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Comprendre: Nos mesures sur les amplificateurs
14 amplis sur le grill - Public 
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L'amplificateur, c'est quoi ? C'est une boîte lourde que l'on branche en sortie d'une console ou d’une source audio et qui se connecte à des enceintes acoustiques. Son rôle consiste à amplifier le signal, c'est-à-dire lui donner suffisamment d'énergie pour animer les membranes des transducteurs chargés de faire varier la pression atmosphérique instantanée dans le local ou l’espace à sonoriser. En d'autres termes il s’agit de fournir suffisamment d'énergie électrique pour pouvoir la transformer correctement en son. |
| :::Figure 1 |
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Les composants essentiels d'un amplificateur. Le signal entre à gauche et les enceintes se connectent à droite. On voit ici des éléments comme la résistance d'entrée, celle de sortie et une alimentation pas toujours parfaite.
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Voyons un peu, figure 1, ce qui se passe dans l'amplificateur (doté d’une alimentation conventionnelle). Tout d'abord, il est raccordé, à droite, au secteur. Là, un transformateur change les 230 V alternatifs nominaux fournis par le réseau en une tension plus basse et continue adaptée aux circuits de puissance. Le transformateur délivre une tension alternative or l'amplificateur s’alimente avec une tension continue. Nous avons donc des diodes, composants ne laissant passer le courant que dans un seul sens, qui vont charger des condensateurs de filtrage constituant une réserve d'énergie limitée dans le temps. A chacune des alternances du secteur, 50 fois (ou plus communément 100 fois en redressement double alternance) par seconde en Europe, le condensateur se charge brièvement puis, comme l'amplificateur lui demande de l'énergie, se décharge dans ses circuits. L'amplificateur va donc recevoir une tension d'alimentation continue et filtrée mais comme la réserve d'énergie des condensateurs est limitée, une tension en dent de scie lui est superposée. Pendant la charge, la tension monte, pendant la décharge, elle baisse. Plus la réserve d'énergie du condensateur est faible et plus le condensateur se décharge rapidement. Dans la pratique, le condensateur se charge non pas 50 fois par seconde mais 100 fois. Bien sûr, plus le condensateur est gros, mieux c’est (plus la tension en dent de scie est petite) mais plus il coûte cher ; le constructeur, soucieux de vendre son ampli en grande quantité, essaye de réduire sa taille au minimum admissible, et donc son coût pour faire des économies sur le filtrage... Cette économie se traduit par une baisse de certaines performances.
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Notre amplificateur étant alimenté, faisons maintenant entrer le signal. Ça se passe à gauche du schéma dans un connecteur XLR à trois broches. Là, le signal rencontre une paire de résistances « Re » qui charge la source et baisse un petit peu son niveau de sortie. Le signal peut entrer en symétrique, la source verra alors ce qui se passe entre les entrées + et - du premier étage. Il pourra aussi entrer en asymétrique, c'est-à-dire entre une des bornes et la masse (potentiel de référence ou 0V). A ce moment-là, la source sera face à une seule résistance (dans la pratique, on rencontre diverses configurations d'entrée).
Le potentiomètre qui suit change le gain (rapport entre tension de sortie et d'entrée) de l'amplificateur et règle donc le niveau sonore de l'installation.
Enfin nous arrivons à l'étage de puissance proprement dit, celui qui délivre le fort courant nécessaire aux enceintes. Imparfait, il génère une tension proportionnelle (le plus possible en tout cas) à celle d'entrée mais à travers une résistance interne de sortie Rs (qui doit être la plus faible possible). Plus le courant de sortie est important et plus la tension de sortie chute. On applique ici la bonne vieille loi d'ohm U = RI.
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Tous les éléments que traverse le signal ne sont pas aussi parfaits qu'on pourrait le souhaiter et il existe une dégradation du signal ainsi qu'une limitation du niveau de sortie qui dépendent de la qualité de l'amplificateur. Ce que l'on souhaite, c'est avoir, en sortie et en toutes circonstances, un signal qui soit l'image parfaite de celui d'entrée, au gain près. Par ailleurs, on protège les composants de puissance pour éviter leur destruction en cas de problème.
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| :::But des mesures sur un ampli |
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Sachant que la sortie doit être à l'image de l'entrée (au seul facteur d’amplification près), on va injecter à l'entrée un signal de caractéristiques connues et analyser ce qui sort de l'amplificateur pour en vérifier la conformité avec ce qui entre.
Le résultat des mesures effectuées sur les amplificateurs donne donc une idée du soin qu'ont apporté les constructeurs à la fidélité de restitution du signal audio. Il permet également de constater si le constructeur respecte bien les spécifications qu'il annonce dans sa publicité.
A Sono Magazine, les mesures sont toujours effectuées dans les mêmes conditions et cela depuis la création du magazine. Au cours des années, nous avons imaginé de nouvelles mesures à la lumière de rencontres avec les constructeurs, nous en avons aussi ajouté de plus classiques pour mieux cerner le comportement de l'amplificateur dans un environnement normal d'exploitation, même si ces tortures sont effectuées en laboratoire, dans des conditions reproductibles.
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| :::La puissance de sortie |
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Régime sinusoïdal
Un amplificateur de sonorisation est destiné à reproduire de la musique. La musique est un signal d'amplitude variant constamment et de façon quasi aléatoire (si les musiciens lisaient çà !). Les fréquences des signaux se répartissent sur tout le spectre audio et plusieurs fréquences coexistent généralement simultanément.
Lors d'un test en régime dit sinusoïdal, on injecte à l'entrée une fréquence pure, dépourvue (autant que possible) d'harmoniques. On augmente progressivement le niveau jusqu'à ce que qu'une déformation apparaisse, généralement au sommet de la sinusoïde. Cette déformation intervient lorsque la tension de crête frise la tension d'alimentation des étages de sortie de l'amplificateur. On mesure alors la tension de sortie et on en déduit la puissance de sortie de l'amplificateur en fonction de la valeur de la charge. Cette puissance est généralement mesurée à 1 kHz, fréquence située au milieu du spectre à reproduire. Une habitude très ancienne…
Nous mesurons la puissance de sortie avec les deux canaux en service, la mesure effectuée avec une seule charge donne une valeur généralement plus élevée (l’alimentation est moins sollicitée).
La puissance de sortie dépend de la tension du secteur. Avec un secteur fort, les condensateurs de filtrage de l'alimentation accumulent plus d'énergie qu'avec un secteur malingre si bien que l'amplificateur bénéficie d'une tension d'alimentation supérieure. On gagne alors quelques watts. Comme le signal utilisé n'a aucune dynamique, donc des crêtes toujours au même niveau, nous avons imaginé, avant même la naissance de Sono, une mesure de puissance en … Régime impulsionnel
Lors d'une reproduction musicale, on ne demande pas en permanence le maximum de puissance. Nous utilisons un signal constitué d'une suite de sinusoïdes à décroissance exponentielle (Oscillogramme 1). La puissance moyenne de ce signal est d'environ 10 dB inférieure à la puissance de crête, en début de sollicitation. Comme on ne demande pas beaucoup de puissance moyenne à l'amplificateur, la chute de tension dans les éléments de l'alimentation est plus faible si bien que l'amplificateur bénéficie d'une plus haute tension d'alimentation. Il s'agit d'un signal présentant un front de montée pas trop raide qui pourrait être celui d'un instrument à percussion ou une attaque de guitare (au milieu de la corde pour éviter les harmoniques !). Ce signal présente un facteur de crête* de 10 dB environ, c'est-à-dire que la tension de crête est environ trois fois supérieure à la valeur efficace de la tension sur la période de salve complète. Ce facteur de forme est celui d'une musique assez exigeante. Pour le test, nous mesurons la valeur de crête et en déduisons la valeur efficace d'une sinusoïde qui aurait cette valeur de crête (c’est-à-dire Veff = Vc/1,414). Un petit calcul tenant compte de la charge (P= Veff2/Rch), et nous avons notre puissance impulsionnelle. Une exclusivité Sono Mag !
* Le facteur de crête d’un signal est le rapport entre sa valeur crête et sa valeur efficace. Mesure en pont
Un amplificateur de puissance a très souvent la possibilité de travailler en pont, bridgé comme on l'entend souvent. Dans ce type de fonctionnement, l'amplificateur se comporte comme un amplificateur monocanal. Les deux canaux fournissent des tensions en opposition de phase et la tension maximale que peut sortir l'amplificateur double par rapport à sa valeur mesurée en stéréo. Pour que l'amplificateur ne soit pas surchargé, il doit délivrer le même courant qu'en mono et, comme la tension à doublé, il faut doubler également la valeur de la charge. Ainsi, un amplificateur capable de sortir 2 x 500 W sur 4 ohms devrait délivrer en pont 1 kW sur une charge de 8 ohms.
Le travail en pont de l'amplificateur doit permettre d'obtenir une puissance supérieure au double de celle mesurée en mode stéréo. La distorsion peut diminuer ou augmenter, tout dépend de l'amplificateur. Théoriquement, la distorsion diminue mais ce n'est pas systématique, comme nous l'avons constaté. Si on n'obtient pas la somme des puissances des deux canaux, c'est qu'une limitation anormale intervient quelque part, qu'il s'agisse de la puissance en régime sinusoïdal ou impulsionnel.
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| :::Distorsion harmonique |
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Lorsqu'un signal est amplifié de façon non linéaire, c'est-à-dire que l'évolution de la sortie ne suit pas strictement celle de l'entrée, la pureté du signal est entachée par ce que l'on appelle de la distorsion. On envoie à l'entrée une fréquence de 1000 Hz par exemple et il sort du 1000 Hz enrichi, si l'on peut dire, de 2000, 3000, 4000 Hz, etc. Cette distorsion se mesure par rapport au niveau maximal du signal. Par exemple 1 % de distorsion signifie que l'ensemble des composantes de la distorsion (la somme des tensions efficaces des harmoniques) est 100 fois (à –40 dB) plus petit que le signal composé de l'onde pure plus la distorsion. La mesure de la distorsion tient aussi compte de la présence du bruit de fond mais dans un amplificateur le bruit de fond est généralement de 10 à 100 mille fois plus petit que le signal, soit moins de 0,01 à 0,001 %. Donc lorsqu'on mesure 0,1 % de distorsion, le bruit de fond n'est généralement qu'une composante infime de la somme distorsion plus bruit (ce n’est plus le cas en dessous de 0,01%). En revanche lorsqu'on mesure la distorsion à une faible puissance, la valeur de la distorsion intègre une part de bruit qui n'est plus toujours négligeable. Le spectre (réponse dans le domaine fréquentiel) de la distorsion fournit des renseignements intéressants : on y voit les parasites issus du secteur, le bruit propre des composants, l’importance relative des diverses harmoniques... toutes les harmoniques ne sont pas prises en compte : chaque ampli est mesuré sur une quarantaine de points, c'est déjà pas mal !
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| :::Distorsion par intermodulation |
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La distorsion par intermodulation se rapproche plus de la musique. On superpose deux signaux, l'un de basse fréquence (par exemple 60 Hz) et d'amplitude 4 et l'autre de fréquence haute (6 kHz) et d'amplitude 1. En présence de non-linéarités, le signal de fréquence haute subit une modulation d'amplitude (tendance à écrêter le signal aux points extrêmes de la fréquence basse) et voit son amplitude varier au rythme du signal de fréquence basse. On recherche le taux de distorsion par intermodulation le plus bas.
Il y a d'autres méthodes de mesure faisant appel à deux fréquences hautes séparées d’une distance fixée, et qui donnent naissance à des raies spectrales qu’on mesure.
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| :::Impédance d'entrée |
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L'impédance d'entrée caractérise la charge que verra la source attaquant l'amplificateur. Les amplis ont en général une impédance d'entrée comprise entre 10000 et 20000 ohms ; cette valeur peut paraître élevée mais si vous mettez cinq amplificateurs en parallèle, votre console (par exemple) sera chargée par une impédance de 2 à 4000 ohms, c'est déjà plus bas et à mettre en relation avec une impédance de sortie de l’ordre d’une centaine d’ohms... La valeur donnée dans les mesures sert surtout d'indication, à comparer à celle indiquée par le constructeur ; on constatera souvent une différence. Plus l'impédance est haute et moins la source est chargée.
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| :::Sensibilité |
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La sensibilité est la tension que l'on doit envoyer à l'entrée d'un amplificateur pour qu'il délivre la puissance maximale. Nous effectuons cette mesure avec un voltmètre alternatif lorsque l'amplificateur alimente une charge de 8 Ohms. Cette dernière valeur a son importance. En effet, lorsqu'un amplificateur est peu chargé, cas des 8 ohms en question, il consomme relativement peu d'énergie et délivre donc une tension de sortie d'amplitude assez importante. Comme le gain maximum de l'amplificateur est constant, c'est avec une charge de 8 ohms qu'il faudra le plus de volts ou de dBu pour arriver à sortir la puissance maximale.
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| :::Taux de réjection de mode commun |
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Cette mesure ne s'effectue que sur les appareils équipés d'une entrée symétrique. Ces entrées ont la faculté d'annuler les signaux qui arrivent en phase sur les deux entrées pour ne laisser passer que les signaux en opposition de phase, principe même d'une entrée symétrique.
Le taux de réjection de mode commun caractérise la qualité de la réjection du signal de mode commun par rapport à celui de mode différentiel. Un taux de réjection en mode commun de 40 dB, signifie qu’en envoyant le même signal de 1 V sur les deux câbles d'entrée, on retrouvera seulement 10 mV, c'est-à-dire 100 fois moins en sortie. La tension de mode commun est généralement une tension parasite qu'il est préférable d'éliminer (notamment tensions parasites sur le commun –masse-).
Sur un très bon circuit d'entrée, on peut atteindre une réjection de 90 dB, soit 30 µV en sortie pour un volt en entrée.
La mesure s'effectue à différentes fréquences, vers 50 Hz pour l'élimination des parasites du secteur, 1 kHz pour avoir une référence et 10 kHz pour rendre compte de l'évolution du paramètre avec la fréquence.
Plus le chiffre est élevé, meilleur est le circuit d'entrée.
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| :::Diaphonie |
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Nous avons ajouté une mesure de diaphonie qui caractérise « les fuites » d'un canal vers l'autre. On injecte un signal sur un canal, on laisse l'autre entrée ouverte et on mesure ce qui passe en sortie du canal qui ne reçoit rien. Enfin, en principe.
La valeur exprime le rapport entre le signal sortant de la voie en service et celui issu de la voie sans signal. Plus le chiffre est grand, meilleur est l'amplificateur (les couplages entre voies sont faibles).
Certains vont nous dire : tiens, ils ne ferment même pas l'entrée sur une résistance. En effet. Tous les amplis sont testés dans les mêmes conditions et si on ferme l'entrée sur une résistance, certains amplis ont leur diaphonie qui augmente et d'autres qui baisse... Difficile d'en tirer des conclusions. Les valeurs mesurées sont pratiquement toujours très supérieures à celle que l'on peut mesurer sur une tête de lecture phonocaptrice. Cela reste malgré tout un facteur révélateur de la qualité de l'appareil.
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| :::Impédance de sortie et facteur d'amortissement |
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Comme nous l'avons vu sur le schéma de principe de l'amplificateur, il existe en sortie d'amplificateur une résistance « parasite » qui freine le passage de l'énergie vers l'extérieur. Un générateur de tension parfait (ce qui n’existe pas) présente une résistance interne nulle. On tente de s’en approcher. Pour un ampli, cette résistance a généralement une très basse valeur, inférieure au dixième d'ohm. Elle se mesure en faisant passer un courant de valeur connue. On mesure la différence de tension de sortie avec et sans courant (ou faible courant) et la loi d'ohm nous conduit à sa valeur. Par exemple si on fait passer un courant de 1 Ampère, une variation de tension de 56 mV sera due à une résistance interne de 56 millièmes d'ohms.
Une enceinte acoustique présente une impédance qui varie avec la fréquence. Avec une résistance de générateur relativement importante, on observera des variations de tension aux bornes de l'enceinte... Autant les éviter.
Les transducteurs de grave ont un équipage mobile d'inertie élevée. L'énergie qu'il emmagasine est restituée vers l'amplificateur. Si la résistance interne est faible, l’ampli se comporte comme un court-circuit vis-à-vis de l’énergie « renvoyée » par le haut-parleur, d’où un meilleur contrôle du mouvement. La notion de facteur d'amortissement vient de ce rôle. Ce facteur se calcule en divisant l'impédance de l'enceinte (nominale et 8 ohms) par la résistance de sortie. On obtient une valeur généralement supérieure à 100. Les études faites dans les années 70 ont montré qu'un facteur de 16 pouvait s’avérer suffisant.
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| :::Taux de modulation par l'alimentation |
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Ce test personnel donne une idée du comportement de l'amplificateur lorsqu'il est sollicité au-delà de ses limites. Il rend compte de la qualité intrinsèque de son alimentation. On injecte sur l'entrée un signal sinusoïdal d'amplitude suffisante pour amener l'amplificateur à la saturation. Comme l'amplificateur est alimenté par une tension alternative redressée et filtrée, chacune des alternances du signal n'est pas écrêtée de la même façon. La profondeur de la « dent de scie » de la tension d'alimentation conditionne l'écrêtage. Les alternances situées au niveau du maximum sont peu déformées, celles situées au creux de la tension le seront davantage. Le test consiste donc à saturer l'ampli et à mesurer l'amplitude de la dent de scie modulant le signal. On la compare à l'amplitude du signal et le tour est joué. Meilleur est le filtrage de l'alimentation et plus la modulation est faible. L'oscillogramme 2 illustre le phénomène en question.
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| :::Temps de montée |
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Si on envoie un signal à front raide à l'entrée d'un amplificateur, ce dernier met un certain temps à réagir. Nous utilisons un signal dont le temps de montée est de 70 ns environ ( 0,07 µs), une valeur faible par rapport à celui de l'amplificateur. On mesure (Oscillogramme 3) le temps de montée, c'est-à-dire le temps que met la tension de sortie pour aller de 10 à 90 % de l'amplitude maximale du signal. Certains amplificateurs présentent une vitesse asymétrique à la montée et à la descente.
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| :::Vitesse de balayage en tension |
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Le test ressemble au précédent, L'amplificateur est conduit cette fois au maximum de sa vitesse avec une tension d'entrée carrée saturant à fond l'amplificateur. Cette fois on mesure la tension de sortie développée en une microseconde. Le résultat donne la vitesse de balayage en tension.
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| :::Rapport signal/bruit |
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Nous sommes là dans le domaine de la pureté du signal avec une mesure des signaux indésirables générés par l'amplificateur lui-même. Pour éviter toute pénétration de signal externe, on ferme l'entrée sur une résistance de 600 ohms et on mesure le bruit de fond en sortie. Ce dernier sera pondéré et non pondéré (mise en place ou non d’un filtre de pondération). La pondération sert à prendre en compte l'effet auditif qu'aura le bruit de fond. La mesure non pondérée s’effectue sur tout le spectre, même aux fréquences qui ne s'entendent pas ou peu. Par exemple un signal à 20 Hz sera mesuré mais l'oreille sera incapable de l'entendre. Une valeur de plus de 100 dB peut être considérée comme très bonne.
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| :::Puissance sur charge complexe |
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Nous avons effectué toutes les mesures précédentes sur une charge résistive pure, c'est-à-dire ni inductive, ni capacitive. Lorsqu'un amplificateur travaille sur une charge complexe, le courant et la tension de sortie ne sont plus en phase. Cela applique une contrainte supplémentaire aux composants de sortie de l'amplificateur. Ces derniers pourront alors être conducteurs, donc être traversés par un courant tout en présentant une grande tension entre leurs bornes (d’où une puissance instantanée nettement plus importante à supporter). Les constructeurs d'amplis implantent des circuits de protection pour que les composants restent en vie quelles que soient les contraintes. Ces circuits ont tendance à brider la puissance ou à déformer le signal lorsque la demande en énergie (sur une charge complexe) devient trop importante. Le résultat dépend des mesures prises : dimensionnement des étages de puissance, convection, niveau d’entrée en action des protections. Les meilleurs amplificateurs peuvent sortir leur puissance maximale sur charge complexe.
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| :::Prix du watt |
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On additionne la puissance (sur 4 ohms) des deux canaux et on divise le prix par cette puissance.
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| :::Test en court-circuit |
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Nous effectuons ici deux tests. Dans le premier, nous envoyons sur l'entrée un signal sinusoïdal et nous montons progressivement la puissance jusqu'à ce que l'ampli entre en protection.
Dans le second, nous injectons notre sinusoïde à décroissante exponentielle à pleine puissance et nous court-circuitons la sortie... Nous rapportons alors le comportement de l'amplificateur : de l'allumage d'un voyant à l'éventuelle explosion finale…
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| :::Comportement thermique |
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Ce test permet de savoir si un amplificateur est capable de travailler constamment à pleine charge. On lui envoie un bruit filtré dont le spectre est celui de la musique, donc avec une atténuation de l'aigu, avec la sortie sur charge nominale. Le facteur de crête (rapport entre la puissance de crête et la puissance moyenne) de ce signal est de 10 dB, valeur proche de celle d'un contenu musical. On rend compte du comportement de l’ampli : entrée en protection thermique ou non, et au bout de combien de temps.
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| :::Oscillogramme 1 |
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La puissance en régime impulsionnel se mesure en utilisant ce signal très spécial. On mesure la tension crête, on en déduit une tension efficace utilisée pour calculer une puissance de sortie en régime impulsionnel. La puissance moyenne est située 10 dB au-dessous de cette puissance, c'est la forme du signal qui le détermine.
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| :::Oscillogramme 2 |
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Le zéro de l'échelle est situé tout en bas ; nous avons ici la moitié de la tension de sortie synchronisée sur le secteur. En haut, on visualise l'influence des ondulations de la tension d'alimentation positive. Le taux de modulation par l'alimentation est donné par (V1-V2)/V1 x 100.
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| :::Oscillogramme 3 |
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Le temps de montée caractérise la vitesse de réponse de l'amplificateur, il est ici calculé automatiquement par l'oscilloscope numérique qui place des curseurs V1 et V2 à 10 et 90% de l'amplitude maximale et leur associe le curseur T1 et T2 au point de croisement avec la courbe.
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