Amplification en courant & CCFB

[J-C.B]

Bonjour,

La force motrice appliquée à l'équipage mobile d'un HP est directement liée au courant qui traverse la bobine mobile.
L'idée, de s'assurer que le courant, qui traverse la bobine, soit fonction de la tension d'entrée et indépendant de la fréquence, est alléchante.
En fait, si l'idée est bonne pour le contrôle des mouvements aux fréquences bien supérieures à la fréquence de résonance, en s'affranchissant de l'effet passe bas de la bobine mobile, son effet est néfaste à la zone des fréquences environnant celle de la résonance car elle en accentue les effets.

Dans un premier temps, l'objectif est de réaliser un système qui ait au moins les caractéristiques d'une amplification en tension dans les fréquences basses, et celle d'une amplification en courant dans les fréquences hautes. Autrement dit un système qui gomme les effets de la résonance et qui contribue à une compensation de l'effet passe bas du à l'inductance électrique de la bobine. Pour ce faire, je vous propose de développer graduellement les phénomènes qui permettent d'atteindre ce premier but.

Le second, est une conséquence du premier. Il amène à une nouvelle forme d'asservissement particulièrement bien adaptée aux tweeters et moteurs à chambre de compression.
Je l'ai baptisé CCFB (Current cinétic Feed back) et en ai fait le dépôt à l'INPI, sous la forme d'une enveloppe Soleau.

Toute exploitation commerciale de cette idée, sans mon accord, est illicite.

Cordialement

[J-C.B]

Principe et conséquences d'une amplification en courant

Le schéma de principe dans lequel les composantes du HP ramenées dans le circuit électrique sont très simplifiées est le suivant.
Les valeurs adoptées sont celles du ScanSpeak d7608-920010

agrandie http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/Base/HP_Courant_sch.jpg
Le convertisseur tension/courant G1 possède une transconductance (A/V) g=1/Rt.
Rt étant une Résistance talon qui apparaitra dans les montages pratiques qui suivent. Ce choix est guidé par la facilité de comparaison entre les montages proposés

Le diagramme de Bode de ce circuit est le suivant:

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/Base/HP_Courant_Bode.jpg
Il permet de se rendre compte que la courbe de réponse ( en noir) est modelée par la présence de l'impédance motionnelle Zem.
Inaccessible à une mesure directe, le miracle de la simulation, montre le niveau relatif, ou la réponse aux bornes de Zem (en rouge).
Pour qu'un montage de ce type soit exploitable en audio, sa courbe de réponse devrait être celle du niveau relatif relevé aux bornes de Ze (en bleu)
L'impédance de sortie du convertisseur étant celle d'un générateur de courant théorique, donc infinie.
- Le Qe du montage est infini,
- Seule la résistance Rem amorti les effets de Lem et Cem.
- Son coefficient de qualité ( coefficient de Sur-intensité dans un circuit //) dans le circuit électrique correspond à Qms. Ce qui ramène à Qt=Qms
L'impédance motionnelle Zem n'est donc pas amortie par l'impédance Ze.

Le diagramme des courants dans les éléments de Zem permet de confirmer ces remarques

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/Base/HP_Courant_IZem.jpg
Sur le diagramme du bas, on constate que le courant dans Rem à la fréquence de résonance est celui généré par le circuit de sortie du convertisseur tension/courant.
Sur celui du haut apparaissent les sur intensités dans Cem et Lem. Ce sont leur module qui sont représentés. Dans la réalité à la fréquence de résonance, leurs amplitudes sont égales et de signes opposés. A cette seule fréquence, le rapport entre le courant iLem qui traverse Lem ou iCem qui traverse Cem, sur celui iRem qui traverse la résistance Rem, permet de définir Qms. Dans notre cas Qms=7.54 (donnée constructeur Qms=7.75)

Suite ....

[J-C.B]

Solution souvent adoptée pour étendre la réponse haute

Elle consiste à placer une résistance Rs entre la sortie d'un amplificateur (de tensions) et le HP

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/AmpU-R/Images-reduites/HP_Uamp_Sch--860-x-342-.jpg
Le schéma de gauche (sh 2) est celui d'un ampli de tensions à gain constant A=10 chargé par la série Rs + HP

En faisant varier la résistance Rs de 0 à 60 Ohms par pas de 10 Ohms, il correspond à ce schéma le diagramme de Bode

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/AmpU-R/HP_Uamp_Bode.jpg
Dans laquelle, la réponse est plate pour Rs=0 et se module plus Rs augmente.
Le niveau moyen est inversement proportionnel à Rs.
La réponse aux bornes de Zem permet de se rendre compte que l'impédance motionnelle Zem du HP est amorti par l'impédance Ze lorsque Rs=0 et que cet amortissement diminue lorsque Rs augmente, Qe augmente avec Rs, et le Qt tend progressivement vers Qms. Il ne peut l'atteindre que si Rs est infinie, ce qui revient au précédent montage utilisant un amplificateur à transconductance.
Par contre, il est clair que la remontée relative dans le haut du spectre est progressive et d'autant plus proche de la compensation de Ze lorsque Rs augmente.
Les variations du niveau relatif de tension aux bornes de l'impédance Ze explicitent un peu plus les effets de Rs

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/AmpU-R/HP_Uamp_BodeZe.jpg

La représentation du courant circulant dans le HP

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/C ... Uamp_I.jpg
montre que le filtrage passe bas due à Ze diminue lorsque Rs augmente. Le courant, pour les fréquences supérieures à la résonance se linéarise d'autant mieux que Rs augmente;

Afin de comparer au mieux les effets de Rs sur la courbe de réponse et l'amortissement de Zem, le schéma de droite (sh3) compense, par augmentation du gain de l'ampli, la chute du niveau moyen de sortie.
Le diagramme de Bode correspondant

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/AmpU-R/HP_UampC_Bode.jpg
Le courant circulant dans le HP

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/AmpU-R/HP_UampC_I.jpg

Ces deux montages ont des inconvénients majeurs:
- La linéarisation du courant implique une plus grande puissance dissipée par la résistance additionnelle, que dans le HP.
- L'amortissement du HP se détériore, ce qui peut occasionner, sans précaution, un déplacement prohibitif de la membrane aux alentour de Fs.

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/AmpU-R/HP_UampC_IZem.jpg
- La courbe de réponse est d'autant plus marquée à la résonance que la résistance additionnelle est élevée. Pour réduire ce défaut le HP doit travailler de telle manière qu'a la fréquence de résonance Fs, le niveau soit très affaibli. Principalement utilisé pour les tweeters, pour lequel un filtrage en amont est nécessaire, ce montage implique que la fréquence de coupure du filtre soit très éloigné de Fs, ou que sa pente soit suffisamment raide, pour gommer efficacement la présence de la résonance.

Dans le diagramme précédent, les courants dans chacune des branches correspondent à une image du mouvement du cône.
Sachant que Lem=Cms * (B.l)², l'intensité traversant Lem est à l'image du déplacement,
De la même manière le courant traversant Rem=(B.l)²/Rms est une image de la vitesse du déplacement,
et le courant traversant Cem=Mms/(B.l)² est à l'image de l'accélération.
Pour un HP à membrane, chargée par une enceinte close Cms sera remplacé par la compliance mécanique équivalente à celle du HP et celle de la boite.

[J-C.B]

CCFB (Current Cinétic Feed Back) d'un tweeter

---------------------------------Circuits d'approche --------------------------------
Comme auparavant, les circuits électriques et motionnels du HP sont simplifiés à l'extrême.
Les schémas de principe, d'application, et les résultats qui en découlent, ne sont placés que comme éléments de la progression de l'étude.

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/CCFB_TW/TW_CCFB_appli1.jpg

- résultats du schéma théorique (sh 6)
A partir du diagramme de Bode

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/CCFB_TW/TW_CCFB_Bode.jpg
Il comporte deux familles de courbes
- celles de l'amplificateur de courant, sans boucle de correction (BO pour boucle ouverte)
- celles du même ampli avec la boucle correctrice.
A noter que la réponse aux hautes fréquences est indépendante de la boucle de correction, mais que sa présence amorti le circuit RLC// motionnel.
Rt est la résistance talon au HP permettant d'assurer la CR d'intensité. En Boucle ouverte (pas de correction) la tension à ses bornes est égale à la tension d'entrée. La transconductance (pente pour les tubistes) de l'ampli est donc égale à 1/Rt.

Les courants circulant dans l'impédance motionnelle, sont à l'image du mouvement du diaphragme. Leur représentation permet de juger de l'efficacité du feed back sur le déplacement, la vitesse et l'accélération. Le taux de CR est choisi pour une optimisation de la courbe d'accélération, autrement dit de la pression délivrée par la membrane. L'influence de l'impédance de rayonnement n'est pas prise en compte. Le circuit final devra en tenir compte.

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/CCFB_TW/TW_CCFB_IZem.jpg

Montage pratique (sh7)
Dans la mesure ou les circuits sont simplifiés, ce montage possible, contrôle le courant dans la bobine, tout en amortissant l'action de Lem (image des compliances mécaniques) et Cem (image des masses mécaniques).
Son diagramme de Bode est le suivant

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/CCFB_TW/TW_CCFB_appli1_Bode.jpg

Les courants dans l'impédance motionnelle étant à l'images du mouvement,

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/CCFB_TW/TW_CCFB_appli1_IZem-copie-1.jpg
Ce graphe donne une bonne idée de l'efficacité du circuit.
Les spécialistes verront les circuits de stabilisation qui sont à apparenter au PID d'un servo mécanisme.

Le circuit modélisé du HP ainsi que le convertisseur pression => flux de vitesse , ajoutés au précédent schéma, montre après interprétation et transformations que, dans le cas du tweeter, la boucle négative de courant suffit presque. L'analyse conduit par transformation des réseaux à l'attaque de l'ampli par un réseau adapté. La compression thermique est théoriquement inexistante, et négligeable dans la pratique. Le léger décalage est principalement lié à la présence des réseaux de stabilisation.
Les schémas théorique et pratique (enfin presque si l'on oublie que le HP est modélisé)

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/CCFB_TW/CCFB_Tweeter/CCFB_TW_Sch.jpg
Les écarts de SPL liés aux variations de Re ,représentée par Ret qui simule l'effet d'échauffement de la bobine, n'excède pas 0.9dB à 20kHz. A l' élévation de température de 129°C , vis à vis de la température ambiante, correspondent à une variation de Re (via Ret) de 3 Ohms.
Les effets apparaissent sur le diagramme de Bode . En noir tracé des performances du modèle théorique, en rouge celles du schéma pratique

http://ddata.over-blog.com/1/74/30/05/CCFB/CCFB_TW/CCFB_Tweeter/CCFB_TW_Bode.jpg
On peut estimer que ce montage dérive de 0.007 dB/°C à 20kHz. Il contrôle le tweeter jusqu'à plus de 30kHz.

Cordialement

[J-C.B]

CCFB (Current Cinétic Feed Back) généralisé
Suite.....

[JIM]

Bonjour JCB,

Super initiative.

Pour l'effet passe bas de la bobine mobile lorsque le hp est commandé en tension.
Les tweeters en général sont assez linéaire comme les compressions lorsque elles ne sont pas montées sur un pavillon à directivité constante.

Si je suis ton raisonnement, la commande en courant provoquera donc une remontée des aigus ... Ce qui va encore demander une égalisation ?

Commande en courant, intérêt ?
JMLC a posté sur le forum audax une mesure de distorsion favorable à la commande en courant des compressions (surtout aux fréquences élevées). Je ne mets pas en doute mais j'aimerai bien voir d'autre mesure de ce type. As tu des liens sur le sujet commande en courant et distorsion ?

Suggestion.
Ce serait super si tu pouvais rajouter une simu avec commande en tension pour voir clairement les différences.

Dernières questions
Je suppose que ton schéma fait intervenir un asservissement en tension pour éviter tout les problèmes de fréquences de résonnance ?
Cet ampli sera t'il transparent vis à vis des enceintes (réponse linéaire) sans avoir à étudier la courbe d'impédance et prévoir les divers cellules de compensation ?
Facteur d'amortissement ?

A+

[J-C.B]

Bonjour Jim,

Suggestion.
Ce serait super si tu pouvais rajouter une simu avec commande en tension pour voir clairement les différences.

J'espère que le deuxième volet que je viens de poster répondra à tes interrogations.

Dernières questions
Je suppose que ton schéma fait intervenir un asservissement en tension pour éviter tout les problèmes de fréquences de résonnance ?
Cet ampli sera t'il transparent vis à vis des enceintes (réponse linéaire) sans avoir à étudier la courbe d'impédance et prévoir les divers cellules de compensation ?
Facteur d'amortissement ?

Ces réponses viendront vite. Si tu le veux bien je préfère développer avant de répondre. De toute manière, il y a asservissement, mais il est double.

Commande en courant, intérêt ?
JMLC a posté sur le forum audax une mesure de distorsion favorable à la commande en courant des compressions (surtout aux fréquences élevées). Je ne mets pas en doute mais j'aimerai bien voir d'autre mesure de ce type. As tu des liens sur le sujet commande en courant et distorsion ?

La commande en courant seule n'a pas, amha, un gros intérêt si ce n'est qu'elle élargie la zone du travail en pression du transducteur dans les hautes fréquences. A partir de la imaginer que la distorsion est réduite dans cette zone ne m'étonne pas du tout. Je n'ai pas de doc significative sur le sujet.

Cordialement

[JIM]

Ok, JCB, j'attend la suite et bravo pour ce travail.

[J-C.B]

Bonsoir Jim,
Afin d'entamer une réponse à ta question concernant l'intérêt de l'attaque en courant, j'ai ajouté un diagramme des modules de courants circulant dans l'impédance motionnelle.
Sachant que ces courants sont des images des éléments du mouvement, il apparait clairement que la linéarisation vers le haut du spectre facilite la constance de l'accélération dans cette zone.
Il n'en va pas de même à Fs ou une forte coloration du message sonore est à craindre si les précautions d'usage ne sont pas prises.
Dans la zone de Fs il apparait un déplacement de membrane qui peut atteindre des valeurs critiques (Au max Qms fois la valeur atteinte aux fréquences inférieures). D'ou l'intérêt d'un filtrage qui en tienne compte.
Cordialement

[tcli]

Ah, l'amplification en courant ... un serpent de mer qui resurgit régulièrement et que j’espère tu as réussi à dompter !

Je suis surpris que tu cite la solution d'un résistance en série comme une "Solution souvent adoptée pour étendre la réponse haute" car
comme l'a dit JIM, les concepteurs de tweeter, conçoivent pour des amplis de tension, et compensent en général les effets de Le pour
obtenir une réponse plate.
Par contre, cette solution est souvent utilisée pour étendre la réponse basse , aux alentours de la résonance,
avec comme inconvénient majeur la perte de puissance dans la résistance.
Par exemple : N. Pass s'est amusé à tester cette solution avec tout un ensemble de HP large bande : http://www.passdiy.com/pdf/cs-amps-speakers.pdf

[J-C.B]

Bonsoir tcli,

Ah, l'amplification en courant ... un serpent de mer qui resurgit régulièrement et que j’espère tu as réussi à dompter !

Ben je crois, en cherchant ses avantages, et en trouvant de remède contre ses inconvénients. L'habitude de travailler sur des asservissements m'a énormément aidé.
En fait, je cherche depuis toujours un procédé capable d'asservir un tweeter. Jusqu'à maintenant j'ai adapté le système d'asservissement que je maitrise, en étant conscient qu'il y avait mieux à faire.

Je suis surpris que tu cite la solution d'un résistance en série comme une "Solution souvent adoptée pour étendre la réponse haute"

Parce que c'est le cas. Il est vrai que cette solution est plus souvent adoptée pour les chambres de compression, mais si tu le tentes sur un tweeter à dôme tu verras que ton tweeter s'éclaire dans le haut. C'est surtout le mode de rayonnement de ce type de tweeter qui facilite la retransmission des fréquences hautes. Il ne s'agit plus d'un piston, mais d'une portion de sphère oscillante.

N. Pass s'est amusé à tester cette solution avec tout un ensemble de HP large bande

Je ne l'interprète pas comme ça. Il gomme grace au RLC série externe accordé sur la résonance du HP les effets de la résonance // de l'impédance motionnelle.
En ce qui concerne le circuit RC externe il est calculé de telle manière à ce que son action annule celle de Re,Le.

comme l'a dit JIM, les concepteurs de tweeter, conçoivent pour des amplis de tension, et compensent en général les effets de Le pour obtenir une réponse plate.

Ben pas vraiment, ils s'arrangent pour que la fréquence de coupure électrique soit la plus haute possible. Il suffit de regarder les courbes de réponse en ayant préalablement calculé cette fréquence pour se rendre compte que la réponse décroit.

Cordialement

[tcli]

Bonsoir tcli,

Ah, l'amplification en courant ... un serpent de mer qui resurgit régulièrement et que j’espère tu as réussi à dompter !

Ben je crois, en cherchant ses avantages, et en trouvant de remède contre ses inconvénients. L'habitude de travailler sur des asservissements m'a énormément aidé.
En fait, je cherche depuis toujours un procédé capable d'asservir un tweeter. Jusqu'à maintenant j'ai adapté le système d'asservissement que je maitrise, en étant conscient qu'il y avait mieux à faire.

On attend tous ta solution avec impatience, le suspense est insoutenable

N. Pass s'est amusé à tester cette solution avec tout un ensemble de HP large bande

Je ne l'interprète pas comme ça. Il gomme grace au RLC série externe accordé sur la résonance du HP les effets de la résonance // de l'impédance motionnelle.
En ce qui concerne le circuit RC externe il est calculé de telle manière à ce que son action annule celle de Re,Le.

Pourtant il dit :

Let's assume that we want to achieve optimal frequency response for a given system. This is
not necessarily the best-sounding system possible but causes less subjective arguments. We
can trim the damping "Q" of the low frequency roll-off knee by trying different values for R0
(L0 = 0 in this case) until it flattens out to our taste. Most of the drivers we worked with were
happy with values from about 22 ohms to about 47 ohms. It is surprising that so little damping
gave such dramatic results but as previously pointed out, this category of loudspeaker
responds well to small amounts of damping.

mais bon ce n'est pas important, je ne veux pas polluer ton sujet qui s'annonce des plus intéressant.

[J-C.B]

Bonjour tcli,
Je n'ai fait qu'interpréter le schéma. Mais je n'ai peut être pas tout saisi du texte de N.Pass.
Pour le fun, et vu que je doutais de mon interprétation, je suis allé sur Voila et, voici ce que m'a donné le traducteur

Permettez à 's de supposer que nous voulons accomplir la réponse en fréquence optimale pour un système donné. C'est
pas nécessairement le semblant meilleur système possible, mais provoque moins d'arguments subjectifs. Nous
pouvons couper le fait d'humecter "Q " du rouleau de fréquence bas - du genou en essayant de différentes valeurs pour R0
(L0 = 0 dans ce cas-là) jusqu'à ce qu'il s'aplanisse à notre goût. La plupart des chauffeurs avec qui nous avons travaillé étaient
heureux avec les valeurs d'environ 22 ohms à environ 47 ohms. Il est surprenant que si peu que le fait d'humecter
a donné de tels résultats dramatiques, mais comme auparavant montré, cette catégorie de haut-parleur
répond bien à de petites quantités du fait d'humecter.

Savoureux non!
Cordialement

[tututpouet]

Je n'y comprends rien, mais c'est joli. Donc je plante un drapeau.

[J-C.B]

Bonjour,
Quelques courbes d'éfficacité théorique du CCFB viennet d'être placées dans le 3° post de la page.
Je tenterais de placer dans la journée celles d'un des montages pratiques possibles.
Cordialement