Obwód wzmacniacza mocy 50 W wykorzystujący mosfety

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 wzmacniacz mocy wyjściowej o mocy 50 W RMS przy użyciu tranzystorów MOSFET z podłączonym do niego głośnikiem o impedancji 8 omów.

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 audio dostępne 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 może uzyskać większą moc, a wzmacniacz zapewnia większy scenariusz przenoszenia mocy, a jeśli impedancja wzrośnie, wzmacniacz dostarczy mniejszą moc 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 wzmacniacza 50W

W poprzednich samouczkach stworzyliśmy wzmacniacz mocy 10 W, wzmacniacz mocy 25 W i wzmacniacz mocy 40 W. Ale w tym samouczku zaprojektujemy wzmacniacz mocy wyjściowej o mocy 50 W RMS przy użyciu tranzystorów MOSFET. W poprzednich samouczkach używaliśmy dedykowanego układu scalonego wzmacniacza mocy, TDA2040 dla wzmacniaczy 25 W i 40 W, ale w tym projekcie użyjemy bezpłatnych tranzystorów MOSFET z kanałami N i P, aby uzyskać moc wyjściową 50 W. Wyjście będzie dość stabilne, a THD będzie minimalne. Będziemy jeździć 8 omów Load with it.

Wykorzystaliśmy dwa popularne, komplementarne tranzystory MOSFET IRF530N i IRF9530N, które są szeroko dostępne w lokalnych sklepach, a także w sklepach internetowych.

Na powyższym obrazku lewy to IRF530N, a prawy IRF9530N. Oba są pakietem TO-220AB.

Te dwa tranzystory MOSFET działają w trybie push-pull, aby napędzać głośnik 8 omów i 50 W RMS.

Wymagany składnik

Aby zbudować obwód, potrzebujemy następujących komponentów:

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. Cienki aluminiowy radiator o grubości 2 mm i wymiarach 50 mm x 30 mm.
7. Zasilanie Rail to Rail 35 V z wyjściem + 35 V GND -35 V.
8. Głośnik 8 Ohm 50 W.
9. Rezystory (10R, 300R, 560R, 680R, 820R, 1,2k, 2,2k, 10k, 15k) - 1nos.
10. Rezystory (2,7k, 4,7k, 47k) - 2nos.
11. Kondensator 100uF 63V
12. Kondensator 47uF 63V - 2szt
13. 68nF 100V
14. 220pF 50V
15. Dioda 1n4002
16. IRF530
17. IRF9530
18. .1uH Cewka powietrzna 5A znamionowa
19. BC556 -2 szt
20. BC546 - 2 szt

Schemat obwodu i wyjaśnienie

Schemat tego 50-watowego wzmacniacza audio ma kilka stopni. Na początku wzmocnienia filtr dolnoprzepustowy blokuje szum o wysokiej częstotliwości. Ten filtr dolnoprzepustowy jest tworzony za pomocą R1, R2 i C1. Rezystory R1 i R2 mają dwie operacje, po pierwsze jest częścią filtru dolnoprzepustowego, po drugie jest dzielnikiem napięcia i ogranicznikiem prądu.

Na drugim stopniu obwodu Q1 i Q2, które są tranzystorami BC556, działają jako wzmacniacz różnicowy.

Następnie wzmocnienie mocy odbywa się na dwóch tranzystorach MOSFET, IRF530N i IRF9530. Te dwa tranzystory MOSFET są komplementarnymi i dopasowanymi parami. Dwa tranzystory MOSFET mają tę samą specyfikację, ale jeden jest kanałem N, a drugi kanałem P. To ważna część obwodu. Te dwa tranzystory MOSFET działają jako sterownik typu push-pull (szeroko stosowana topologia lub architektura wzmocnienia). Do napędzania tych dwóch tranzystorów MOSFET, Q3 i Q4, używany jest BC546. Te dwa tranzystory zapewniają wystarczający napęd bramki dla tranzystorów MOSFET. R15 to rezystor o dużej mocy, który działa jako obwód zaciskający z kondensatorem 68nF i dodaną cewką indukcyjną 1uH, aby zapewnić stabilne wzmocnienie głośnika 8 Ohm.

Testowanie obwodu wzmacniacza 50 W.

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

Układ zasilamy napięciem +/- 35V i dostarczany jest sygnał wejściowy sinusoidalny. Kanał A oscyloskopu (żółty) jest podłączony do wyjścia przy obciążeniu 8 omów, 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 + 20,1V AC. Tak więc, zgodnie ze wzorem, moc wyjściowa wzmacniacza mocy przy obciążeniu 8 omów wynosi

Wzmacniacz Moc = 20,1 ² /8 wzmacniacz Moc = 50,50 (w przybliżeniu 50 W)

Rzeczy do zapamiętania podczas konstruowania wzmacniacza mocy 50 W.

1. Podczas budowy obwodu tranzystory MOSFET muszą być prawidłowo połączone z radiatorem na etapie wzmacniacza mocy. Większy radiator zapewnia lepszy wynik.
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 50 W, wymagana jest większa ścieżka prądu, więc zmaksymalizuj szerokość śladu.
7. W całym obwodzie należy utworzyć płaszczyznę uziemienia. Utrzymuj jak najkrótszą drogę powrotną do ziemi.

Osiągaj lepsze wyniki

W tej 50-watowej konstrukcji można wprowadzić kilka ulepszeń w celu uzyskania lepszej wydajności.

1. Dodaj kondensator odsprzęgający 220 uF o wartości co najmniej 63 V na dodatnim i ujemnym torze zasilania.
2. Użyj rezystorów MFR 1% dla lepszej stabilności.
3. Zmień diodę 1N4002 na UF4007.
4. Wymień R13 za pomocą potencjometru 1k, aby kontrolować prąd spoczynkowy na tranzystorach MOSFET mocy.
5. Użyj cewki toroidalnej zamiast rdzenia powietrznego z.25uH 5A.
6. 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