Obvod výkonového zesilovače 50 W využívající mosfety

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 kurzu sestavíme výstupní výkonový zesilovač 50 W RMS pomocí MOSFETů s připojeným 8 Ohmovým impedančním reproduktorem.

Konstrukční topologie pro zesilovače

V řetězovém systému zesilovače se výkonový zesilovač používá v poslední nebo poslední fázi před zátěží. Systém zvukových zesilovačů obecně 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 50W zesilovače

V předchozích cvičeních jsme vyrobili 10 Wattový zesilovač, 25 Wattový zesilovač a 40 Wattový zesilovač. Ale v tomto tutoriálu navrhneme výstupní výkonový zesilovač 50 W RMS pomocí MOSFETů. V předchozích výukových programech jsme použili vyhrazený výkonový zesilovač IC, TDA2040 pro 25 W a pro 40 W zesilovače, ale v tomto provedení použijeme pro získání 50Wattového výkonu komplementární párové N a P kanálové MOSFETy. Výstup bude docela stabilní a THD bude minimální. Budeme s ním řídit 8 ohmů.

Použili jsme dva velmi populární doplňkové MOSFETy IRF530N a IRF9530N, které jsou široce dostupné v místních obchodech i online obchodech.

Na obrázku výše je levý IRF530N a pravý IRF9530N. Oba jsou balíčkem TO-220AB.

Tyto dva MOSFETy vytvářejí push-pull provoz pro řízení 8 Ohm 50 W RMS reproduktoru.

Komponenta požadována

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. Jemný hliníkový chladič o tloušťce 2 mm a rozměrech 50 mm x 30 mm.
7. Napájecí zdroj 35V Rail to Rail s výstupem napájení +35V GND -35V
8. 8 ohmový 50 W reproduktor
9. Rezistory (10R, 300R, 560R, 680R, 820R, 1,2k, 2,2k, 10k, 15k) - 1nos.
10. Rezistory (2,7k, 4,7k, 47k) - 2nos.
11. 100uF 63V kondenzátor
12. 47uF 63V kondenzátor - 2ks
13. 68nF 100V
14. 220pF 50V
15. Dioda 1n4002
16. IRF530
17. IRF9530
18. .1uH Vzduchové jádro Induktor 5A jmenovitý
19. BC556 - 2 ks
20. BC546 - 2 ks

Schéma zapojení a vysvětlení

Schéma tohoto 50 wattového audio zesilovače má několik fází. Na začátku zesílení nízkofrekvenční filtr blokuje vysokofrekvenční šum. Tento dolní propust je vytvořen pomocí R1, R2 a C1. Rezistory R1 a R2 mají dvě operace, první je součástí nízkoprůchodového filtru, druhá je děličem napětí a omezovačem proudu.

Na druhém stupni obvodu fungují Q1 a Q2, což jsou tranzistory BC556, jako diferenciální zesilovač.

Dále se zesílení výkonu provádí přes dva MOSFETy, IRF530N a IRF9530. Tyto dva MOSFETy jsou komplementární a spárovaný pár. Dva MOSFET mají stejnou specifikaci, ale jeden je N-kanál a druhý je P-kanál. Toto je důležitá součást obvodu. Tyto dva MOSFETy fungují jako ovladač push-pull (široce používaná topologie nebo architektura zesílení). K řízení těchto dvou MOSFETů, Q3 a Q4, se používá BC546. Tyto dva tranzistory poskytují dostatek pohonu brány na MOSFETy. R15 je rezistor s vysokým příkonem, který funguje jako upínací obvod s kondenzátorem 68nF a je přidán induktor 1uH pro zajištění stabilního zesílení reproduktoru s 8 ohmy.

Testování 50wattového 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 +/- 35 V a je zajištěn vstupní sinusový signál. Kanál osciloskopu A (žlutý) je připojen přes výstup proti 8 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

K výpočtu příkonu zesilovače jsme použili jednoduchý vzorec -

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 + 20,1 V AC. Podle vzorce je tedy výstup výkonového zesilovače při zatížení 8 Ohmů

Zesilovač Výkon = 20,1 ² /8 Zesilovač Příkon = 50,50 (50W přibližně)

Na co si pamatovat při konstrukci 50w výkonového zesilovače

1. Při konstrukci obvodu je třeba, aby MOSFETy byly správně připojeny k chladiči ve fázi výkonového zesilovače. Větší chladič poskytuje lepší výsledek.
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 50 W design, je vyžadována větší proudová cesta, takže maximalizujte šířku stopy.
7. Je třeba vytvořit pozemní rovinu napříč okruhem. Udržujte zpáteční cestu země co nejkratší.

Dosahujte lepších výsledků

V tomto 50 W provedení lze provést několik vylepšení pro lepší výkon.

1. Přidejte kladný a záporný výkonový oddělovací kondenzátor 220uF s hodnocením alespoň 63V.
2. Pro lepší stabilitu použijte 1% hodnocené MFR rezistory.
3. Vyměňte diodu 1N4002 za UF4007.
4. Změňte R13 pomocí 1k potenciometru a ovládejte klidový proud napříč výkonovými MOSFETy.
5. Místo jádra Air s 0,25uH 5A použijte toroidní induktor.
6. 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