Carte protection enceintes à amplis OPs et filtres actifs


Cette carte destinée à un boitier de commutation de deux amplis sur une seule paire d’enceintes détecte et protège contre trois choses :

– les dérives d’offset.

– les fréquences Infrasons ( TBF entre 20 Hz et 2 Hz ) et le motor boat

Des fréquences que l’on entend pas seules, malgré un niveau élevé et qui parfois ( seulement ) génèrent un son de type « motor boat ». Elles peuvent prendre naissance dans la partie pré-ampli et sont ensuite amplifiées et envoyées dans les HP.

Cette détection des infrasons n’est pas assurée dans la plupart des cartes de protection, car il faudrait deux filtres, un qui coupe à 20 Hz et un qui coupe à 2 Hz.

Toutefois certains constructeurs mettent un filtre à l’entrée de leurs appareils qui coupe tout ce qui se présente en dessous de 20 Hz pour éviter de l’envoyer dans les enceintes et pour éviter de saturer les amplis.

– détection ultra rapide des créneaux de tension importants.

Comme lorsqu’un transistor de sortie qui claque.

Après avoir bien galéré pour éliminer le signal BF de l’offset avec des filtres passifs, j’ai eu l’idée de tester un montage à double filtre actifs passe bas d’un type particulier, avec des fréquences de coupure différentes : 20 Hz et 2 Hz.

Voici ce qu’on obtient :

Double filtre L-R

tinadiag

On peut détecter des offsets très faibles ( on est pas lié au seuil de conduction des transistors, où on ne voit rien en dessous de 200 mV.

Ces faibles offsets ne sont pas dangereux pour les enceintes, mais il est bon de savoir si son ampli a dérivé à ce niveau.

A comparer avec le double filtrage passif du schéma 100 % transistors

Au vu de ces résultats il est tentant de poursuivre l’expérience.

Un autre point m’ avait semblé non traité par les autres systèmes de protection !

Pour bien séparer l’offset ( le continu ) de la musique ( dont les basses descendent à 40 Hz ) il faut filtrer très bas à 1 ou 2 Hz. Mais que se passe-t-il pour les enceintes si un ampli se met à osciller dans les infrasons ( genre motorboating ) la bande en dessous de 30 Hz, jusqu’à 2 Hz..

Aussi je prévois un premier filtre passe-bas à 20 Hz, suivi d’un filtre passe-bas à 1 ou 2 Hz qui sera débarrassé de toute trace de signal TBF. Avec un seuil d’offset très bas

Et la sortie passe-haut de ce filtre 1 Hz particulier, traitera la bande entre 1 Hz et 20 Hz, sans atténuation, avec un seuil de détection adapté.

Sa courbe de réponse est le trait noir du graphique.

Traitement de la bande  infrason

Ainsi toute la bande de fréquences du continu jusqu’ à 20 Hz que j’appellerais « infrasons » sera couverte.

Les deux filtres se croisent parfaitement ( sans bosse ni creux ) à 1 Hz, comme dans un crossover HDG.

Luxueux ? non pas vraiment tellement c’est difficile de résoudre ce problème.

Faut-il le résoudre ?

Excellente question d’un ami.

La probabilité qu’un ampli se mette à osciller en TBF n’est pas plus, ni moins élevée que l’étage de sortie qui claque et comme pour offset élevé on n ‘entend pas les infrasons. Pourquoi s’arrêter à 1 Hz pour les variations d’offset ? et pas à 2 Hz ou à 5 Hz ou à 10 Hz ?

Plus on filtre l’offset bas, pour mesurer uniquement le continu et le débarrasser du foin, moins le filtre d’offset réagit vite à un créneau de tension. Plus on filtre l’offset haut , plus la détection est affectée par le foin.

Quand aux basses audibles, pour ne pas déclencher à 40 Hz à haut niveau, avec le résidu du filtre passe bas 1 Hz, un simple filtre ne suffit pas , trop de foin sur l’offset.

Ce système aurait donc trois voies de détection distinctes ( pour cela , il n’ y a pas besoin de rajouter qq chose au filtre, toutes les sources sont disponibles, alors pourquoi s’en priver ? ).

L ‘avantage est qu’on pourra mettre des seuils de détection distincts sur chaque voie.

– un seuil de détection sur le passe bas 2 Hz pour la détection d’offset.

– un seuil de détection sur le passe bas 20 Hz pour la détection rapide de créneaux de tension

– un seuil de détection infrasons sur le passe bande 2 Hz 20 Hz

Faisons qq essais pour évaluer le niveau de sortie de chaque voie à différentes sollicitations séparées et ensemble. Seul une variation d’offset lente de + ou – 500 mV triangulaire sera présente dans tous les cas.

Basse 40 Hz + Offset :

Basses 10 V 40 Hz   plus dérive lente Offset

Créneau de tension 10 V + Offset

Créneau de tension 10 V  plus Offset

Loupe autour de la transition pour voir les temps de réponse

Créneau de tension 10 V  plus Offset Détail

Infrason 10 Hz 5 V + Offset

C ‘est le milieu de la bande infrasons.

il n’ y a pas d’atténuation jusqu’aux deux extrêmes 2 Hz et 20 Hz

Infrasons 4 V   10 Hz  plus dérive lente Offset

Voyons à 2 Hz frontière filtre Offset et bas de la plage infrasons.

Infrasons 4 V 2 Hz  plus dérive lente Offset

Et à 20 Hz coupure haute de la bande infrasons et coupure du premier passe bas 20 Hz en tête.

Infrasons 4 V 20 Hz  plus dérive lente Offset

Il est clair que les voies de détection sont redondantes, ce qui veut dire que toute la plage est bien couverte, contrairement à l’utilisation d’un seul filtre et un seul niveau de détection.

Mais pas dans tous les cas, voir exemple ci dessous.

Offset seul 4 V 5 Hz

Soit au dessus du filtre détection dérive lente offset 2 Hz.

Offset  + ou - 4V 5Hz

Quel est l’effet d’un signal de 5 Hz de grande amplitude sur des enceintes ?

On entendra peut être les derniers harmoniques à faible niveau , et on se dira c’est pas grave, mais ça va probablement chauffer, voire fumer..

Voilà un excellent « motor boat » avec Audacity

motor boat

Il est audible à cause de la pente raide de la dent de scie ( ou celles d’un carré ), mais inaudible avec une sinusoïde de 5 Hz, on entend uniquement le 440 Hz, sauf si on écrête à cause du 5Hz.. Et là il est temps de couper les enceintes et d’arrêter l’ampli..

motor boat 2

Le phénomène de motor boat peut prendre naissance dans les premiers étages de l’ampli voir dans un préampli séparé, il est ensuite amplifié par les étage suivants. Exemple :

http://www.audiovintage.fr/leforum/viewtopic.php?f=82&t=1203&p=427950&hilit=motor#p427950.

Mais il y a d’autres messages de pannes à propos de bruits similaires, sauf qu’ils n’ont pas employé ces termes pour décrire le problème.

Je ne sais pas si c’est pour cette raison, mais un fabricant de crossovers HDG, après un premier filtrage des RFI( parasites ) sur les entrées, élimine avec un filtre à – 18 dB par octave ( donc coupure assez raide ), tout ce qui se présente à moins de 20 Hz sinon ça passerait dans le crossover, l’ampli de la voie basse et le boomer.

Quelques exemples de cette lacune avec la carte à transistors et un seul filtre :

Offset ( ou signal ) de 4 V à 10 Hz : ca fait déjà 4 W sur 4 ohms

Offset 4 V 10 Hz carte classique

Un défaut à la mise sous tension qui sera inhibé, mais après plus de défaut.

J’ai indiqué Offset ou signal parce qu’on ne sait pas trier l’offset des infrasons. Et quel bazar pour limiter les effets du foin du signal musical sur la détection de défaut.

Il y a bien deux filtres en cascade , mais ça ne forme qu’un seul filtre passe bas du deuxième ordre avec une seule fréquence de coupure..

En dessous de 2 Hz on peut dire que c’est du continu qui varie lentement.

Au dessus de 40 Hz , c’est de la musique.

Entre les deux on ne sait pas, faut -il l’ignorer pour autant ?

Détection des seuils avec hystérésis:

Hystérésis-2

Hystérésis

Plus facile à réaliser avec des amplis Ops.

Hystérésis-3

Source :

V+ = VA = VRef + (U – VRef)⋅R1/(R1 + R2).

V- = VA = VRef – (U – VRef)⋅R1/(R1 + R2)

Il en faudrait deux par voie de détection : un pour les signaux positifs , un pour les signaux négatifs. Donc deux Vref et deux hystérésis à ajuster.

Je propose de mettre un ampli OP pour inverser les signaux négatifs et donc de n’avoir qu’un seuil positif pour les signaux plus et moins , chacun ne pouvant être que soit positif soit négatif.

Pour l’offset, qui a un seuil de détection beaucoup plus faible, je propose de mettre en sortie du filtre deux amplis OPs : un inverseur et un non inverseur avec un gain > 1. Ainsi on pourra déconnecter les enceintes pour des valeurs d’offset assez faibles avec un réglage moins délicat.

On peut aussi envisager de mettre deux seuils sur la détection d’offset :

– un plus élevé pour déconnecter les enceintes ( > 200 mV ).

– un plus faible pour signaler sur une LED que l’offset à commencé à dériver sur cet ampli ( > 25 mV ) et qu’il faudra le rerégler.

Ainsi on suivra en permanence l’ état de l’offset, plutôt que de le mesurer de temps en temps.

Les sorties des comparateurs à hystérésis des trois voies de détection attaqueront une mémoire DEFAUT :

Au choix , on peut mettre une mémoire par voie de détection , pour identifier la cause de la coupure des enceintes ( avec des LEDS ), ou une seule mémoire commune. Dans ce cas il faudra faire des essais pour déterminer la raison.

On ne trouve plus de circuits logiques CMOS en 12 V , aujourd’hui c’st plutôt 3,3 volts et moins et plutôt du CMS.

Une mémoire de Type R S avec des NOR

440px-Flipflop_SR1_svg

Un NOR c’est un transistor avec une résistance de collecteur et deux résistances de base. Ca marche en 12 V. Ca occupe peu de place.

Deux tempos et quelques portes supplémentaires et c’est terminé.

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