Wattmètre audio 1


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 barographe (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.

wattmetre_audio_001a
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 raisonnement que précédemment, 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 parait 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-alternance. 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 relâchement 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 permettent 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.

wattmetre_audio_001b
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 précédemment, 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. Étant 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 accepte 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.

wattmetre_audio_audio_001c

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 wattmètre : 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

 

 

 

 

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