Obwód wzmacniacza mocy 100 W wykorzystujący mosfet

Wzmacniacz mocy jest częścią elektroniki audio. Służy do maksymalizacji wielkości mocy f danego sygnału wejściowego. W elektronice dźwiękowej wzmacniacz operacyjny zwiększa napięcie sygnału, ale nie może dostarczyć prądu, który jest potrzebny do wysterowania obciążenia. W tym samouczku zbudujemy obwód wzmacniacza mocy wyjściowej o mocy 100 W RMS przy użyciu tranzystorów MOSFET i tranzystorów z podłączonym do niego głośnikiem o impedancji 4 Ohm.

Topologia konstrukcyjna wzmacniaczy

W układzie wzmacniacza łańcuchowego wzmacniacz mocy jest używany na ostatnim lub ostatnim etapie przed obciążeniem. Ogólnie rzecz biorąc, system wzmacniacza dźwięku wykorzystuje poniższą topologię przedstawioną na schemacie blokowym

Jak widać na powyższym schemacie blokowym, wzmacniacz mocy jest ostatnim stopniem, który jest bezpośrednio podłączony do obciążenia. Generalnie, przed wzmacniaczem mocy, sygnał jest korygowany za pomocą przedwzmacniaczy i wzmacniaczy kontroli napięcia. Ponadto, w niektórych przypadkach, gdy wymagana jest kontrola tonu, obwód kontroli tonu jest dodawany przed wzmacniaczem mocy.

Poznaj swój ładunek

W przypadku systemu Audio Amplifier, obciążenie i zdolność napędzania wzmacniacza jest ważnym aspektem konstrukcyjnym. Głównym obciążenie dla wzmacniacza mocy jest Głośniki. Wyjście wzmacniacza mocy zależy od impedancji obciążenia, więc podłączenie niewłaściwego obciążenia może zagrozić wydajności wzmacniacza mocy, a także stabilności.

Głośnik to ogromne obciążenie, które działa jako obciążenie indukcyjne i rezystancyjne. Wzmacniacz mocy zapewnia wyjście AC, dlatego impedancja głośnika jest krytycznym czynnikiem dla prawidłowego przenoszenia mocy.

Impedancja to efektywna rezystancja obwodu elektronicznego lub komponentu dla prądu przemiennego, która wynika z połączonych efektów związanych z rezystancją omową i reaktancją.

W elektronice audiodostępne są różne typy głośników o różnej mocy i różnej impedancji. Impedancję głośników można najlepiej zrozumieć na podstawie relacji między przepływem wody w rurze. Wystarczy pomyśleć o głośniku jak o rurze wodnej, woda przepływająca przez rurę jest naprzemiennym sygnałem audio. Teraz, jeśli rura zwiększyła średnicę, woda będzie łatwo przepływać przez rurę, objętość wody będzie większa, a jeśli zmniejszymy średnicę, tym mniej wody przepłynie przez rurę, więc objętość wody będzie niższy. Średnica jest efektem rezystancji omowej i reaktancji. Jeśli rura zwiększy średnicę, impedancja będzie niska, więc głośnik będzie mógł uzyskać większą moc, a wzmacniacz zapewni większy scenariusz przenoszenia mocy, a jeśli impedancja wzrośnie, wzmacniacz dostarczy mniej mocy do głośnika.

Istnieją różne możliwości wyboru, a na rynku dostępne są różne segmenty głośników, generalnie 4 omy, 8 omów, 16 omów i 32 omy, z których głośniki 4 i 8 omów są szeroko dostępne w niskich cenach. Musimy również zrozumieć, że wzmacniacz o mocy 5 W, 6 W lub 10 W lub nawet większej ma moc RMS (Root Mean Square), dostarczaną przez wzmacniacz do określonego obciążenia podczas ciągłej pracy.

Musimy więc uważać na parametry głośników, parametry wzmacniaczy, wydajność głośników i impedancję.

Budowa prostego obwodu wzmacniacza audio o mocy 100 W.

W poprzednich samouczkach wykonaliśmy wzmacniacz mocy 10 W, wzmacniacz mocy 25 W i wzmacniacz mocy 50 W. Ale w tym samouczku zaprojektujemy wzmacniacz mocy wyjściowej o mocy 100 W RMS przy użyciu tranzystorów MOSFET.

W konstrukcji wzmacniacza o mocy 100 W zastosowano wiele tranzystorów i tranzystorów MOSFET. Zobaczmy specyfikację i schemat pinów ważnych tranzystorów MOSFET i tranzystorów. W stopniu wzmocnienia wzmacniacza zastosowaliśmy tranzystor wysokonapięciowy MPSA43. Jest to tranzystor NPN wysokiego napięcia, który działa jako wzmacniacz. Kołek z tranzystorem npn MPSA43 IS-

Użyliśmy dwóch komplementarnych tranzystorów średniej mocy MJE350 i MJE340. MJE350 to tranzystor PNP 500 mA w opakowaniu TO-225, a identyczny tranzystor pary NPN to MJE340. MJE340 ma taką samą specyfikację jak MJE350, ale jest to tranzystor średniej mocy NPN.

Diagramy Pinout dla obu z nich podano poniżej:

W ostatnim etapie zastosowano dwa tranzystory MOSFET mocy IRFP244 i IRFP9240. Połączenie tych dwóch elementów zapewnia moc wyjściową 100 W RMS przy obciążeniu 4 Ω.

Wymagane komponenty dla obwodu wzmacniacza mocy

1. Płyta Vero (można użyć kropkowanej lub podłączonej dowolnej osoby)
2. Lutownica
3. Drut lutowniczy
4. Szczypce i narzędzie do ściągania izolacji
5. Przewody
6. Złącza audio zgodnie z wymaganiami
7. Cienki aluminiowy radiator o grubości 5 mm i wymiarach 90 mm x 45 mm.
8. Zasilanie szynowe 40 V z szyną + 40 V GND -40 V.
9. Głośnik 4 Ohm 100 W.
10. Rezystor 1/4 ^th Watt (39R, 390R, 1k, 1,5k, 4,7k, 15k, 22k, 33k, 47k, 150k) - 1nos.
11. Rezystor 330R 1/4 ^th Watt - 3 szt
12. Rezystor 10R 10 Watt
13. 0,33R - 7 Watt - 2 szt
14. 0,22R - 10 Watt
15. Kondensator 100nF 100V - 2 szt
16. Kondensator 47uF 100V
17. 470pF 100V
18. 470nF 63V
19. 10pF 100V
20. Dioda 1n4002
21. IRFP244
22. IRF9240
23. MJE350
24. MJE340
25. BC546 - 2 szt
26. MPSA43 - 3 szt

Schemat i objaśnienie obwodu wzmacniacza audio 100 W.

Schemat tego 100-watowego wzmacniacza audio ma kilka stopni. Na początku pierwszego stopnia wzmocnienia sekcja filtrująca blokuje niepożądane szumy częstotliwościowe. Ta sekcja filtru jest tworzona przy użyciu R3, R4 i C1, C2.

Na drugim stopniu obwodu Q1 i Q2, które są tranzystorami MPSA43, pracują jako wzmacniacz różnicowy i doprowadzają sygnał do dalszego stopnia wzmocnienia.

Następnie wzmocnienie mocy odbywa się na dwóch tranzystorach MOSFET, IRFP244N i IRF9240. Te dwa tranzystory MOSFET są ważną częścią obwodu. Te dwa tranzystory MOSFET działają jako sterownik typu push-pull (szeroko stosowana topologia lub architektura wzmocnienia). Do sterowania tymi dwoma tranzystorami MOSFET Q5 i Q7 używane są tranzystory MJE350 i MJE340. Te dwa tranzystory mocy zapewniają wystarczający prąd bramki do napędzania tranzystorów MOSFET. R15 i R14 to rezystory ograniczające prąd, które chronią bramkę MOSFET przed prądem rozruchowym. To samo dzieje się w przypadku R12 i R13 w celu ochrony obciążenia wyjściowego z przemiennika prądu rozruchowego. R18 to rezystor o dużej mocy, który działa jako obwód zaciskowy z kondensatorem 100nF. R16 zapewnia również dodatkowe zabezpieczenie nadprądowe.

Testowanie obwodu wzmacniacza 100 W.

Użyliśmy narzędzi symulacyjnych Proteus, aby sprawdzić wyjście obwodu; mierzyliśmy moc na wirtualnym oscyloskopie. Możesz sprawdzić cały film demonstracyjny podany poniżej

Układ zasilamy napięciem +/- 40V i dostarczany jest sygnał wejściowy sinusoidalny. Kanał A oscyloskopu (żółty) jest podłączony do wyjścia przy obciążeniu 4 Ω, a sygnał wejściowy do kanału B (niebieski).

Widzimy różnicę wyjściową między sygnałem wejściowym a wzmocnionym wyjściem na wideo: -

Sprawdziliśmy również moc wyjściową, moc wzmacniacza w dużym stopniu zależy od wielu rzeczy, jak omówiono wcześniej. Zależy to w dużym stopniu od impedancji głośnika, wydajności głośnika, sprawności wzmacniacza, topologii konstrukcji, całkowitych zniekształceń harmonicznych itp. Nie mogliśmy wziąć pod uwagę ani obliczyć wszystkich możliwych czynników, które tworzą zależności w mocy wzmacniacza. Rzeczywisty obwód różni się od symulacji, ponieważ podczas sprawdzania lub testowania wyjścia należy wziąć pod uwagę wiele czynników.

Obliczanie mocy wzmacniacza

Użyliśmy prostego wzoru do obliczenia mocy wzmacniacza:

Moc wzmacniacza = V ² / R

Podłączyliśmy multimetr AC do wyjścia. Napięcie AC pokazane na multimetrze jest napięciem zmiennym międzyszczytowym.

Dostarczyliśmy sygnał sinusoidalny o bardzo niskiej częstotliwości 25-50 Hz. Podobnie jak w przypadku niskich częstotliwości, wzmacniacz dostarczy więcej prądu do obciążenia, a multimetr będzie w stanie prawidłowo wykryć napięcie AC.

Multimetr pokazał + 20,9V AC. Tak więc, zgodnie ze wzorem, wyjście wzmacniacza mocy przy obciążeniu 4 Ohm wynosi

Wzmacniacz Moc = 20,9 ² /4 wzmacniacz Moc = 109.20 (więcej niż około 100 W)

Rzeczy do zapamiętania podczas konstruowania wzmacniacza audio o mocy 100 W.

1. Podczas budowy obwodu tranzystory MOSFET muszą być prawidłowo połączone z radiatorem na etapie wzmacniacza mocy. Większy radiator zapewnia lepszy wynik. Tranzystory mocy Q5 i Q7 muszą być odpowiednio odprowadzane ciepła za pomocą małych aluminiowych radiatorów w kształcie litery U.
2. Dla lepszego efektu dobrze jest używać kondensatorów skrzynkowych klasy audio.
3. Zawsze dobrym wyborem jest użycie PCB do aplikacji związanych z dźwiękiem.
4. Spraw, aby ślady wzmacniacza różnicowego były krótkie i jak najbliższe ścieżki wejściowej.
5. Utrzymuj linie sygnału audio oddzielone od zakłócających linii zasilających.
6. Uważaj na grubość śladów. Ponieważ jest to konstrukcja o mocy 100 W, wymagana jest większa ścieżka prądu, więc zmaksymalizuj szerokość śladu. Lepiej jest użyć płyty miedzianej 70 mikronów w układzie dwustronnym z maksymalnymi przelotkami dla lepszego przepływu prądu.
7. W całym obwodzie należy utworzyć płaszczyznę uziemienia. Utrzymuj jak najkrótszą drogę powrotną do ziemi.

Osiągaj lepsze wyniki

W tej 100-watowej konstrukcji można wprowadzić kilka ulepszeń w celu uzyskania lepszej wydajności.

1. Dodaj kondensator odsprzęgający 4700 uF o wartości co najmniej 100 V na dodatnim i ujemnym torze zasilania.
2. Użyj rezystorów MFR 1% dla lepszej stabilności.
3. Zmień diodę 1N4002 na UF4007.
4. Zmień R11 za pomocą potencjometru 1k, aby sterować prądem spoczynkowym na tranzystorach MOSFET mocy.
5. Dodaj bezpiecznik na wyjściu, będzie chronić obwód przed przesterowaniem głośnika lub stan zwarcia wyjścia.

Sprawdź również inne obwody wzmacniaczy audio:

• 40-watowy wzmacniacz audio wykorzystujący TDA2040
• 25-watowy obwód wzmacniacza audio
• Wzmacniacz audio 10 W wykorzystujący wzmacniacz operacyjny
• Obwód wzmacniacza mocy 50 W wykorzystujący tranzystory MOSFET