Réaliser un préamplificateur audio simple et performant

Nous souhaitons réaliser un préamplificateur audio stéréo 6 entrées, très simple : uniquement la commutation et un bouton de volume, très performant et économique.

Sur notre préamplificateur actuel, nous n'avons jamais utilisé les boutons balance, grave, aigu, loudness...

Nous souhaitons que l'audio fasse un circuit minimum, sans passer par des semi-conducteurs, ni des contacteurs ou relais ni potentiomètres !

Le composant clé pour cette réalisation est une LDR :

Une LDR est totalement linéaire, peut encaisser une centaine de volts et sa résistance peut varier (à la louche) d'une centaine d'ohms à une centaine de Mohms ce qui fait une dynamique de 1 million : pas mal !
On les trouve à 1 ou 2 € les 10...
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On réalise, en 16 exemplaires, une adaptation d'une Led Blanche (Warm White) et une LDR montées dans une gaine thermo rétractable noire avec du mastic silicone noir pour être à l'abri de la lumière.

Ces montages constituent des "potentiomètres" télécommandés qui ont pas mal d'avantages :
- Déporter les commutations et le réglage de volume en face arrière pour limiter le chemin de l'audio
- Économique
- Extrêmement linéaire (distorsion non mesurable)
- Pas de limite de tension maxi (100 V avant de dégrader les LDR)
- Bruit minimum (pas de jonction, pas de semi-conducteur)
- Pas de problème de contact : les relais et les commutateurs n'aiment pas toujours les très faibles courants ou tensions audio
- Entièrement statique : pas d'usure, de crachotement (comme notre préampli Denon actuel)

Caractéristiques calculées :
- Bande passante : mieux que de 0 à 100 kHz +- 1dB
- Distorsion : non mesurable
- Bruit (bruit d'une résistance de 5 k
ohm.jpg) En = racine (4kTR) pour 5 kohm.jpg : environ 5 nV/racine(Hz) soit 700 nV pour 20 kHz soit 123 dB de rapport S/B
- Tension maxi d'entrée : 70 Veff (100 V max)
- Diaphonie : à mesurer, probablement très faible vu le circuit : autour de 100 dB ?
- Consommation : environ 50 mA/12 V
- Coût : environ 30 € (20 € de profilés, 5 € de prises, 2 € de LDRs et Leds et 3€ pour le reste)
- Masse : un peu moins de 1 kg

Réalisation :
Installé dans un boîtier aux dimensions Hifi standard : 430 x 230 mais très mince (pour la place mais surtout pour l'esthétique) : hauteur 25 mm.
Le boitier, alimenté en 12V avec une prise Jack (la consommation est négligeable), a un grand trou au milieu...
- A l'arrière : l'embase 12V, les 14 embases Cinch RCA dorées (6 entrées et une sortie stéréo), les commutations et volume général
- A l'avant : les 6 boutons poussoir lumineux avec voyant, le potentiomètre log et  son bouton, l'ampli op, les 4017 et les composants périphériques.
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Le bouton de volume est équipé d'une Led.

Le boîtier est construit avec 4 profilés en U en alu 25x20 (2 à l'avant et 2 à l'arrière) et 2 profilés carrés en alu 20 pour les côtés, brossés et peints en noir.

Le coffret, en face avant, doit ressembler à ça : (Image de synthèse)

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Et la face arrière : (Image de synthèse)

preamp02.jpg

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Pour la fabrication, on peut réaliser et tester les parties avant et arrière de manière indépendantes. Il faut juste penser à faire passer les 9 fils de liaison à l'intérieur du profil carré de droite qui est percé de deux trous d10 coté intérieur, près des extrémités.

Les 4 profils en en U 25x20 sont fixés par les 2 profils carrés de 20 par 8 vis FM3x10 vis sur le dessous.

4 de ces vis maintiennent les pieds en plastique.

Avant :

Les poussoirs sont maintenus par un jonc en plastique D4 poussé contre l'arrière des poussoirs par 3 vis FM3x20 fixées sur le fond du profil en U. Ils sont reliés à la carte avant.

Le potentiomètre est un modèle 2x47kohm.jpg log stéréo (les 2 en //) de 17 de large qui rentre facilement dans le profil avant en U de 25x20 et donc de 21 intérieur.

Il est fixé sur une équerre en alu fixée sur le bas du profil en U avant par 2 vis FM3x10.

Le bouton, est constitué d'un cylindre en plastique creux, peint en noir, dans lequel on a fixé une Led rouge avec 2 fils souples qui suivent le bouton en tournant (le trou de passage de l'axe est plus grand pour laisser passer les fils tournant)

Ces 2 fils sont soudés aux bornes du potentiomètre via les 2 résistances talon et tout ça est relié, par 2 fils (via le profil carré droit), à l'embase 12 V arrière d'un côté, et vers la carte avant imprimé qui contient l'AOP et le 4017 à l'avant.

9 fils en tout relient la carte avant aux LDR arrière (via aussi le profil carré droit) (masse, +12 V, potentiomètre et les 6 entrées)

Vue de la partie avant, un profilé ôté : (Image de synthèse)

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Vue de l'arrière, l'autre profilé est ôté : (Image de synthèse)

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Arrière :

Les Leds + LDR sont soudées directement sur les sorties des Cinch RCA avec 3 fils le long de la face arrière : rouge = gauche, noir = masse, blanc = droit.

Attention, pour une atténuation maximale et la plus faible diaphonie possible, il faut souder la LDR au plus près du point chaud de l'embase Cinch RCA avec le fil de la LDR le plus court possible.

Les fils communs rouge et blanc doivent être le plus écartés possible pour la diaphonie.

Tous les fils passent dans le profilé carré 20 droit, il n'y a pas de fils dans le profilé carré 20 gauche.

Pour accéder à l'électronique avant, il suffit de dévisser 2 vis sur le dessous, de dégager le profilé avant, de le faire pivoter sur la droite et on accès à l'électronique et on peut faire encore fonctionner le  préamplificateur.

Idem pour l'arrière en dévissant 2 vis sur le dessous, dégager le profil arrière et le faire pivoter sur la gauche, on accès aux embases et aux LDR.

Vue de la partie arrière, un profilé ôté : (Image de synthèse)

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Vu la faible masse du préampli (un peu moins de 1kg), il est sans doute préférable de l'installer sous un autre appareil dans la chaîne Hifi.

Ca tombe bien : nous proposons un amplificateur audio 2x200 W d'environ 7 kg pour mettre dessus !

Un dernier point sujet à discussion : où relier la masse audio à  la masse électrique et au chassis et comment :
Sans doute au niveau de l'embase 12 V, et sans doute à travers 2 résistances de 100 
ohm.jpg pour déjouer des boucles de masse éventuelles dans l'installation audio...


Réalisation :

La carte logique avant en cours de réalisation : il n'y a pas grand chose : la plus grande partie des composants sert à l'oscillateur 100 kHz à ampli op.

Sinon, à part le condensateur chimique de découplage, il n'y a que la résistance de 100 kohm.jpg et le condensateur de 22 nF du circuit de reset pour entourer le CD4017.

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Les diodes et les résistances de Leds de 10 kohm.jpg sont montées directement sur les poussoirs, les résistances de Leds LDR de 22 kohm.jpg  sont montées directement sur les Leds LDR.

2 trous Ø3 percés sur le bord de cette carte permettront de la fixer par 2 vis FM3x10 et 6 écrous.

La carte avant percée, câblée avec le potentiomètre, son bouton avec sa Led, les fils courts pour aller aux poussoirs et aux Leds avant (à travers les diodes ou les R 10 kohm.jpg) et les fils longs pour aller (à travers le tube carré de droite) au Leds + LDR arrière (à travers les R 22 kohm.jpg) :

Noir = masse, marron = entrée 1, rouge = entrée 2, orange = entrée 3, jaune = entrée 4, vert = entrée 5, bleu = entrée 6, violet = poussoirs, gris = potentiomètre, rose = +12 V.

Rappelons qu'il n'y a que des tensions continues dans ces fils, pas le moindre signal audio ! (pas de ronfle, de diaphonie, de problème de masse, pas de "plop"...)

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Fabrication du composant clef en 16 exemplaires : 

Une diode Led de 5mm, une LDR, un morceau de gaine en plastique noir et de l'adhésif électrique noir. Il est important qu'il n'y ait pas la moindre fuite de lumière :

Il est recommandé de peindre aussi l'intérieur des profilés arrière (inutile pour les profilés avant). La sensibilité des LDR à la moindre fuite de lumière est incroyable.

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Fabriqué en 16 exemplaires : 2x6 pour les 6 entrées et 4 pour le volume stéréo (haut et bas)

Finalement, l'étanchéité à  la lumière n'est pas encore suffisante, nous avons modifié les 16 cellules. Le chiffre correspond à la résistance de la cellule, alimentée en 12 V via une résistance de 100 kohm.jpg pour les appairer (surtout pour celles utilisées pour le volume) :

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Mesures préliminaires :

Comme prévu, étant donné la simplicité du préampli et l'absence de semi-conducteurs traversés par l'audio, les mesures sont excellentes :

A vrai dire si on peut très largement faire mieux en fonctionnalités : THX, spdif, entrée optique, bluetooth, phono, monitor, ampli casque, baxandall, loudness, balance, mono... nous ne voyons pas comment faire mieux en performances...

Le gros problème d'utiliser les Led + LDR en potentiomètre, c'est l'appariement.
En commutation, il n'y a pas de problème : le commutateur est fermé ou ouvert.
En potentiomètre mono : ça va à peu près, la courbe n'est pas parfaite (mais la courbe des potentiomètres log ne l'est pas non plus et d'ailleurs, un potentiomètre log parfait ne permet pas d'atteindre le 0...
Par contre, en potentiomètre stéréo, même en ajustant les seuils, les disparités Led et LDR rendent difficile un bon appariement entre les deux voies...
Sans parler des dérives dans le temps...

Voici des mesures de potentiomètres Led + LDR compensées  par 4 résistances ajustables talon en haut et en bas :

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On voit très bien l'endroit utilisé pour la compensation...
Et les énormes écarts en dB : plus de 10 dB.
A notre avis, un écart de 1 dB serait acceptable mais 15....
Il vaut encore mieux utiliser directement notre potentiomètre log stéréo en direct (il y a aussi des écarts dans les potentiomètres).

Un fabricant américain utilise un microcontrôleur qui mesure au démarrage les  Led + LDR en DC et corrigent les courbes.
https://www.tortugaaudio.com/products/archive/ldr3-v2-passive-preamp/
Une autre solution serait de ne plus passer le continu, de superposer à la BF une tension continue, atténuée elle aussi par les Led + LDR et d'asservir la tension des Leds pour que l'atténuation de la tension continue corresponde à la position du potentiomètre...
Mais, bon, mélanger une alimentation, même filtrée à  BF ...

preamp12.jpg
Essai sur une voie
Le montage marche plutôt bien. Il faut une capacité de filtrage pas trop élevée. Sinon quand on baisse le volume,
la résistance de la LDR du haut, très élevée est très longue à charger la capacité.
Avec 2.2 uF, il faut 3 ou 4 s pour atteindre une atténuation à peu près totale.

Mesures : à gauche la position du potentiomètre log de 0 à 10, à droite, l'atténuation en dB
0.0    80 dB
0.4    80 dB
0.6    68 dB    -60 dB
0.8    60 dB   
1       54 dB        -57 dB
1.5    48 dB        -44 dB
2        40.5 dB    -33 dB
2.5    34.5 dB    -26 dB
3        27.5 dB    -20 dB
5        13 dB        -11 dB
6        9 dB        -7.5 dB
7        5 dB        -5 dB
8        2 dB        -3 dB
9        0 dB        -1.5dB
10     0 dB        -1 dB

Il faudrait optimiser la résistance en série avec le potentiomètre pour mieux utiliser la fin de course 8 9 10 : passer de 33 k
ohm.jpg à 39 kohm.jpg ou 47 kohm.jpg : il faut qu'à fond (10) on commence juste à atténuer.
Il reste à tester une 2e voie mais il n'y aucune raison qu'elle ne suive pas la 1ère, même si la Led et la LDR ont des specs différentes, même si elles évoluent avec le temps ou la température...
   
Variante :

Sinon, il y a la solution de conserver la commutation par Leds + LDR mais de régler le volume normalement, avec le potentiomètre log stéréo.
Dans ce cas, il est souhaitable d'ajouter une rallonge à l'axe du potentiomètre pour limiter la longueur des connexions audio :
Nous avons récupéré le canon d'un potentiomètre dans lequel nous avons collé un roulement à bille d=6 pour guider la rallonge sur la face avant.
Et l'équerre du potentiomètre avant est conservée.
(Image de synthèse)

preamp13.jpg

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Vue arrière : les embases on été resserrées et déplacées pour faire de la place au potentiomètre (les trous du profil arrière n'ont pas encore été déplacés mais on les voit mal sur cette vue) 
(Image de synthèse)
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Vue avec un profil arrière et l'équerre de maintien du potentiomètre ôtés
Le potentiomètre se trouve juste à côté de la sortie BF
(Image de synthèse)
preamp15.jpg
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Le préampli en cours de fabrication :
(Image réelle)
preamp16.jpg
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La bombe de peinture est vide...
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Cablage de la face avant :
- Le circuit imprimé est fixé par 2 vis M3
fixées sur le dessous du profilé
- Les boutons poussoir & Leds, montés en diagonale, sont maintenus contre la face avant par un jonc isolant en fibre de verre maintenu par 3 vis M3x20 fixées sur le dessous du profilé
- Chaque bouton poussoir est connecté à une diode 1N4148 pour le poussoir et une résistance de 10k
ohm.jpg pour la Led.
- Un faisceau de fils rejoint la face arrière pour les 6 commutations LDR (marron, rouge, orange, jaune, vert et bleu), la masse (noir) et le +12 V (en rose)
- La masse et le +12 V seront aussi connectés (via une résistance de 10 k
ohm.jpg) à la Led du bouton du potentiomètre via 2 fils souples qui passeront pas le trou du potentiomètre de la face avant.
Rappelons qu'il n'y aucune BF qui circule dans tous ses fils et l'oscillateur 100 kHz qui entraîne le CD4017 ne tourne que pendant quelques ms quand on appuie sur un bouton.
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Vue avant de la face avant : à la mise sous tension, c'est l'entrée 1, à gauche qui est active par défaut.
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Et il manque la couche de peinture noire finale...

Vues de la face arrière
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Vues du préampli complet (presque : il manque la Led du bouton de volume et une couche de peinture) :
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That's All, folks !

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27/06/2020