Les amplificateurs Aleph de Nelson Pass

Les amplificateurs Aleph conçus par Nelson Pass fonctionnent en single-ended classe A. Basés sur un schéma électrique identique, ils ne diffèrent à quelques rares composants prés que par leur tension d'alimentation et le nombre de transistors MOSFETS de sorties.

Le tableau ci-dessous résume les caractéristiques principales des différents modèles :

Pour alimenter les caissons de grave j'ai choisi d'utiliser des Aleph 5 dont la puissance délivrée (60 watts) est largement suffisante étant donné le rendement élevé des hauts-parleurs ALTEC 416-8A.

Etude du schema

Le schéma électrique de l'Aleph 5 se trouve à la fin du document «Aleph 5 Service manual».

La convention standard est utilisée, à savoir : deux lignes qui se coupent ne sont pas connectées à moins qu'il y ait un point à leur intersection. Cependant, le point est omis sur les croisement en forme de T nécessairement connectés. Il y a une erreur sur le schéma : la base de Q5 est bien reliée à R19, R20 et C10 (il manque le point à cette intersection).

Le fichier Excel Simulation Simulation Aleph.xls permet de calculer les caractéristiques d'un amplificateur de type Aleph. On se donne : la tension d'alimentation, le courant de polarisation total de l'étage de sortie (current bias), la valeur des résistances de source (R40-42 et R64-66) des transistors de sortie, leur nombre (nécessairement un multiple de deux étant donnée la topologie du circuit) et enfin le gain en courant (rapport entre le courant de sortie et le courant de polarisation). Notons que la résistance R19 permet d'ajuster le courant de polarisation et la résistance R21 le gain en courant.

L'aleph 5 se caractérise par six transistors de sortie, une tension d'alimentation de 34V et un courant de polarisation de chaque transistor de 0.6 A conduisant à un courant de polarisation par canal de 1.8 A. On en déduit une puissance sous 8 Ohm de 52 Watts et une dissipation par canal de 122 Watts.

Une précision décrite dans le manuel d'utilisation ("Aleph 5 Owner's manual") et qui n'apparait pas sur le schéma concerne la mise en court-circuit des bornes 1 (GND) et 3 (-) de la prise XLR lorsque celle-ci n'est pas utilisée. Ce court-circuit n'est pas obligatoire mais il permet d'augmenter le gain de l'amplificateur de 6 db quand l'entrée est connectée à la prise RCA.

La figure 1 représente le schéma de l'Aleph 5 saisi avec le logiciel WINSCHEM permettant la vérification automatique du typon associé réalisé avec le logiciel WINTYPON. Ce schéma reprend exactement celui de Nelson Pass mais comprend en plus le circuit de protection des haut-parleur décrit dans l'Audiophile N°41 page 80 et 81. L'alimentation sous 34V en lieu et place d'une alimentation de 24V nécessite de modifier ce schéma en ajoutant une résistance de 560 ohm 2W en série avec la bobine du relais.

Choix du boitier et des dissipateurs

Les simulations de l'amplificateur Aleph montrent que la puissance dissipée par les transistors de sortie nécessite un dissipateur thermique de 0.25 °C/W pour limiter sa température à 60 °C dans le cas d'une température extérieure de 30 °C (température de l'air au voisinage du dissipateur). Dans ces conditions la température de jonction de chaque transistor de sortie est de 86 °C (il est recommandé de ne pas dépasser 100 °C).

J'ai utilisé des boitiers Modu de référence HIFI 2000. Ces boitiers sont équipés de dissipateurs thermiques formant les cotés gauche et droit du boitier. On trouve sur le site du fabriquant les caractéristiques thermiques des boitiers de hauteurs 2 à 4U en 300 et 400 mm de profondeur. Le boitier 4U 400mm conviendrait puisque la résistance thermique de chaque dissipateur (de dimension 400x40x160 mm) est annoncé pour 0.23 °C/W. J'ai préféré prendre de la marge en optant pour un boitier 5U 400 mm (dimension de chaque dissipateur 400x40x210 mm).

L'alimentation

L'alimentation de l'amplificateur originel est constituée d'un seul transformateur pour les deux canaux suivi d'un simple pont de diodes et de quatre condensateurs de 25000 uF. Pour éviter tout risque de ronflement du à des boucles de masse, j'ai opté pour une construction séparée des alimentations. J'ai utilisé le logiciel PSU Designer II pour simuler et calculer l'ondulation résiduelle de sortie. Deux configurations ont été étudiées : une configuration de type RC et LC. Les condensateurs sont des VISHAY série 101 de tension de service 40V. Ceux de tête ont une capacité de 33 000 uF et les suiveurs de 100 000 uF. La résistance série de ces derniers est de 7 mΩ. Les figures 2 et 3 montrent les résultats des simulations. Le modèle RC est doté d'une résistance en série de 470 mΩ et conduit à une ondulation résiduelle de 15 mV. Le modèle LC utilise une self de 2.2 mH et de 470 mΩ de résistance série. L'ondulation résiduelle est de 5 mV. Nous utiliserons cette dernière alimentation.

On utilisera le circuit de temporisation de mise sous tension soft start d'Elecktor et on n'oubliera pas de relier la terre au boitier.

Choix du transformateur

Dans la pratique, la tension du secondaire se calcule à partir de la tension d'alimentation continue en la divisant par un rapport compris entre 1.2 et 1.3. La puissance du transformateur (VA) doit être largement supérieure à la puissance totale dissipée. Un facteur 3 est couramment utilisé. On en déduit les caractéristiques de chaque transformateur : 2x28 V 400 VA.

Appairage des transistors

Avant d'entreprendre la réalisation de l'amplificateur, il est nécessaire d'appairer les transistors de sortie (MOSFET N-channel IRFP240) et les transistors d'entrée (MOSFET P-channel IRF9610). Cet article de Nelson Pass explique la procédure : il s'agit de mesurer la tension gate-source en fonction du courant. Le schéma pour effectuer cette mesure peu visible sur ce document est reproduit figure 4.

Nelson suggère de mesurer les transistors de sortie sous un courant de 170 mA et ceux d'entrée sous un courant de 20 mA. J'ai réalisé un circuit (dont voici ici le typon et l'implémentation) pour procéder à l'appairage des IRFP240. Les broches sont insérées dans un bornier 3 points. L'appairage des IRF9610 se fait à partir du schéma de la figure 5 câblé en l'air. Les broches sont introduites cette foi dans un bornier 2 points.

La tension d'alimentation du circuit est de 13,6 V. Pour les transistors de puissance j'ai utilisé une résistance de 47 Ω 5W. Le courant que traverse le transistor est alors de : (13,6-4)/47 = 0,204 A. Il n'a pas lieu de monter le transistor sur un radiateur mais il faut attendre la stabilisation en température. J'ai mesuré le premier transistor toutes les 5 mn pendant 25 mn. A partir de 10 mn, la tension ne varie pratiquement plus. On pourra prendra cette durée pour les mesures.

Pour l'appairage des transistors IRF9610 la résistance est fixée à 470 Ω. Il n'y a pas lieu d'attendre une stabilisation en température.

Les transistors doivent avoir la même tension à 30 mV prés. J'ai utilisé un lot de 25 transistors IRFP240 et 25 transistors IRF9610. Il faut appairer au total 6 jeux (3 jeux de transistors IRFP240 et 3 jeux de transistors IRF9610). Le tableau suivant donne à titre d'exemple les mesures réalisées sur les IRFP240. Les écarts de tension des transistors appairés est inférieur à 10 mV.

Implantation des composants dans le boitier

Pour éviter les ronflements du au rayonnement des transformateurs on placera ceux-ci du coté de la face avant, montés verticaux et tenus par des équerres métalliques faisant office de blindage. L'alimentation est câblée comme le montre le schéma de la figure 6.

On utilise deux ponts redresseurs par canal et les sorties des ponts sont torsadées jusqu'aux point central de masse situé au milieu de la plaque de cuivre joignant les condensateurs de filtrage.

Le schéma de la figure 7 donne l’emplacement des perçage du boitier (face inférieure et face arriére). Attention au sens de la plaque inférieure : les coins évidés se trouvent du coté de la face avant.

Concernant la face arrière, on place au centre l’interrupteur et la prise secteur et de part et d’autre de haut en bas : la prise XLR, l’interrupteur du choix de la prise d’entrée, la prise RCA (modèle isolé) et les bornes de sortie de l’amplificateur. On ne trouve en face avant que deux LED bleues (signe distinctif des réalisations DIY des amplificateurs Nelson Pass).

ll est préférable, dans la mesure du possible, d’utiliser une perceuse à colonne pour effectuer ces perçages. Une fois repéré, on utilise un pointeau pour marquer l’emplacement du perçage. La face arrière est percée du coté intérieur pour ne pas blesser la face extérieure visible. Entre chaque perçage on veillera à enlever tous les copeaux pour ne pas la marquer. Concernant les découpes carrées recevant l’interrupteur et la prise secteur, on procède comme suit : on perce deux trous de diamètre 10 mm à l’intérieur du rectangle à deux coins opposés. On découpe ensuite à la scie sauteuse (en plaçant deux cales de 10 mm sous les patins pour ne pas être gêné par le bord du boitier) et on termine à la lime.

Les photos ci-dessous montrent la face arrière et le câblage de l'alimentation dans le boitier.

Montage

La liste des composants de l'amplificateur avec leurs fournisseurs est donnée dans le ficher excel Composants.xls.

Les résistances de 1/4 W sont des modéles de 1% de tolérance. Les condensateurs de filtrage sont des Mundorf M-Lytic. Les résistances de 3W sont des résistances métalliques afin d'éviter la composante selfique des résistances bobinées.

L'amplificateur est composé de deux typons : un gauche et un droit. Les schémas d'implantation des composants se trouvent figure 8 et 9. Les circuits sont positionnés sur les dissipateurs de telle manière que les entrées audios soient du coté de la face arrière, les six transistors de puissance au centre du dissipateur, le plus bas possible.

Les entrés RCA et XLR sont câblées avec du fil blindé. On reliera par une petite plaque en aluminium isolée les transistors Q1 et Q2 pour qu'ils soient à la même température.

Les transistors de puissance sont isolés du dissipateur et montés avec de la pate thermique. Il n'est pas nécessaire de monter la vis avec un canon isolant, les transistors en étant doté d'origine.

Les transistors et la carte de l'amplificateur sont fixés sur le dissipateur par l'intermédiaire de vis de 3 mm nécessitant la réalisation de tarauds.

Il n'y a pas de réglage à effectuer. Une fois la carte entièrement câblée on procède aux mesures des tensions d'alimentations et du courant de polarisation des transistors de puissance en ne reliant que l'alimentation et en ne montant pas le dissipateur dans le boitier (voir photo 6). J'ai obtenu les mesures suivantes :

Il n'y a plus qu'à procéder à la fixation des dissipateurs dans le boitier et connecter les entrées aux cartes des amplificateurs. La topologie de montage conduit à l'abscence totale de bruit de ronflage que l'on vérifierta en connectant l'amplificateur aux enceintes, les entrées étant déconnectées.

Les photos ci-dessous montrent les cartes cablées et l'amplificateur achevé.