Схема підсилювача потужності 100 Вт з використанням MOSFET

Підсилювач потужності є частиною аудіоелектроніки. Він призначений для максимізації величини потужності f заданого вхідного сигналу. У звуковій електроніці операційний підсилювач збільшує напругу сигналу, але не в змозі забезпечити струм, необхідний для руху навантаження. У цьому підручнику ми побудуємо схему підсилювача вихідної потужності потужністю 100 Вт, використовуючи транзистори MOSFET і транзистори з підключеним до неї динаміком опору 4 Ом.

Топологія побудови підсилювачів

У ланцюговій системі підсилювача підсилювач потужності використовується на останньому або завершальному етапі перед навантаженням. Як правило, система підсилювача звуку використовує нижчу топологію, показану на блок-схемі

Як ви можете бачити на наведеній вище блок-схемі, підсилювач потужності - це останній етап, який безпосередньо підключений до навантаження. Як правило, перед підсилювачем потужності сигнал коригується за допомогою попередніх підсилювачів та підсилювачів управління напругою. Крім того, в деяких випадках, коли необхідний контроль тону, схема підсилення додається перед підсилювачем потужності.

Знай своє навантаження

У випадку з системою підсилювача звуку, навантаження та потужність підсилювача, що рухає навантаження, є важливим аспектом у будівництві. Основне навантаження для підсилювача потужності є динаміком. Вихід підсилювача потужності залежить від імпедансу навантаження, тому підключення неправильного навантаження може порушити ефективність підсилювача потужності, а також стабільність.

Гучномовець - це величезне навантаження, яке діє як індуктивне та резистивне навантаження. Підсилювач потужності забезпечує вихід змінного струму, завдяки цьому імпеданс динаміка є критичним фактором для належної передачі потужності.

Опір - це ефективний опір електронної схеми або компонента змінного струму, який виникає внаслідок поєднаних ефектів, пов'язаних з омічним опором та реактивним опором.

В Аудіо електроніка, різні типи гучномовців доступні в різних потужностях з різним опором. Опір динаміка можна найкраще зрозуміти, використовуючи співвідношення між потоком води всередині труби. Просто подумайте про гучномовець як про водопровід, вода, що протікає по трубі, є змінним звуковим сигналом. Тепер, якщо труба стала більше в діаметрі, вода буде легко протікати по трубі, об’єм води буде більшим, а якщо зменшити діаметр, то менше води буде протікати через трубу, тому об’єм води буде нижній. Діаметр - це ефект, створюваний омічним опором і реактивним опором. Якщо труба збільшується в діаметрі, імпеданс буде низьким, тому динамік може отримати більше потужності, а підсилювач забезпечить більше сценарію передачі потужності, а якщо імпеданс стане високим, то підсилювач забезпечить меншу потужність динаміка.

Є різні варіанти вибору, а також різні сегменти колонок доступні на ринку, як правило, з 4 Ом, 8 Ом, 16 Ом і 32 Ом, з яких АС 4 і 8 Ом широко доступні за низькими цінами. Крім того, ми повинні розуміти, що підсилювачем потужністю 5 Вт, 6 Вт або 10 Вт і навіть більше є середньоквадратична потужність (середня квадратична квадратична потужність), що подається підсилювачем на певне навантаження при постійній роботі.

Отже, нам слід бути обережними щодо рейтингу динаміків, рейтингу підсилювача, ефективності динаміка та імпедансу.

Побудова простої схеми підсилювача звуку на 100 Вт

У попередніх підручниках ми створили підсилювач потужності потужністю 10 Вт, підсилювач потужності 25 Вт і підсилювач потужності 50 Вт. Але в цьому навчальному посібнику ми розробимо підсилювач вихідної потужності потужністю 100 Вт із використанням MOSFET.

При побудові підсилювача на 100 Вт використовуються декілька транзисторів і MOSFET-транзисторів. Давайте подивимося специфікацію та схему контактів важливих транзисторів MOSFET. На етапі підсилення підсилювача ми використовували високовольтний транзистор MPSA43. Це транзистор NPN високої напруги, який виконує роль підсилювача. Штифт з транзистора NPN MPSA43 рівнів IS

Ми використовували два додаткові транзистори середньої потужності MJE350 та MJE340. MJE350 - це транзистор PNP на 500 мА в упаковці TO-225, а ідентична пара транзисторів NPN - MJE340. MJE340 має ті самі характеристики, що і MJE350, але це транзистор середньої потужності NPN.

Діаграми розтискання для обох наведені нижче -

На завершальному етапі використовуються два силові MOSFET-транзистори IRFP244 та IRFP9240. Поєднання цих двох забезпечує вихідну потужність 100 Вт середньоквадратичної потужності при навантаженні 4 Ома.

Необхідні компоненти для схеми підсилювача потужності

1. Дошка Vero (пунктирною або підключеною може бути будь-яка людина)
2. Паяльник
3. Дріт для припою
4. Щипці та інструмент для зняття дроту
5. Провід
6. Аудіороз'єми відповідно до вимог
7. Тонкий алюмінієвий радіатор товщиною 5 мм і розміром 90 мм x 45 мм.
8. Живлення від залізниці до залізниці 40 В з вихідною напругою + 40 В GND -40 В
9. Акустична система 4 Вт 100 Вт
10. Резистор 1/4 ^й Вт (39R, 390R, 1k, 1.5k, 4.7k, 15k, 22k, 33k, 47k, 150k) - 1nos.
11. 330R Резистор 1/4 ^й Ватт - 3 шт
12. 10R резистор 10 Вт
13. 0,33R - 7 Вт - 2 шт
14. 0,22R - 10 Вт
15. Конденсатор 100 нФ 100 В - 2 шт
16. Конденсатор 47 мкФ 100 В
17. 470pF 100В
18. 470нФ 63В
19. 10pF 100В
20. 1n4002 Діод
21. IRFP244
22. IRF9240
23. MJE350
24. MJE340
25. BC546 - 2 шт
26. MPSA43 - 3 шт

Схема та пояснення звукового підсилювача 100 Вт

Схема цього 100-ватного підсилювача звуку має кілька етапів. На початку підсилення першого ступеня секція фільтра блокує небажані частотні шуми. Цей розділ фільтра створений за допомогою R3, R4 та C1, C2.

На другому ступені ланцюга Q1 і Q2, які є транзисторами MPSA43, працюють як диференціальний підсилювач і подають сигнал на подальший етап посилення.

Далі підсилення потужності здійснюється через два MOSFET-транзистори, IRFP244N та IRF9240. Ці два MOSFET є важливою частиною схеми. Ці два МОП-транзистори виконують роль push-pull-драйвера (широко використовувана топологія або архітектура посилення). Для керування цими двома транзисторами MOSFET Q5 і Q7 використовуються транзистори MJE350 і MJE340. Ці два силові транзистори забезпечують достатньо струму затвора для керування МОП-транзисторами. R15 і R14 - це резистори обмежувача струму для захисту затвора MOSFET від пускового струму. Те саме відбувається для R12 і R13 для захисту вихідного навантаження від приводу пускового струму. R18 - це резистор високої потужності, який діє як затискний контур з конденсатором 100 нФ. R16 також забезпечує додатковий захист від перевантаження від струму.

Тестування схеми підсилювача на 100 Вт

Ми використовували інструменти моделювання Proteus для перевірки виходу схеми; ми виміряли вихід у віртуальному осцилографі. Ви можете переглянути повне демонстраційне відео, подане нижче

Ми живимо ланцюг з використанням +/- 40 В, і вхідний синусоїдальний сигнал подається. Канал осцилографа A (жовтий) підключений через вихід проти навантаження 4 Ом, а вхідний сигнал - через канал B (синій).

Ми можемо побачити вихідну різницю між вхідним сигналом і посиленим виходом у відео: -

Крім того, ми перевірили вихідну потужність, потужність підсилювача сильно залежить від багатьох речей, як обговорювалося раніше. Це сильно залежить від імпедансу динаміка, ефективності акустичної системи, ефективності підсилювача, конструкційних топологій, загальних гармонічних спотворень тощо. Ми не могли розглянути або розрахувати всі можливі фактори, які створюють залежності потужності підсилювача. Схема реального життя відрізняється від моделювання, оскільки під час перевірки чи тестування результату необхідно враховувати багато факторів.

Розрахунок потужності підсилювача

Ми використовували просту формулу для розрахунку потужності підсилювача -

Потужність підсилювача = V ² / R

Ми підключили мультиметр змінного струму через вихід. Напруга змінного струму, показана в мультиметрі, є піковою до пікової напруги змінного струму.

Ми подали дуже низькочастотний синусоїдальний сигнал 25-50 Гц. Як і на низькій частоті, підсилювач буде подавати більше струму на навантаження, і мультиметр зможе правильно визначати змінну напругу.

Мультиметр показував + 20,9 В змінного струму. Отже, згідно з формулою, вихід підсилювача потужності при навантаженні 4 Ом становить

Підсилювач Потужність = 20,9 ² /4 підсилювач Потужність = 109,20 (більше 100 Вт приблизно)

Що слід пам’ятати під час побудови підсилювача звуку на 100 Вт

1. При побудові схеми MOSFET-транзистори необхідні для правильного підключення до радіатора на каскаді підсилювача потужності. Більший радіатор забезпечує кращий результат. Силові транзистори Q5 і Q7 повинні бути належним чином тепловідданими за допомогою невеликих алюмінієвих радіаторів U-форми.
2. Для кращого результату добре використовувати аудіоконденсатори з рейтингом аудіо.
3. Завжди хорошим вибором є використання друкованих плат для аудіозаписів.
4. Зробіть сліди диференціального підсилювача короткими і максимально наближеними до вхідних трас.
5. Тримайте аудіосигнали окремо від шумних ліній електропередач.
6. Будьте обережні щодо товщини слідів. Оскільки це конструкція на 100 Вт, потрібен більший струм, тому максимально збільште ширину траси. Для кращого потоку струму краще використовувати мідну дошку розміром 70 мкм у двосторонньому компонуванні з максимальними відстанями.
7. Необхідно створити землю по всій схемі. Зберігайте зворотний шлях до землі якомога коротшим.

Досягнення кращих результатів

У цій 100-ватній конструкції можна зробити кілька вдосконалень для кращої потужності.

1. Додайте роз'єднувальний конденсатор 4700 мкФ з принаймні 100 В на позитивній і негативній потужності.
2. Для кращої стабільності використовуйте MFR резистори з рейтингом 1%.
3. Замініть діод 1N4002 на UF4007.
4. Змініть R11 за допомогою потенціометра 1k, щоб контролювати струм спокою на силових MOSFET.
5. Додайте запобіжник на вихід, це захистить ланцюг від перенапруги динаміка або виведе коротке замикання.

Також перевірте інші схеми підсилювачів звуку:

• Звуковий підсилювач на 40 Вт за допомогою TDA2040
• Схема підсилювача звуку 25 Вт
• 10-ватний аудіопідсилювач з використанням Op-Amp
• Схема підсилювача потужності 50 Вт з використанням MOSFET