Obvod výkonového zesilovače 100 W pomocí mosfetu

Výkonový zesilovač je součástí audio elektroniky. Je navržen tak, aby maximalizoval velikost výkonu f daného vstupního signálu. Ve zvukové elektronice operační zesilovač zvyšuje napětí signálu, ale není schopen poskytnout proud, který je potřebný k pohonu zátěže. V tomto tutoriálu sestavíme obvod výstupního výkonového zesilovače RMS 100 W pomocí MOSFETů a tranzistorů s připojeným impedančním reproduktorem 4 Ohmy.

Konstrukční topologie pro zesilovače

V řetězovém systému zesilovače se výkonový zesilovač používá v poslední nebo poslední fázi před zátěží. Obecně systém zesilovače zvuku používá níže uvedenou topologii zobrazenou v blokovém schématu

Jak vidíte ve výše uvedeném blokovém schématu, výkonový zesilovač je poslední fází, která je přímo připojena k zátěži. Obecně je před výkonovým zesilovačem signál korigován pomocí předzesilovačů a zesilovačů řízení napětí. Také v některých případech, kde je potřeba ovládání tónu, se obvody řízení tónu přidají před výkonový zesilovač.

Znát své zatížení

V případě systému audio zesilovače je důležitým aspektem konstrukce zátěž a kapacita zátěže zesilovače. Major zatížení pro výkonový zesilovač je Reproduktor. Výstup výkonového zesilovače závisí na impedanci zátěže, takže připojení nesprávné zátěže by mohlo ohrozit účinnost výkonového zesilovače i stabilitu.

Hlasitý reproduktor je obrovská zátěž, která funguje jako indukční a odporová zátěž. Výkonový zesilovač poskytuje střídavý výstup, a proto je impedance reproduktoru rozhodujícím faktorem pro správný přenos energie.

Impedance je efektivní odpor elektronického obvodu nebo součásti pro střídavý proud, který vzniká kombinovanými účinky souvisejícími s ohmickým odporem a reaktancí.

Ve zvukové elektronice, jsou k dispozici různé typy reproduktorů s různým výkonem a různou impedancí. Impedanci reproduktoru lze nejlépe pochopit pomocí vztahu mezi průtokem vody uvnitř potrubí. Představte si reproduktor jako vodní potrubí, voda protékající potrubím je střídavý zvukový signál. Nyní, pokud se potrubí zvětšilo v průměru, bude voda snadno protékat potrubím, objem vody bude větší a pokud zmenšíme průměr, tím méně vody bude protékat potrubím, takže objem vody bude dolní. Průměr je účinek vytvořený ohmickým odporem a reaktancí. Pokud se trubka zvětší v průměru, bude impedance nízká, takže reproduktor může získat více příkonu a zesilovač poskytuje více scénáře přenosu energie a pokud se impedance zvýší, zesilovač poskytne reproduktoru méně energie.

Na trhu existují různé možnosti a také různé segmenty reproduktorů, obvykle se 4 ohmy, 8 ohmy, 16 ohmy a 32 ohmy, z nichž jsou reproduktory se 4 a 8 ohmy široce dostupné za levné ceny. Musíme také pochopit, že zesilovač s výkonem 5 W, 6 W nebo 10 W nebo ještě více je příkon RMS (Root Mean Square), dodávaný zesilovačem na konkrétní zátěž v nepřetržitém provozu.

Musíme si tedy dávat pozor na hodnocení reproduktorů, hodnocení zesilovačů, účinnost reproduktorů a impedanci.

Konstrukce jednoduchého 100W obvodu audio zesilovače

V předchozích cvičeních jsme vyrobili 10W výkonový zesilovač, 25W výkonový zesilovač a 50W výkonový zesilovač. Ale v tomto tutoriálu navrhneme výstupní výkonový zesilovač 100 W RMS pomocí MOSFETů.

Při konstrukci 100 W zesilovače se používají více tranzistorů a MOSFET. Podívejme se na specifikaci a pinový diagram důležitých MOSFETů a tranzistorů. Ve fázi zesilovače jsme použili vysokonapěťový tranzistor MPSA43. Jedná se o vysokonapěťový NPN tranzistor, který funguje jako zesilovač. Pin z tranzistoru MPSA43 NPN je -

Použili jsme dva doplňkové středně výkonné tranzistory MJE350 a MJE340. MJE350 je 500 mA PNP tranzistor v pouzdře TO-225 a identický NPN párový tranzistor je MJE340. MJE340 má stejnou specifikaci jako MJE350, ale je to tranzistor se středním výkonem NPN.

Pinoutové diagramy pro oba jsou uvedeny níže -

V závěrečné fázi jsou použity dva výkonové MOSFETy IRFP244 a IRFP9240. Kombinace těchto dvou poskytuje výkon 100 W RMS při zatížení 4 Ohmy.

Požadované komponenty pro obvod výkonového zesilovače

1. Deska Vero (lze použít tečkovaný nebo připojený kdokoli)
2. Páječka
3. Pájecí drát
4. Kleště a odizolovací kleště
5. Dráty
6. Zvukové konektory podle požadavků
7. Jemný hliníkový chladič o tloušťce 5 mm a rozměrech 90 mm x 45 mm.
8. 40V napájecí zdroj Rail to Rail s výstupem napájení + 40V GND -40V
9. 4 ohmový 100 W reproduktor
10. Rezistor 1/4 ^th Watt (39R, 390R, 1k, 1,5k, 4,7k, 15k, 22k, 33k, 47k, 150k) - 1nos.
11. 330R rezistor 1/4 ^th Watt - 3ks
12. 10R rezistor 10 Watt
13. 0,33 R - 7 W - 2 ks
14. 0,22 R - 10 Watt
15. 100nF 100V kondenzátor - 2 ks
16. 47uF 100V kondenzátor
17. 470pF 100V
18. 470nF 63V
19. 10pF 100V
20. Dioda 1n4002
21. IRFP244
22. IRF9240
23. MJE350
24. MJE340
25. BC546 - 2 ks
26. MPSA43 - 3 ks

Schéma a vysvětlení 100W audio zesilovače

Schéma tohoto 100 wattového audio zesilovače má několik fází. Na začátku zesílení prvního stupně blokuje filtrační část nežádoucí frekvenční zvuky. Tato část filtru je vytvořena pomocí R3, R4 a C1, C2.

Ve druhém stupni obvodu fungují Q1 a Q2, což jsou tranzistory MPSA43, jako diferenciální zesilovač a přivádějí signál do dalšího stupně zesílení.

Dále se zesílení výkonu provádí přes dva MOSFETy, IRFP244N a IRF9240. Tyto dva MOSFETy jsou důležitou součástí obvodu. Tyto dva MOSFETy fungují jako ovladač push-pull (široce používaná topologie nebo architektura zesílení). K řízení těchto dvou MOSFETů Q5 a Q7 se používají tranzistory MJE350 a MJE340. Tyto dva výkonové tranzistory poskytují dostatek hradlového proudu pro řízení MOSFETů. R15 a R14 jsou rezistory omezovače proudu k ochraně brány MOSFET před zapínacím proudem. Totéž se děje u R12 a R13 k ochraně výstupního zatížení před měničem nárazového proudu. R18 je vysokonapěťový rezistor, který funguje jako upínací obvod s kondenzátorem 100nF. R16 také poskytují další nadproudovou ochranu.

Testování 100 wattového obvodu zesilovače

Ke kontrole výstupu obvodu jsme použili simulační nástroje Proteus; měřili jsme výstup ve virtuálním osciloskopu. Můžete si prohlédnout kompletní ukázkové video uvedené níže

Napájíme obvod pomocí +/- 40 V a je zajištěn vstupní sinusový signál. Kanál osciloskopu A (žlutý) je připojen přes výstup proti 4 ohmové zátěži a vstupní signál je připojen přes kanál B (modrý).

Vidíme výstupní rozdíl mezi vstupním signálem a zesíleným výstupem ve videu: -

Zkontrolovali jsme také výstupní výkon, výkon zesilovače je vysoce závislý na více věcech, jak bylo uvedeno výše. Je to velmi závislé na impedanci reproduktoru, účinnosti reproduktoru, účinnosti zesilovače, konstrukčních topologiích, celkových harmonických zkresleních atd. Nemohli jsme uvažovat nebo vypočítat všechny možné faktory, které vytvářejí závislosti ve výkonu zesilovače. Reálný obvod se liší od simulace, protože při kontrole nebo testování výstupu je třeba vzít v úvahu mnoho faktorů.

Výpočet příkonu zesilovače

Použili jsme jednoduchý vzorec pro výpočet příkonu zesilovače -

Příkon zesilovače = V ² / R

Přes výstup jsme připojili multimetr střídavého proudu. Střídavé napětí zobrazené na multimetru je špičkové střídavé napětí.

Poskytli jsme velmi nízkofrekvenční sinusový signál 25-50 Hz. Stejně jako u nízké frekvence bude zesilovač dodávat do zátěže více proudu a multimetr bude schopen správně detekovat střídavé napětí.

Multimetr ukazoval + 20,9 V AC. Takže podle vzorce je výstup výkonového zesilovače při zatížení 4 Ohmy

Zesilovač Výkon = 20,9 ² /4 Zesilovač Příkon = 109,20 (více než přibližně 100W)

Na co je třeba pamatovat při konstrukci 100w audio zesilovače

1. Při konstrukci obvodu je třeba, aby MOSFETy byly správně připojeny k chladiči ve fázi výkonového zesilovače. Větší chladič poskytuje lepší výsledek. Výkonové tranzistory Q5 a Q7 musí být správně potopeny malými hliníkovými chladiči ve tvaru U.
2. Pro lepší výsledek je dobré použít kondenzátorové skříňové kondenzátory.
3. Vždy je dobrou volbou použít PCB pro audio související aplikace.
4. Zkraťte stopy diferenciálního zesilovače co nejblíže vstupní stopě.
5. Vedení zvukových signálů udržujte oddělené od hlučných vedení.
6. Dávejte pozor na tloušťku stopy. Jelikož se jedná o design 100 W, je vyžadována větší proudová cesta, takže maximalizujte šířku stopy. Je lepší použít 70-mikronovou měděnou desku v oboustranném uspořádání s maximální průchodností pro lepší tok proudu.
7. Je třeba vytvořit pozemní rovinu napříč okruhem. Udržujte zpáteční cestu země co nejkratší.

Dosahujte lepších výsledků

V tomto 100 W provedení lze provést několik vylepšení pro lepší výkon.

1. Přidejte kladný a záporný výkonový oddělovací kondenzátor 4700uF s hodnocením alespoň 100V.
2. Pro lepší stabilitu použijte 1% hodnocené MFR rezistory.
3. Vyměňte diodu 1N4002 za UF4007.
4. Změňte R11 pomocí 1k potenciometru a ovládejte klidový proud napříč výkonovými MOSFETy.
5. Přidejte pojistku na výstup, bude to chránit obvod při přetížení reproduktoru nebo stavu zkratu výstupu.

Zkontrolujte také další obvody zvukových zesilovačů:

• 40 W audio zesilovač pomocí TDA2040
• Obvod zesilovače zvuku 25 Watt
• Zesilovač zvuku 10 Watt využívající operační zesilovač
• Obvod výkonového zesilovače 50 W s využitím MOSFETů