Différence entre les amplificateurs AC et DC

Caractéristiques	Amplificateur AC	Amplificateur DC
Type de signal	Amplifie les signaux alternatifs (AC) seulement	Amplifie les signaux continus (DC) seulement
Fréquence de fonctionnement	Amplifie les signaux de fréquence variable	Amplifie les signaux de fréquence constante
Capacité à bloquer la composante continue	Ne peut pas bloquer la composante continue	Peut bloquer la composante continue
Polarisation de l’entrée	Peut être polarisé de manière positive ou négative	Doit être polarisé de manière positive ou négative
Type de gain	Le gain varie en fonction de la fréquence	Le gain est constant
Utilisation courante	Utilisé pour amplifier des signaux audio, vidéo, RF	Utilisé pour l’amplification de puissance, la régulation de tension

 

👉 Les amplificateurs AC amplifient uniquement les signaux alternatifs (AC), ce qui les rend utiles pour amplifier les signaux audio, vidéo et RF. Ils ont une fréquence de fonctionnement variable, et ne peuvent pas bloquer la composante continue des signaux.

⚡ L’entrée de l’amplificateur AC peut être polarisée positivement ou négativement, et le gain varie en fonction de la fréquence.

 

👉 Les amplificateurs DC, en revanche, amplifient uniquement les signaux continus (DC). Ils ont une fréquence de fonctionnement constante, et peuvent bloquer la composante continue des signaux.

⚡ L’entrée de l’amplificateur DC doit être polarisée positivement ou négativement, et le gain est constant. Les amplificateurs DC sont couramment utilisés pour l’amplification de puissance, et la régulation de tension.

 

Quelle est la signification de AC et DC dans les amplificateurs ? 🤔

➡️ Les amplificateurs AC indiquent, que différents étages d’amplification sont couplés à un condensateur ou à un transformateur. Ces appareils sont appelés condensateurs/transformateurs de couplage.

⚡ Le but du couplage des condensateurs et des transformateurs, est de supprimer toute tension continue et de fournir un chemin libre pour la tension alternative.

Les amplis de puissance couplés en courant alternatif, en particulier les amplis à semi-conducteurs, ne sont plus aussi courants qu’avant. La plupart des amplis à lampes, en revanche, sont couplés en courant alternatif.

💡 Certaines entreprises utilisent encore le couplage AC pour les amplis à semi-conducteurs.

 

➡️ Les amplificateurs CC sont également connus sous le nom d’amplificateurs à couplage direct.

Le circuit d’un ampli à couplage direct semble beaucoup plus propre, car les condensateurs et les transformateurs ne sont pas utilisés, pour le couplage entre 2 étages d’amplification.

🔎 Le couplage CC est très courant. La plupart des amplis de puissance à semi-conducteurs et des amplis intégrés actuels, sont couplés en courant continu.

 

👩‍💻 Mais avant de continuer, voyons à quoi ressemblent les circuits d’amplification couplés CA et CC, et comment ils fonctionnent.

 

Amplificateurs à couplage CA (couplage par condensateur ou par transformateur) 🤓

Circuit d’amplification couplé par condensateur (couplé RC) 

👉 Quand 2 étages d’amplification sont connectés l’un à l’autre, via une combinaison de condensateurs et de résistances, le circuit d’amplification est considéré comme couplé par condensateur, couplé par capacité, ou couplé par RC.

 

🔎 Le schéma ci-dessous est un amplificateur à transistor couplé RC à 2 étages (l’amplificateur à transistor indique que les transistors Q1 et Q2 sont utilisés, pour amplifier le signal).

 

 

Explications du schéma

La sortie du 1er étage Q1 est couplée à l’entrée du 2ème étage Q2, avec un condensateur de couplage C2.

L’étage de sortie du second transistor Q2 est couplé à la résistance de charge RL/haut-parleur, avec un condensateur de couplage C3.

Les résistances R1, R2 et RE, sont là pour assurer la polarisation du diviseur de tension pour Q1 et Q2, et pour stabiliser le circuit.

RC et RE sont des résistances qui doivent réduire la tension VCC de 50% (RC : résistance de collecteur, R E : résistance d’émetteur).

Le condensateur C2 couple l’étage de sortie de Q1 à l’étage d’entrée de Q2. Avec le condensateur C2 et de la résistance RC, cet ampli est considéré comme couplage RC.

Le condensateur C1 couple l’entrée à la borne de base du transistor Q1 (entrée du 1er étage). Le condensateur C3 couple la sortie du transistor Q2 à la résistance de charge RL (les haut-parleurs).

Un signal faible est appliqué à la base de Q1, ce qui amplifie le signal et commute la phase du signal (déphasage de 180°).

Le signal est ensuite appliqué, à travers le condensateur de couplage C2, à la base de Q2 (entrée du deuxième étage). C2 élimine le courant continu et passe par le signal alternatif.

Q2 effectue une amplification supplémentaire, et commute à nouveau la phase du signal (autre déphasage de 180°), ce qui signifie que le signal d’entrée et le signal de sortie sont en phase (déphasage de 360°).

Le signal amplifié traverse le condensateur C2 élimine la composante continue, et le signal amplifié, et va à la résistance de charge RL (haut-parleurs).

 

Circuit d’amplification couplé à un transformateur

Lorsque 2 étages de l’amplificateur sont couplés à un transformateur, c’est un circuit couplé à un transformateur.

👉 L’une des caractéristiques les plus importantes des transformateurs, est qu’ils sont parfaits pour l’adaptation d’impédance.

Si 2 étages ont des impédances différentes, l’ajout d’un transformateur avec le bon nombre d’enroulements primaire et secondaire, vous permettra de faire correspondre les impédances des 2 étages (sortie du premier étage à l’entrée du deuxième étage).

 

🔎 Le schéma ci-dessous montre le circuit d’un amplificateur, couplé à un transformateur à 2 étages.

 

Explications du schéma

La sortie du 1er étage Q1 est couplée à l’entrée du 2ème étage Q2, avec un transformateur de couplage T1. L’étage de sortie du 2ème étage Q2 est couplé à la résistance de charge RL (haut-parleur), avec un transformateur de couplage T2.

Les résistances R1, R2, RE sont présentes pour assurer la polarisation du diviseur de tension pour Q1, et Q2, et pour stabiliser le circuit.

Le condensateur C1 situé en entrée est là pour éliminer la tension continue, et permettre le passage du signal alternatif.

Le condensateur CE est là pour stabiliser en plus le circuit, et permettre un chemin à faible réactance vers le signal. Il est connecté à travers la résistance RE (dans les 2 étages), et il agit comme un condensateur de dérivation de l’émetteur.

Il contourne le courant de l’émetteur à la terre, afin qu’il y ait moins de chute de tension à travers le RE. De ce fait, le gain de tension augmente.

Quand un signal d’entrée (V IN) est appliqué à la base du transistor Q1, à travers le condensateur C1, le signal est amplifié et va à l’enroulement primaire de T1. Avec le bon nombre de tours d’enroulement, vous pouvez maximiser l’énergie circulant du primaire au secondaire de T1.

Le signal passe alors de l’enroulement secondaire de T1 à la base du transistor Q2 (l’entrée du 2ème étage). Q2 fournit une amplification supplémentaire, et l’envoie à l’enroulement primaire de T2.

L’énergie circule du primaire au secondaire, puis est appliquée à RL (résistance de charge – haut-parleur).

Si le nombre de tours d’enroulement est soigneusement calculé, l’énergie maximale sera transférée au RL.

 

Amplificateurs CC (à couplage direct)

👉 Lorsqu’il n’y a pas de transformateurs ou de condensateurs, entre les 2 étages d’amplification, l’amplificateur est à couplage direct ou à couplage CC.

⚡ Le schéma électrique d’un ampli à couplage direct est le plus simple et le plus propre.

➡️ Les amplis couplés en courant continu sont généralement utilisés pour amplifier les signaux basse fréquence.

 

 

Explications du schéma

La sortie du premier étage du transistor Q1 est directement connectée, à l’entrée du 2ème étage du transistor Q2. Il n’y a pas de transformateurs ou de condensateurs de couplage.

La polarisation du diviseur de tension est appliquée au 1er étage (R1, R2, RE). Cela est nécessaire pour stabiliser le circuit, et maintenir le point Q au centre de la ligne de charge.

La sortie du 1er étage est directement transmise à l’entrée du 2ème étage. La tension V CC (tension continue) est appliquée, et la sortie est prise à partir de l’étage 2, à travers la résistance de charge RL (haut-parleur).

Lorsqu’un signal d’entrée faible est appliqué à la base de Q1 (signal basse fréquence), Q1 amplifie le signal et sa sortie est disponible sur la résistance de collecteur (RC).

La sortie du 1er étage est directement transmise à l’entrée de l’étage 2, qui effectue une amplification supplémentaire, et envoie le signal de sortie à la résistance de charge R.

 

Avantages & inconvénients des amplificateurs AC

Couplé RC

👉 Les amplificateurs à couplage RC ne sont ni trop chers ni trop compliqués à fabriquer, ce qui les rend très appréciés.

🔊 Les amplis couplés RC fournissent une amplification/gain constant, sur tout le spectre de fréquences audibles (20 Hz – 20 kHz), et la réponse en fréquence sur ce spectre est très bonne.

👍 Grâce à leur réponse en fréquence et de leur grande fidélité audio, ils sont souvent utilisés dans l’industrie audio. Le couplage RC est également utilisé dans les amplificateurs de tension.

 

➡️ Du côté des inconvénients, il faut mentionner une mauvaise adaptation d’impédance (entrée à faible impédance et sortie à haute impédance). De plus, leur gain de puissance est relativement faible, et le transfert de puissance est faible à cause d’une mauvaise adaptation d’impédance.

 

Couplé par transformateur

👉 Les amplis couplés au transformateur ont un gain 10 à 20 fois plus élevé, que ceux couplés au RC.

Leur avantage est l’adaptation d’impédance (obtenue en utilisant des transformateurs avec le bon nombre de tours, sur les enroulements primaire et secondaire).

💡 De cette manière, il est possible de faire correspondre la faible impédance de sortie d’un étage, à l’impédance d’entrée élevée de l’autre étage.

👌 Les amplis couplés à un transformateur sont également très efficaces. Ils ne provoquent pas de perte de puissance significative.

✅ Grâce à leurs avantages, ils sont utilisés dans des systèmes où vous devez faire correspondre l’impédance de différents étages, et fournir une puissance maximale au périphérique de sortie.

 

➡️ Pour les inconvénients, il faut savoir que les amplis couplés par transformateur n’ont pas un gain constant, comme les amplis couplés RC. Leur gain varie fortement avec les fréquences, et il est particulièrement faible pour les très basses, et très hautes fréquences.

⚠️ Leur réponse en fréquence est donc loin d’être excellente.

👂 Les transformateurs introduisent également un bruit de bourdonnement perceptible.

💰 Ils sont assez volumineux et lourds, et ils sont assez chers.

 

Avantages des amplificateurs à couplage direct

👉 Les amplis couplés en courant continu sont moins chers à fabriquer, car il n’y a pas besoin de transformateurs et de condensateurs coûteux.

👍 Avec l’absence de composants supplémentaires, ils sont également plus simples, plus compacts et plus légers. Leur adaptation d’impédance est correcte (pas aussi bonne que les amplis couplés par transformateur, mais meilleure que les amplis couplés RC).

🔊 Leur réponse en fréquence est très bonne, surtout lorsqu’il s’agit de très basses fréquences.

 

➡️ Les inconvénients sont une mauvaise amplification haute fréquence, et une sensibilité élevée aux changements de température. Leur production varie également dans le temps.

 

Tableau détaillé des avantages et des inconvénients des amplificateurs à couplage RC, à couplage par transformateur et à couplage direct

Type d’amplificateur	Avantages	Inconvénients
Amplificateur à couplage RC	– Faible coût et simplicité de conception – Bonne réponse en fréquence à faible coût – Faible taux de distorsion	– Faible gain en tension – Sensibilité à la température et aux variations de la source de courant
Amplificateur à couplage par transformateur	– Haute isolation galvanique entre l’entrée et la sortie – Faible niveau de bruit – Faible taux de distorsion	– Coût élevé et complexité de conception – Perte de puissance due aux pertes dans le transformateur
Amplificateur à couplage direct	– Haut gain en tension – Réponse en fréquence large et plate – Faible taux de distorsion	– Coût élevé et complexité de conception – Sensibilité aux variations de la température et de la source de courant

 

➡️ Les amplificateurs à couplage RC sont souvent utilisés dans des applications simples, où le coût est un facteur important (circuits audio et des amplificateurs de petite puissance). Ils ont une réponse en fréquence décente et un faible taux de distorsion, mais leur gain en tension est limité, et ils sont sensibles aux variations de la source de courant et de la température.

➡️ Les amplificateurs à couplage par transformateur sont utilisés, lorsque l’isolation galvanique entre l’entrée et la sortie est importante (équipements médicaux et de mesure). Ils ont un faible niveau de bruit et un faible taux de distorsion, mais leur coût et leur complexité de conception sont élevés, en raison de la nécessité d’un transformateur.

➡️ Les amplificateurs à couplage direct sont utilisés dans des applications, où un haut gain en tension est nécessaire (équipements audio haut de gamme). Ils ont une réponse en fréquence large et plate et un faible taux de distorsion, mais leur coût et leur complexité de conception sont élevés, et ils sont sensibles aux variations de la température et de la source de courant.

 

Que se passe-t-il lorsque les appareils AC fonctionnent sur DC ?

La plupart des machines à courant alternatif utilisent des inductances, et des bobines comme des moteurs, des transformateurs, etc.

⚡ L’impédance (résistance globale) des machines à courant alternatif dépend de la fréquence de la tension d’alimentation.

 

Résistance en circuit alternatif : Z = V / I en Ω

Où:

• Z = la résistance globale de AC = Z = √ (R ² + (X _L + X _C ) ²
• X _L  = Réactance inductive en Ω
• X _C  = Réactance capacitive en Ω
• V = Tension en Volts
• I = Courant en Ampères

 

Mais X _L  et X _C dépendent de la fréquence, c’est-à-dire

• X _L  = 2 π f L
• X _L = 1/ 2 π f C

 

👉 Il n’y a pas de fréquence dans le DC. C’est-à-dire f = 0 dans les circuits à courant continu.

🔥 La résistance globale pour le courant continu est trop faible par rapport au courant alternatif. Donc un courant excessif circulera dans les bobines de champ ou l’inductance, ce qui peut brûler ou exploser l’ensemble du circuit.

 

Voyons l’exemple simple ci-dessous où la tension appliquée est de 50V et 10Ω en AC et DC :

Courant dans le circuit AC :

• I = V/Z
• I = 50V / 10Ω
• I = 5A

Courant dans le circuit CC :

• Z = zéro car fréquence 0 (en mettant X _L = 2 π f L = 0 car f = 0)
• I = V/Z
• I = 50V/0Ω
• I = ∞

 

🔎 Cela montre qu’un courant excessif circulera dans le circuit, si nous connectons une machine ou un appareil à courant alternatif avec une alimentation en courant continu, qui conduit à brûler les bobines du rotor ou du stator.

❌ S’ils résistent à ça, ils ne pourront pas fonctionner dans des conditions normales…

 

👉 Un autre cas est celui des circuits à courant alternatif utilisant un condensateur, où un condensateur bloque le courant continu, et laisse passer le courant alternatif à travers lui.

💡 C’est une autre raison pour laquelle un appareil CA ne fonctionnera pas parfaitement sur une alimentation CC.

Donc, si nous connectons un appareil AC à l’alimentation DC :

• Certaines machines comme les moteurs peuvent ne pas fonctionner correctement, ou peuvent même s’endommager (à l’exception des moteurs universels fonctionnant à la fois en courant alternatif, et en courant continu)
• Un transformateur peut commencer à fumer et à brûler, si l’alimentation CC est connectée au primaire d’un transformateur (c’est le cas des alternateurs)
• Les bobines et le solénoïde peuvent brûler rapidement s’ils sont connectés à l’alimentation CC
• Dans certains cas, les filtres redressent le courant alternatif et fournissent du courant continu. Certains appareils n’ont besoin que d’une valeur de crête de CA, qui est supérieure de 40% à la valeur RMS de CA. S’il fonctionne avec une tension continue élevée, le fonctionnement peut être acceptable
• Si le courant continu est appliqué aux appareils classés en courant alternatif, certains peuvent brûler, commencer à fumer, fonctionner partiellement ou pas du tout selon les conceptions et les opérations

 

Que se passe-t-il lorsque les appareils DC fonctionnent sur AC ?

Si nous connectons une alimentation CA aux appareils et équipements CC :

• La tension positive et négative détruira, dans quelques cas, certains composants électroniques comme les transistors et les condensateurs électrolytiques. En cas de tension alternative plus élevée, ils peuvent brûler et s’enflammer
• Pour les batteries qui se chargent uniquement sur CC, si vous connectez une source CA à la batterie, elles ne se chargeront pas ou pourront provoquer une explosion ou un incendie
• Dans les relais et les dispositifs d’amplification audio, la variation du signal AC génère un bourdonnement qui est inacceptable
• Certains composants peuvent ne pas se réinitialiser ou fonctionner correctement, même s’ils survivent au demi-cycle négatif
• Les microcontrôleurs et les microprocesseurs des ordinateurs numériques, fonctionnent sur la logique numérique 1 et 0 (comme ON/OFF). Le courant alternatif générera de nombreux signaux ON/OFF, où le microprocesseur ne pourra pas décider d’une direction comme ON ou OFF, ce qui entraînera un fonctionnement inutile du système