40 W audio zesilovač využívající tda2040 a tranzistorový pár

Výkonový zesilovač je součástí zvukové elektroniky. Je navržen tak, aby maximalizoval velikost síly 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 40W zesilovač pomocí výkonového zesilovače TDA2040 IC a dva výkonové tranzistory s připojeným impedančním reproduktorem 4 Ohmy.

Konstrukční topologie pro zesilovače

V zesilovače řetězového systému, výkonový zesilovač se používá v poslední nebo konečný stupeň před zatížením. 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 40W zesilovače

V našich předchozích výukových programech jsme vyrobili 10Wattový zesilovač využívající operační zesilovač a výkonové tranzistory, dále jsme zkonstruovali 25Wattový zesilovač pomocí TDA2040. Ale pro tento tutoriál postavíme 40W výkonový zesilovač, který bude pohánět 4 ohmový impedanční reproduktor. Použijeme stejný TDA2040, který byl použit ve výkonovém zesilovači 25 W, ale abychom získali výkon 40 W, použijeme další výkonové tranzistory.

Na obrázku výše je zobrazen TDA2040. Je k dispozici ve většině obecných online obchodech i na eBay. Balíček se nazývá balíček „ Pentawatt “ s 5 výstupními kolíky. Pinoutový diagram je velmi jednoduchý a je k dispozici v datovém listu,

Karta je připojena k pinu 3 nebo –Vs (záporný zdroj napájení). Nemluvě o tom, že chladič spojený s kartou také získá stejné připojení.

Pokud zkontrolujeme datový list, můžeme také vidět vlastnosti tohoto výkonového zesilovače IC

Vlastnosti IC jsou docela dobré. Poskytuje ochranu proti zkratu k zemi. Tepelná ochrana také přinese další bezpečnostní prvky kvůli stavu přetížení. Jak vidíme, TDA2040 je schopen poskytnout výstup 25 Watt na zátěž 4 Ohmy, pokud je připojen dělený napájecí zdroj s výstupem +/- 17V. V takovém případě bude THD (celkové harmonické zkreslení) 0,5%. Ve stejné konfiguraci, pokud získáme výkon 30 W, bude THD 10%.

V datovém listu je také další graf, který poskytuje vztah mezi napájecím napětím a výstupním výkonem.

Pokud vidíme graf, můžeme dosáhnout výstupního výkonu více než 26 W, pokud použijeme dělený napájecí zdroj s výstupem vyšším než 15 V.

Jak jsme již viděli, je možné dosáhnout prostřednictvím TDA2040 nepřetržitého výkonu 25 Wattů. Ale chceme udělat 40 Wattový výkonový zesilovač. Takže u těchto dalších 15 wattů musíme přidat dva výkonové tranzistory NPN a PNP, abychom zajistili další zesílení a výstupní výkon přes reproduktor 4 Ohmy.

Abychom dosáhli tohoto dodatečného zesílení výkonu, použili jsme výkonové tranzistory uzavřených párů BD712 a BD711. Oba tranzistory jsou k dispozici v balení TO-220C.

Schéma vysunutí BD711 a BD712 je

Pro dokonalý provoz bez ohrožení THD potřebujeme 36V napájecí zdroj, abychom dosáhli 40W výkonu. Ačkoli tento obvod může být napájen pomocí 15V až 40VDC.

Požadované komponenty

Pro konstrukci obvodu potřebujeme následující komponenty -

1. Deska Vero (lze použít tečkovaný nebo připojený kdokoli)
2. Páječka
3. Pájecí drát
4. Kleště a odizolovací kleště
5. Dráty
6. Hliníkový chladič KS-58
7. 36V Jeden napájecí zdroj
8. 4 ohmy, 40 W reproduktor
9. 4 ks 1,5R rezistor 1/2 Watt rezistory
10. 4ks 100k rezistor 1/4 ^th Watt
11. 12k rezistor
12. 1R rezistor s výkonem 2 Watt
13. 470nF kondenzátor
14. 100uF kondenzátor
15. TDA2040
16. 1N4148 Dioda dva kusy
17. 220nF kondenzátor
18. Kondenzátor 2200uF
19. 4,7uF kondenzátor
20. Pár tranzistorů BD711 a BD712.

Schéma zapojení a vysvětlení

Schéma je 40 wattový audio zesilovač docela jednoduchý; TDA2040 zesiluje signál a poskytuje výkon 25 W RMS. Další zesílení výkonu se provádí pomocí párů tranzistorů BD711 a BD712. Vstupní kondenzátor 470nF je stejnosměrný blokovací kondenzátor, který umožňuje průchod pouze střídavého signálu. Jednou z hlavních věcí je jediné napájecí napětí. Jelikož je zesilovač napájen pomocí jediného zdroje, je třeba vstupní signál zvednout nad několik voltů, aby mohl zesilovač zesilovat signál v kladném i záporném píku. Rezistory R6, R9 a R7, R8 poskytují zkreslené napětí výkonovým tranzistorům a výkonovým zesilovačům. R10 a C5 jsou tlumící nebo RC klešťové obvody, které chrání zesilovač před velkou indukční zátěží reproduktoru.

Testování 40wattového 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 36VDC a je poskytován vstupní sinusový signál. Osciloskop je připojen přes výstup proti zatížení 4 ohmy na kanálu A (žlutá) a vstupní signál připojený přes kanál B (modrá).

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 200 Hz. Stejně jako u nízké frekvence bude zesilovač dodávat do zátěže více proudu a multimetr bude schopen správně detekovat střídavé napětí.

Multimetr ukazoval + 12,5 V AC. Takže podle vzorce je výstup výkonového zesilovače při zatížení 4 Ohmy

Zesilovač Výkon = 12,5 ² /4 Zesilovač Příkon = 39,06 (40W přibližně)

Na co je třeba pamatovat při konstrukci 40w zesilovače

Při konstrukci obvodu musí být výkonový zesilovač TDA2040 správně připojen k chladiči. Větší chladič poskytuje lepší výsledek. Pro lepší výsledek je také dobré použít kondenzátorové skříňové kondenzátory.

Vždy je dobrou volbou použít PCB pro audio související aplikace. Nejlepší způsob konstrukce desky plošných spojů je odkazem na pokyny výrobce IC.

1. Vytvořte stopy zvukového signálu co nejkratší, abyste omezili nežádoucí spojování šumu.
2. Výkonové tranzistory musí být připojeny pomocí správných chladičů. Lze použít chladič řady KS-58.
3. Nepoužívejte jediný velký chladič a opravujte TDA2040, BD711 a BD712. V opačném případě použijte samostatné chladiče pro samostatné součásti, mohlo by dojít ke zkratu.
4. Jinak dávejte pozor na výkon reproduktoru, jinak může dojít k popálení nebo poškození reproduktoru.
5. Neodstraňujte klešťový nebo tlumící obvod, je to velmi důležité pro bezpečnost výkonových tranzistorů a výkonového zesilovače.
6. Nepoužívejte v zesilovači velký zesílený signál, THD se zvýší.