50-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 50 W RMS усилвател на изходна мощност, използвайки MOSFETs с 8 Ohms импеданс 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 електрониката се предлагат различни видове високоговорители 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 високоговорителят може да получи повече мощност, а усилвателят осигурява повече сценарий за прехвърляне на мощност и ако импедансът стане висок, усилвателят ще осигури по-малко енергия 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 прост 50W усилвател

В предишни уроци направихме усилвател на мощност 10 вата, усилвател мощност 25 вата и усилвател мощност 40 вата. Но в този урок ще проектираме 50 W RMS усилвател на изходна мощност, използвайки MOSFET. В предишни уроци използвахме специален IC усилвател на мощност, TDA2040 за усилватели от 25 вата и за 40 вата, но при този дизайн ще използваме безплатни двойки N и P канални MOSFET, за да получим мощността от 50 W. Изходът ще бъде доста стабилен и THD ще бъде минимален. Ще караме 8 ома натоварване с него.

Използвахме две широко популярни допълнителни MOSFET-та IRF530N и IRF9530N, които са широко достъпни в местните магазини, както и онлайн магазините.

На горното изображение левият е IRF530N, а десният е IRF9530N. И двете са пакет TO-220AB.

Тези два MOSFET създават push-pull операция за задвижване на 8 ома 50 вата RMS високоговорител.

Необходим компонент

За да изградим веригата, се нуждаем от следните компоненти -

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. Фин алуминиев радиатор с дебелина 2 мм и размери 50 мм х 30 мм.
7. Захранване от 35V към релса с изходна мощност + 35V GND -35V
8. Високоговорител 8 ома 50 вата
9. Резистори (10R, 300R, 560R, 680R, 820R, 1.2k, 2.2k, 10k, 15k) - 1nos.
10. Резистори (2.7k, 4.7k, 47k) - 2nos.
11. 100uF 63V кондензатор
12. Кондензатор 47uF 63V - 2бр
13. 68nF 100V
14. 220pF 50V
15. 1n4002 Диод
16. IRF530
17. IRF9530
18. .1uH Индуктор с въздушна сърцевина 5А
19. BC556 -2 бр
20. BC546 - 2 бр

Електрическа схема и обяснение

Схемата за този 50 ватов аудио усилвател има няколко етапа. В началото на усилването нискочестотен филтър блокира високочестотния шум. Този нискочестотен филтър е създаден с помощта на R1, R2 и C1. Резисторите R1 и R2 имат две операции, първо, това е част от нискочестотен филтър, второ, това е делител на напрежението, както и ограничител на тока.

На втория етап на веригата Q1 и Q2, които са транзистори BC556, работят като диференциален усилвател.

След това усилването на мощността се извършва през два MOSFET, IRF530N и IRF9530. Тези два MOSFET са допълващи се и съвпадащи двойки. Два MOSFET имат една и съща спецификация, но един е N-канал, а друг е P-канал. Това е важна част от веригата. Тези два MOSFET действат като push-pull драйвер (широко използвана усилвателна топология или архитектура). За задвижване на тези два MOSFET, Q3 и Q4, се използва BC546. Тези два транзистора осигуряват достатъчно задвижване на порта към MOSFETs. R15 е резистор с висока мощност, който действа като затягаща верига с кондензатор 68nF и 1uH индуктор е добавен за осигуряване на стабилно усилване на високоговорителя от 8 ома.

Тестване на 50-ватова усилвателна схема

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 +/- 35V и е осигурен входният синусоидален сигнал. Каналът на осцилоскопа A (жълт) е свързан през изхода срещу товар от 8 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 + 20,1V AC. Така че, съгласно формулата, изходът на усилвателя на мощност при товар от 8 ома е

Усилвател Мощност = 20.1 ² /8 усилвател Мощност = 50.50 (50W приблизително)

Неща, които трябва да запомните, докато конструирате 50w усилвател на мощност

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.
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 50 вата, е необходим по-голям токов път, така че увеличете максимално ширината на проследяването.
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 50 вата могат да се направят малко подобрения за по-добра мощност.

1. Добавете разединителен кондензатор 220uF с номинал най-малко 63V през положителната и отрицателната мощност.
2. Използвайте 1% номинални MFR резистори за по-добра стабилност.
3. Сменете диода 1N4002 с UF4007.
4. Сменете R13 с 1k потенциометър, за да контролирате тока на покой в ​​силовите MOSFET.
5. Използвайте тороидален индуктор вместо въздушна сърцевина с.25uH 5A.
6. 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