Circuit amplificator de putere de 100 W utilizând MOSFET

Amplificatorul de putere este partea electronică audio. Este conceput pentru a maximiza magnitudinea puterii semnalului de intrare dat. În electronica sunetului, amplificatorul operațional crește tensiunea semnalului, dar nu poate furniza curentul, care este necesar pentru a conduce o sarcină. În acest tutorial, vom construi un circuit de amplificare a puterii de ieșire de 100W RMS utilizând MOSFET-uri și tranzistoare cu un difuzor de impedanță de 4 Ohmi conectat la acesta.

Topologie de construcție pentru amplificatoare

Într-un sistem de lanț de amplificator, amplificatorul de putere este utilizat în ultima sau ultima etapă înainte de încărcare. În general, sistemul amplificatorului de sunet utilizează topologia de mai jos, prezentată în diagrama bloc

După cum puteți vedea în diagrama bloc de mai sus, Amplificatorul de putere este ultima etapă care este conectată direct la sarcină. În general, înainte de amplificatorul de putere, semnalul este corectat folosind amplificatoare pre și amplificatoare de comandă de tensiune. De asemenea, în unele cazuri, în care este necesar controlul tonului, circuitele de control al tonului sunt adăugate înainte de amplificatorul de putere.

Cunoaște-ți sarcina

În cazul sistemului amplificator audio, sarcina și capacitatea de conducere a amplificatorului sunt un aspect important în construcție. Sarcina majoră pentru un amplificator de putere este difuzorul puternic. Ieșirea amplificatorului de putere depinde de impedanța de încărcare, astfel încât conectarea unei sarcini necorespunzătoare ar putea compromite eficiența amplificatorului de putere, precum și stabilitatea.

Difuzorul puternic este o sarcină uriașă care acționează ca o sarcină inductivă și rezistivă. Amplificatorul de putere oferă ieșire de curent alternativ, datorită acestui fapt impedanța difuzorului este un factor critic pentru transferul adecvat de putere.

Impedanța este rezistența efectivă a unui circuit electronic sau a unei componente pentru curent alternativ, care rezultă din efectele combinate legate de rezistența ohmică și reactanța.

În electronica audio, diferite tipuri de difuzoare sunt disponibile în puteri diferite cu impedanță diferită. Impedanța difuzorului poate fi înțeleasă cel mai bine folosind relația dintre fluxul de apă în interiorul unei țevi. Gândiți-vă doar la difuzor ca la o conductă de apă, apa care curge prin conductă este semnalul audio alternativ. Acum, dacă conducta a devenit mai mare în diametru, apa va curge cu ușurință prin conductă, volumul de apă va fi mai mare și, dacă scădem diametrul, cu atât va curge mai puțină apă prin conductă, deci volumul de apă va fi inferior. Diametrul este efectul creat de rezistența ohmică și reactanța. Dacă conducta devine mai mare în diametru, impedanța va fi scăzută, astfel încât difuzorul poate obține mai multă putere și amplificatorul oferă un scenariu de transfer de putere mai mare și dacă impedanța crește, atunci amplificatorul va oferi mai puțină putere difuzorului.

Există diferite opțiuni, precum și diferite segmente de difuzoare sunt disponibile pe piață, în general cu 4 ohmi, 8 ohmi, 16 ohmi și 32 ohmi, dintre care difuzoarele de 4 și 8 ohmi sunt disponibile pe scară largă la tarife ieftine. De asemenea, trebuie să înțelegem că un amplificator cu 5 wați, 6 wați sau 10 wați sau chiar mai mult este puterea RMS (Root Mean Square), livrată de amplificator la o sarcină specifică în funcționare continuă.

Deci, trebuie să fim atenți la evaluarea difuzoarelor, a amplificatorului, eficiența difuzoarelor și impedanța.

Construcția circuitului amplificatorului audio de 100W simplu

În tutoriale anterioare, am realizat amplificator de putere de 10W, amplificator de putere de 25W și amplificator de putere de 50W. Dar în acest tutorial, vom proiecta un amplificator de putere de ieșire de 100 Watt RMS utilizând MOSFET-uri.

În construcția amplificatorului de 100 de wați, se utilizează tranzistoare multiple și MOSFET-uri. Să vedem specificațiile și diagrama pin a MOSFET-urilor și tranzistoarelor importante. În etapa de amplificare a amplificatorului, am folosit tranzistorul de înaltă tensiune MPSA43. Este un tranzistor NPN de înaltă tensiune care acționează ca un amplificator. Pinul tranzistorului MPSA43 NPN este-

Am folosit două tranzistoare complementare de putere medie MJE350 și MJE340. MJE350 este un tranzistor PNP de 500 mA din pachetul TO-225, iar tranzistorul identic cu perechi NPN este MJE340. MJE340 are aceeași specificație ca MJE350, dar este un tranzistor de putere medie NPN.

Diagramele Pinout pentru ambele sunt date mai jos-

În etapa finală, sunt utilizate două MOSFET-uri de putere IRFP244 și IRFP9240. Combinația acestor două oferă o putere de 100 Watt RMS la o sarcină de 4 ohmi.

Componente necesare pentru circuitul amplificatorului de putere

1. Placă Vero (punctată sau conectată se poate folosi oricine)
2. Ciocan de lipit
3. Sârmă de lipit
4. Unealtă de decupare și sârmă
5. Fire
6. Conectori audio conform cerințelor
7. Radiator de aluminiu fin cu grosimea de 5 mm și dimensiunea de 90 mm x 45 mm.
8. Sursa de alimentare de la șină la șină de 40V cu ieșire de cale de alimentare + 40V GND -40V
9. Difuzor de 4 ohmi 100 Watt
10. Rezistor 1/4 ^mii Watt (39R, 390R, 1k, 1.5K, 4.7K, 15K, 22K, 33K, 47K, 150K) - 1nos.
11. 330R Rezistor 1/4 ^mii Watt - 3 buc
12. Rezistor 10R 10 wați
13. 0,33R - 7 wați - 2 buc
14. 0,22R - 10 wați
15. Condensator 100nF 100V - 2 buc
16. Condensator 47uF 100V
17. 470pF 100V
18. 470nF 63V
19. 10pF 100V
20. 1n4002 Diodă
21. IRFP244
22. IRF9240
23. MJE350
24. MJE340
25. BC546 - 2 buc
26. MPSA43 - 3 buc

Schema și explicația circuitului amplificatorului audio de 100W

Schema pentru acest amplificator audio de 100 de wați are câteva etape. La începutul amplificării primei etape, o secțiune de filtru blochează zgomotele de frecvență nedorite. Această secțiune de filtrare este creată folosind R3, R4 și C1, C2.

Pe a doua etapă a circuitului, Q1 și Q2, care sunt tranzistoare MPSA43, funcționează ca amplificator diferențial și alimentează semnalul către etapa de amplificare suplimentară.

Apoi, amplificarea puterii se face pe două MOSFET-uri, IRFP244N și IRF9240. Aceste două MOSFET-uri sunt partea importantă a circuitului. Aceste două MOSFET-uri acționează ca un driver push-pull (o topologie de amplificare sau arhitectură larg utilizată). Pentru a conduce aceste două MOSFET-uri Q5 și Q7, sunt utilizate tranzistoarele MJE350 și MJE340. Acești doi tranzistori de putere furnizează suficient curent de poartă pentru a conduce MOSFET-urile. R15 și R14 sunt rezistențele limitatorului de curent pentru a proteja poarta MOSFET de curentul de intrare. Același lucru se întâmplă și pentru R12 și R13 pentru a proteja sarcina de ieșire de unitatea de curent de intrare. R18 este un rezistor de putere mare care acționează ca circuit de prindere cu condensatorul 100nF. R16 oferă, de asemenea, protecție suplimentară la supracurent.

Testarea circuitului amplificatorului de 100 de wați

Am folosit instrumente de simulare Proteus pentru a verifica ieșirea circuitului; am măsurat ieșirea în osciloscopul virtual. Puteți verifica videoclipul demonstrativ complet prezentat mai jos

Alimentăm circuitul folosind +/- 40V și este furnizat semnalul sinusoidal de intrare. Canalul A (galben) al osciloscopului este conectat la ieșire la o sarcină de 4 ohmi, iar semnalul de intrare este conectat la canalul B (albastru).

Putem vedea diferența de ieșire între semnalul de intrare și ieșirea amplificată în videoclip: -

De asemenea, am verificat puterea de ieșire, puterea amplificatorului este foarte dependentă de mai multe lucruri, așa cum s-a discutat anterior. Depinde în mare măsură de impedanța difuzoarelor, eficiența difuzoarelor, eficiența amplificatorului, topologiile de construcție, distorsiunile armonice totale etc. Circuitul real este diferit de simulare, deoarece sunt necesari mulți factori care trebuie luați în considerare în timpul verificării sau testării ieșirii.

Calculul puterii amplificatorului

Am folosit o formulă simplă pentru a calcula puterea amplificatorului-

Putere amplificator = V ² / R

Am conectat un multimetru de curent alternativ la ieșire. Tensiunea alternativă afișată în multimetru este tensiunea alternativă de vârf la vârf.

Am furnizat semnal sinusoidal de frecvență foarte joasă de 25-50Hz. La fel ca în frecvența joasă, amplificatorul va furniza mai mult curent sarcinii, iar multimetrul va putea detecta corect tensiunea de curent alternativ.

Multimetrul a arătat + 20,9V AC. Deci, conform formulei, ieșirea amplificatorului de putere la o sarcină de 4 Ohmi este

Amplificator Wattage = 20,9 cu ² / cu 4 Amplificator Wattage = 109,20 (mai mult de aproximativ 100W)

Lucruri de reținut în timp ce construiți un amplificator audio de 100w

1. La construirea circuitului, MOSFET-urile sunt necesare pentru a fi conectate în mod corespunzător la radiator la etapa amplificatorului de putere. Radiatorul mai mare oferă un rezultat mai bun. Tranzistorul de putere Q5 și Q7 trebuie să fie scufundat corespunzător cu radiatoare mici din aluminiu în formă de U.
2. Este bine să utilizați condensatori de tip casetă de calitate audio pentru un rezultat mai bun.
3. Este întotdeauna o alegere bună să utilizați PCB pentru aplicații audio.
4. Faceți urmele amplificatorului diferențial scurte și cât mai aproape de urmele de intrare.
5. Păstrați liniile de semnal audio separate de liniile electrice zgomotoase.
6. Aveți grijă la grosimea urmelor. Deoarece acesta este un design de 100 de wați, este necesară o cale de curent mai mare, astfel încât să maximizați lățimea urmelor. Este mai bine să utilizați o placă de cupru de 70 de microni în aspect dublu față cu canale maxime pentru un flux mai bun de curent.
7. Planul de masă trebuie creat peste circuit. Păstrați traseul de întoarcere la sol cât mai scurt posibil.

Obțineți rezultate mai bune

În acest design de 100 de wați, puține îmbunătățiri pot fi făcute pentru o ieșire mai bună.

1. Adăugați un condensator de decuplare 4700uF cu o valoare nominală de cel puțin 100V pe pista de putere pozitivă și negativă.
2. Folosiți rezistențe MFR de 1% pentru o stabilitate mai bună.
3. Schimbați dioda 1N4002 cu UF4007.
4. Schimbați R11 cu un potențiometru de 1k pentru a controla curentul de repaus pe MOSFET-urile de putere.
5. Adăugați o siguranță pe ieșire, va proteja circuitul la supradozarea difuzoarelor sau la scurtcircuit la ieșire

De asemenea, verificați alte circuite de amplificatoare audio:

• Amplificator audio de 40 de wați utilizând TDA2040
• Circuit amplificator audio de 25 wați
• Amplificator audio de 10 wați folosind Op-Amp
• Circuit amplificator de putere de 50 wați utilizând MOSFET-uri