L’amplificateur de classe A à émetteur commun est conçu pour produire une grande variation de tension de sortie à partir d’un signal d’entrée relativement faible de seulement quelques millivolts et est principalement utilisé comme « amplificateur de petits signaux », comme nous l’avons vu dans les tutoriels précédents.

Cependant, parfois, un amplificateur est nécessaire pour alimenter de grandes charges résistives telles qu’un haut-parleur ou pour entraîner un moteur dans un robot, et pour ces types d’applications où de forts courants de commutation sont nécessaires, des Amplificateurs de puissance sont requis.

La fonction principale de l’amplificateur de puissance, également connu sous le nom d’« amplificateur de grands signaux », est de délivrer de la puissance, qui est le produit de la tension et du courant à la charge. Essentiellement, un amplificateur de puissance est également un amplificateur de tension, la différence étant que la résistance de charge connectée à la sortie est relativement faible, par exemple un haut-parleur de 4Ω ou 8Ω, ce qui entraîne des courants élevés circulant à travers le collecteur du transistor.

En raison de ces courants de charge élevés, les transistor(s) de sortie utilisés pour les stages de sortie de l’amplificateur de puissance, comme le 2N3055, doivent avoir des indices de tension et de puissance supérieurs à ceux généralement utilisés pour les amplificateurs de petits signaux tels que le BC107.

Comme nous sommes intéressés à délivrer la puissance CA maximale à la charge, tout en consommant la puissance CC minimale possible de l’alimentation, nous nous soucions principalement de l’« efficacité de conversion » de l’amplificateur.

Cependant, l’un des principaux inconvénients des amplificateurs de puissance, en particulier de l’amplificateur de classe A, est que leur efficacité de conversion globale est très faible, car de grands courants signifient qu’une quantité considérable de puissance est perdue sous forme de chaleur. L’efficacité en pourcentage dans les amplificateurs est définie comme la puissance de sortie r.m.s. dissipée dans la charge divisée par la puissance CC totale prélevée de la source d’alimentation, comme indiqué ci-dessous.

Efficacité de l’amplificateur de puissance

• Où :
• η%  – est l’efficacité de l’amplificateur.
• Pout  – est la puissance de sortie de l’amplificateur livrée à la charge.
• Pdc  – est la puissance CC prélevée de l’alimentation.

Pour un amplificateur de puissance, il est très important que l’alimentation de l’amplificateur soit bien conçue pour fournir la puissance continue maximale disponible au signal de sortie.

Amplificateur de Classe A

Le type de configuration d’amplificateur de puissance le plus couramment utilisé est l’Amplificateur de Classe A. L’amplificateur de classe A est la forme la plus simple d’amplificateur de puissance qui utilise un seul transistor de commutation dans la configuration standard de circuit à émetteur commun, comme vu précédemment, pour produire une sortie inversée. Le transistor est toujours biaisé « ON » afin qu’il conduise pendant un cycle complet de la forme d’onde du signal d’entrée, produisant une distorsion minimale et une amplitude maximale du signal de sortie.

Cela signifie alors que la configuration de l’Amplificateur de Classe A est le mode de fonctionnement idéal, car il ne peut y avoir aucune distorsion de croisement ou de coupure sur la forme d’onde de sortie même pendant la moitié négative du cycle. Les étapes de sortie des amplificateurs de puissance de classe A peuvent utiliser un seul transistor de puissance ou des paires de transistors connectées ensemble pour partager le grand courant de charge. Considérons le circuit de l’amplificateur de Classe A ci-dessous.

Circuit d’amplificateur de Classe A à une seule étape

Ceci est le type d’amplificateur de classe A le plus simple. Il utilise un transistor à émettre unique pour son étage de sortie avec la charge résistive connectée directement à la borne Collecteur. Lorsque le transistor passe « ON », il descend le courant de sortie à travers le Collecteur, entraînant une chute de tension inévitable à travers la résistance d’Émetteur, limitant ainsi la capacité de sortie négative.

L’efficacité de ce type de circuit est très faible (moins de 30 %) et délivre de petites puissances pour une grande consommation de l’alimentation CC. Un étage amplificateur de classe A passe le même courant de charge même lorsqu’aucun signal d’entrée n’est appliqué, de sorte que de grands dissipateurs thermiques sont nécessaires pour les transistors de sortie.

Cependant, une autre façon simple d’augmenter la capacité de manipulation de courant du circuit tout en obtenant un gain de puissance plus important est de remplacer le transistor de sortie unique par un Transistor Darlington. Ces types de dispositifs sont essentiellement deux transistors dans un seul boîtier, un petit transistor “pilote” et un autre plus grand “transistor de commutation”. Le grand avantage de ces dispositifs est que l’impédance d’entrée est suffisamment élevée tandis que l’impédance de sortie est relativement faible, réduisant ainsi la perte de puissance et donc la chaleur dans le dispositif de commutation.

Configurations de transistors Darlington

Le gain total de courant Beta (β) ou hfe d’un appareil Darlington est le produit des deux gains individuels des transistors multipliés ensemble, et de très fortes valeurs β associées à de forts courants de collecteur sont possibles par rapport à un circuit à transistor unique.

Pour améliorer l’efficacité de puissance totale de l’amplificateur de Classe A, il est possible de concevoir le circuit avec un transformateur connecté directement dans le circuit du collecteur pour former un circuit appelé Amplificateur couplé par transformateur. Le transformateur améliore l’efficacité de l’amplificateur en ajustant l’impédance de la charge avec celle de la sortie de l’amplificateur en utilisant le rapport de transformation ( n ) du transformateur, et un exemple de cela est donné ci-dessous.

Circuit d’amplificateur couplé par transformateur

Lorsque le courant de collecteur, Ic, est réduit en dessous du point de repos Q fixé par la tension de polarisation de base, en raison des variations du courant de base, le flux magnétique dans le noyau du transformateur s’effondre, provoquant une force électromotrice induite dans les enroulements du transformateur primaire. Cela provoque une montée instantanée de la tension de collecteur à une valeur qui est le double de la tension d’alimentation 2Vcc, donnant un courant de collecteur maximal du double Ic lorsque la tension de collecteur est à son minimum. Ensuite, l’efficacité de ce type de configuration d’amplificateur de classe A peut être calculée comme suit.

La tension de collecteur r.m.s. est donnée par :

Le courant de collecteur r.m.s. est donné par :

La puissance r.m.s. délivrée à la charge (Pac) est donc donnée par :

La puissance moyenne prélevée de l’alimentation (Pdc) est donnée par :

et donc l’efficacité d’un amplificateur de classe A couplé par transformateur est donnée par :

Un transformateur de sortie améliore l’efficacité de l’amplificateur en ajustant l’impédance de la charge à celle de l’impédance de sortie de l’amplificateur. En utilisant un transformateur de sortie ou un transformateur de signal avec un rapport de transformation approprié, des efficacités d’amplificateur de classe A atteignant 40 % sont possibles, la plupart des amplificateurs de puissance de type classe A disponibles dans le commerce étant de ce type de configuration.

Cependant, le transformateur est un dispositif inductif en raison de ses enroulements et de son noyau, donc l’utilisation de composants inductifs dans les circuits de commutation d’amplificateur est à éviter car toute force électromotrice inverse générée pourrait endommager le transistor sans protection adéquate.

De plus, un autre gros inconvénient de ce type de circuit d’amplificateur de classe A couplé par transformateur est le coût et la taille supplémentaires du transformateur audio requis.

Le type de « Classe » ou de classification attribué à un amplificateur dépend vraiment de l’angle de conduction, qui est la portion des 360^o du cycle d’onde d’entrée pendant lequel le transistor est conducteur. Dans l’amplificateur de classe A, l’angle de conduction est de 360^o ou 100 % du signal d’entrée, tandis que dans d’autres classes d’amplificateurs, le transistor conduit pendant un angle de conduction inférieur.

Il est possible d’obtenir une plus grande puissance de sortie et une efficacité plus importante que celle de l’amplificateur de Classe A en utilisant deux transistors complémentaires dans l’étage de sortie, l’un étant un transistor de type NPN ou canal N tandis que l’autre est un transistor de type PNP ou canal P (le complément) connecté dans ce qu’on appelle une configuration « push-pull ».

Ce type de configuration d’amplificateur de puissance est généralement appelé Amplificateur de Classe B et est un autre type de circuit amplificateur audio que nous examinerons dans le prochain tutoriel.