une petite variation musicale en transistor mineur,
histoire de montrer une fois de plus, si besoin était, que les
concepteurs ont toujours des idées à revendre. Tiens, en
parlant de musicalité, je vous invite à écouter,
par simple curiosité, le son qui est disponible sur l'anode de
la diode D11 (et sur l'émetteur de Q1) quand le montage est
branché en sortie d'un ampli qui sort quelque chose. Vous me
direz ce que vous en pensez... Le pont diviseur R1 / R2 quant à
lui est calculé de la même façon que tout à
l'heure, pas de nouveauté de ce côté et les
formules vues avant restent valables.
Régulation d'alimentation
Puisqu'il est ici question d'utiliser la tension d'alimentation interne
de l'amplificateur BF, et que cette tension peut dépasser les 35
V, il ne serait pas prudent d'utiliser un régulateur de tension
fixe de type LM7812 comme dans le schéma
précédent. On risque en effet de dépasser la
tension d'entrée limite au delà de laquelle le
régulateur risque de griller, ce qui n'est le souhait profond
que d'un faible nombre de personnes sur notre petite planète.
C'est pourquoi j'ai opté pour un régulateur de tension
programmable "haute tension" qui accèpte jusqu'à 125 V
continu en entrée. Avec ça, on a de quoi voir venir !
Mais attention cependant, il ne faut pas se focaliser sur la seule
tension d'entrée, il faut aussi penser à la dissipation
thermique du composant, qui dépend de sa tension
d'entrée, de la tension qu'on lui demande de sortir, et du
courant qui le parcourt. Prenons l'exemple suivant :
- Tension d'entrée = +45 V (alim récupérée dans l'ampli BF)
- Tension de sortie = +12 V
- Courant Max = 130 mA (toutes les leds sont allumées)
Avec ces données, nous avons au niveau du régulateur de
tension, une dissipation de puissance égale à :
P = (45 - 12) * 0,13 = 4,3 W
Ce qui impose un bon petit dissipateur thermique sur le régulateur.
Si maintenant nous considérons que la consommation moyenne est
de 60 mA (les leds "clignotent" et ne sont pas toujours
allumées), et si on décide d'alimenter le LM3915 sous +24
V et non plus sous +12 V, nous obtenons une dissipation de puissance au
niveau du régulateur de tension, de :
P = (45 - 24) * 0,06 = 1,26 W
Il faut toujours un dissipateur thermique, mais ce dernier pourra
être de dimensions plus réduites. Vous savez maintenant
pourquoi le LM3915 est cette fois alimenté sous +24 V (sa
tension d'alimentation maximale est de 27 V).
Remarque importante : il faut
noter que le mode d'affichage en mode barre n'est pas recommandé
avec une telle tension d'alimentation, la dissipation de puissance du
LM3915 pouvant dépasser sa limite maximale. Si vous ne souhaitez
pas d'ennui de ce côté, il faut soit réduire la
tension de sortie du régulateur à +12 V (et laisser le
régulateur chauffer un peu plus), soit laisser le mode
d'affichage en mode point (dans ce cas la consommation globale est de
l'ordre de 15 mA).
Schéma 001c
Rappelez-vous, le schéma plus simple que celui un peu plus simple.
Vous pouvez le constater, la simplification est rendue possible grâce à la destruction
au retrait de la section régulation d'alimentation, et à
la suppression de la résistance R5 qui était en
parallèle sur C1. Du coup, la valeur de ce condensateur peut
être légèrement réduite (par exemple 56 nF
ou 100 nF), à vous de voir ce que vous préférez
comme effet visuel. Si la diode D11 vous agace vraiment (je connais une
personne qui adore les selfs mais qui a horreur des diodes, surtout
celles au silicium), remplacez-là par un strap (bout de fil ou
patte de diode) et enlevez le condensateur C1 qui comme la perruche, ne
pourrait supporter très longtemps de vivre seul. Notez que les
résistances qui auparavant s'appelaient R6 et R7, s'appellent
désormais R3 et R4, et qu'elles ne s'en portent finalement pas
plus mal. Le pont diviseur R1 / R2 doit toujours être
calculé de la même façon que tout à
l'heure, les
formules et le tableau (puissance / impédance HP) vus avant
restent valables. Alimentation du watmètre : vous devez amenez
par vos propres moyens, une tension de +12 V régulée.
Utilisation en sortie d'un ampli ponté
Dans le cas d'un
amplificateur ponté, le HP n'est pas relié entre la masse
et la sortie d'un étage amplificateur de puissance, mais est
relié entre deux amplificateurs de puissance identiques
attaqués par des signaux BF de polarité opposée.
Montage en pont
Deux
amplificateurs montés de la sorte permettent d'obtenir une
puissance (en théorie) quadruple de celle dont on pourrait
disposer avec un seul amplificateur, pour une charge (HP) identique. Le
wattmètre, s'il tire son alimentation de l'alimentation secteur
de l'amplificateur, voit son 0 V (sa masse) relié à la
masse de l'amplificateur. Ce qui impose le raccordement de
l'entrée du wattmètre sur une seule des deux sorties HP,
et surtout pas sur les deux (on provoquerait un beau court-circuit sur
la sortie d'un des deux amplis). La borne 2 du connecteur J1 / HP_In
doit donc être reliée sur une des deux bornes de la sortie
HP (peu importe laquelle), et la borne 1 du connecteur J1 / HP_In doit
être reliée à la masse de l'amplificateur.
Essais et réglages
Essais : oui, pourquoi pas. Il faudra bien y passer un jour ou l'autre...
Réglages : hors de question, puisque rien n'est prévu pour.
Circuits imprimés
Réalisé pour les schémas 001a et 001c, pas pour le schéma 001b.
Typon version 001a
Typon circuit 001a
Typon 001a aux formats PDF, EPS et Bitmap 600 dpi
Typon version 001c
Typon circuit 001c
Typon 001c aux formats PDF, EPS et Bitmap 600 dpi
