100-ватова схема на усилвател на мощност, използваща MOSFET

Усилвателят на мощност е част от аудио електрониката. Той е проектиран да максимизира величината на мощността f даден входен сигнал. В звуковата електроника операционният усилвател увеличава напрежението на сигнала, но не може да осигури тока, необходим за задвижване на товара. В този урок ще изградим 100 W RMS усилвателна верига за изходна мощност, използвайки MOSFET и транзистори с 4 ома импедансен високоговорител, свързан към него.

Строителна топология на усилвателите

В усилвателна верижна система усилвателят на мощност се използва на последния или последния етап преди натоварването. Обикновено системата за усилвател на звука използва по-долу топология, показана на блок-схемата

Както можете да видите в горната блок-схема, усилвателят на мощност е последният етап, който е директно свързан с товара. Като цяло, преди усилвателя на мощността, сигналът се коригира с помощта на предварителни усилватели и усилватели за управление на напрежението. Също така, в някои случаи, когато е необходим контрол на тона, схемата за управление на тона се добавя преди усилвателя на мощността.

Знайте своя товар

В случай на аудио усилвателна система, натоварването и товароносимостта на усилвателя е важен аспект в конструкцията. Най- голямо натоварване за усилвател на мощност е високоговорител. Изходът на усилвателя на мощност зависи от импеданса на товара, така че свързването на неподходящ товар може да компрометира ефективността на усилвателя на мощност, както и стабилността.

Високоговорителят е огромен товар, който действа като индуктивен и резистивен товар. Усилвателят на мощност осигурява AC изход, поради което импедансът на високоговорителя е критичен фактор за правилния трансфер на мощност.

Импедансът е ефективното съпротивление на електронна схема или компонент за променлив ток, което произтича от комбинираните ефекти, свързани с омично съпротивление и реактивно съпротивление.

В Аудио електроника, различни видове високоговорители се предлагат с различна мощност с различен импеданс. Импедансът на високоговорителя може да се разбере най-добре, като се използва връзката между водния поток вътре в тръба. Просто си представете високоговорителя като водопровод, водата, преминаваща през тръбата, е променливият аудио сигнал. Сега, ако тръбата стане с по-голям диаметър, водата лесно ще тече през тръбата, обемът на водата ще бъде по-голям и ако намалим диаметъра, толкова по-малко вода ще тече през тръбата, така че обемът на водата ще бъде нисък. Диаметърът е ефектът, създаден от омичното съпротивление и реактивно съпротивление. Ако тръбата стане по-голяма в диаметър, импедансът ще бъде нисък, така че високоговорителят може да получи повече мощност, а усилвателят ще осигури повече сценарии за прехвърляне на мощност и ако импедансът стане висок, усилвателят ще осигури по-малко мощност на високоговорителя.

Има различни възможности за избор, както и различни сегменти високоговорители се предлагат на пазара, обикновено с 4 ома, 8 ома, 16 ома и 32 ома, от които 4 и 8 ома високоговорители са широко достъпни на ниски цени. Също така трябва да разберем, че усилвател с 5 вата, 6 вата или 10 вата или дори повече е RMS (корен среден квадрат) мощност, доставяна от усилвателя до определен товар при непрекъсната работа.

Така че, трябва да бъдем внимателни относно рейтинга на високоговорителите, рейтинга на усилвателя, ефективността на високоговорителите и импеданса.

Изграждане на проста 100W усилвателна схема

В предишни уроци направихме 10W усилвател на мощност, 25W усилвател на мощност и 50W усилвател на мощност. Но в този урок ще проектираме 100 W RMS усилвател на изходна мощност, използвайки MOSFET.

При изграждането на 100 ватов усилвател се използват множество транзистори и MOSFET. Нека да видим спецификацията и пин схемата на важни MOSFET и транзистори. В усилвателния етап на усилвателя използвахме транзистор с високо напрежение MPSA43. Това е NPN транзистор с високо напрежение, който действа като усилвател. Кабърчето от транзистор NPN MPSA43 IS-

Използвахме два допълнителни транзистора със средна мощност MJE350 и MJE340. MJE350 е 500 mA PNP транзистор в пакета TO-225, а идентичната двойка NPN транзистор е MJE340. MJE340 има същата спецификация като MJE350, но е NPN транзистор със средна мощност.

Диаграмите на Pinout и за двете са дадени по-долу -

В последния етап се използват два Power MOSFETs IRFP244 и IRFP9240. Комбинацията от тези две осигурява 100 вата RMS изходна мощност при натоварване от 4 ома.

Необходими компоненти за веригата на усилвателя

1. Vero дъска (пунктирана или свързана всеки може да се използва)
2. Пояло
3. Тел за запояване
4. Инструмент за отстраняване на щипки и тел
5. Кабели
6. Аудио конектори според изискванията
7. Фин алуминиев радиатор с дебелина 5 мм и размери 90 мм х 45 мм.
8. Захранване от 40V към релса с изходна мощност + 40V GND -40V
9. Високоговорител 4 ома 100 вата
10. Резистор 1/4 ^та Watt (39R, 390R, 1k, 1.5k, 4.7k, 15k, 22k, 33k, 47k, 150k) - 1nos.
11. 330R Резистор 1/4 ^та Watt - 3 бр
12. 10R резистор 10 вата
13. 0.33R - 7 вата - 2 бр
14. 0.22R - 10 вата
15. 100nF 100V кондензатор - 2 бр
16. Кондензатор 47uF 100V
17. 470pF 100V
18. 470nF 63V
19. 10pF 100V
20. 1n4002 Диод
21. IRFP244
22. IRF9240
23. MJE350
24. MJE340
25. BC546 - 2 бр
26. MPSA43 - 3 бр

Схема и обяснение на 100 W аудио усилвател

Схемата за този 100 ватов аудио усилвател има няколко етапа. В началото на усилването на първия етап филтърната секция блокира нежеланите честотни шумове. Този раздел на филтъра е създаден с помощта на R3, R4 и C1, C2.

На втория етап на веригата Q1 и Q2, които са транзистори MPSA43, работят като диференциален усилвател и подават сигнала към следващия етап на усилване.

След това усилването на мощността се извършва през два MOSFET, IRFP244N и IRF9240. Тези два MOSFET са важната част от веригата. Тези два MOSFET действат като push-pull драйвер (широко използвана усилвателна топология или архитектура). За задвижване на тези два MOSFET-а Q5 и Q7 се използват транзистори MJE350 и MJE340. Тези два силови транзистора осигуряват достатъчно затворен ток за задвижване на MOSFET-ите. R15 и R14 са резисторите за ограничител на тока, за да предпазят портата MOSFET от пусков ток. Същото се случва и с R12 и R13, за да защити изходното натоварване от задвижващия ток. R18 е резистор с висока мощност, който действа като затягаща верига с кондензатор 100nF. R16 също осигурява допълнителна защита от свръхток.

Тестване на 100-ватова схема на усилвателя

Използвахме инструменти за симулация на Proteus, за да проверим изхода на веригата; измерихме изхода във виртуалния осцилоскоп. Можете да проверите пълното демонстрационно видео, дадено по-долу

Захранваме веригата, използвайки +/- 40V и е осигурен входният синусоидален сигнал. Каналът на осцилоскопа A (жълт) е свързан през изхода срещу натоварване от 4 ома, а входният сигнал е свързан през канал B (син).

Можем да видим разликата в изхода между входния сигнал и усиления изход във видеото: -

Също така проверихме изходната мощност, мощността на усилвателя силно зависи от множество неща, както беше обсъдено по-рано. Силно зависи от импеданса на високоговорителя, ефективността на високоговорителя, ефективността на усилвателя, конструктивните топологии, общите хармонични изкривявания и т.н. Схемата в реалния живот е различна от симулацията, защото са необходими много фактори, за да се вземат предвид при проверка или тестване на изхода.

Изчисляване на мощността на усилвателя

Използвахме проста формула за изчисляване на мощността на усилвателя-

Мощност на усилвателя = V ² / R

Свързахме AC мултиметър през изхода. Променливотоково напрежение, показано в мултиметъра, е пиково до пиково променливо напрежение.

Предоставихме много нискочестотен синусоидален сигнал от 25-50Hz. Както при ниските честоти, усилвателят ще подава повече ток към товара и мултиметърът ще може да открие правилно променливото напрежение.

Мултиметърът показа + 20.9V AC. Така че, съгласно формулата, изходът на усилвателя на мощност при натоварване от 4 ома е

Усилвател Мощност = 20.9 ² /4 усилвател Мощност = 109.20 (повече от 100W приблизително)

Неща, които трябва да запомните, докато конструирате 100w аудио усилвател

1. Когато се изгражда веригата, MOSFETs са необходими, за да бъдат свързани правилно с радиатора на етапа на усилвателя на мощност. По-големият радиатор осигурява по-добър резултат. Силовите транзистори Q5 и Q7 трябва да бъдат топлоотдадени правилно с малки алуминиеви радиатори с форма U.
2. За по-добър резултат е добре да използвате кондензатори тип кутия с аудио клас.
3. Винаги е добър избор да използвате PCB за приложение, свързано с аудио.
4. Направете следите на диференциалния усилвател кратки и възможно най-близо до входната следа.
5. Дръжте аудиосигналните линии отделени от шумните електропроводи.
6. Внимавайте за дебелината на следите. Тъй като това е дизайн от 100 вата, е необходим по-голям токов път, така че увеличете максимално ширината на проследяване. По-добре е да използвате 70-микронна медна дъска в двустранно оформление с максимални отвори за по-добър токов поток.
7. Трябва да се създаде земна равнина по цялата верига. Поддържайте пътя за връщане на земята възможно най-кратък.

Постигнете по-добри резултати

В този дизайн от 100 вата могат да се направят малко подобрения за по-добра мощност.

1. Добавете 4700uF разединителен кондензатор с поне 100V номинал през положителната и отрицателната мощност.
2. Използвайте 1% номинални MFR резистори за по-добра стабилност.
3. Сменете диода 1N4002 с UF4007.
4. Сменете R11 с 1k потенциометър, за да контролирате тока на покой в ​​силовите MOSFETs.
5. Добавете предпазител през изхода, той ще защити веригата на пренапрежение на високоговорителя или състояние на късо съединение.

Също така проверете други вериги на аудио усилватели:

• 40-ватов аудио усилвател, използващ TDA2040
• 25-ватова аудио усилвателна схема
• 10-ватов аудио усилвател, използващ Op-Amp
• 50-ватова верига за усилвател на мощност, използваща MOSFET