Схема усилителя мощности 100 Вт с использованием MOSFET

Усилитель мощности входит в состав аудиоэлектроники. Он разработан, чтобы максимизировать величину мощности f заданного входного сигнала. В звуковой электронике операционный усилитель увеличивает напряжение сигнала, но не может обеспечить ток, необходимый для управления нагрузкой. В этом руководстве мы построим схему усилителя выходной мощности 100 Вт RMS с использованием полевых МОП-транзисторов и транзисторов с подключенным к ней динамиком с сопротивлением 4 Ом.

Топология конструкции для усилителей

В цепной системе усилителей усилитель мощности используется на последнем или конечном этапе перед нагрузкой. Как правило, система усилителя звука использует топологию ниже, показанную на блок-схеме.

Как вы можете видеть на приведенной выше блок-схеме, усилитель мощности - это последний каскад, который напрямую подключен к нагрузке. Как правило, перед усилителем мощности сигнал корректируется с помощью предварительных усилителей и усилителей управления напряжением. Кроме того, в некоторых случаях, когда требуется регулировка тембра, схема регулировки тембра добавляется перед усилителем мощности.

Знай свою нагрузку

В случае системы аудиоусилителя нагрузка и управляемая нагрузка усилителя являются важным аспектом в конструкции. Основная нагрузка для усилителя мощности является динамиком. Выход усилителя мощности зависит от импеданса нагрузки, поэтому подключение неподходящей нагрузки может снизить эффективность усилителя мощности, а также его стабильность.

Громкоговоритель - это огромная нагрузка, которая действует как индуктивная и резистивная нагрузка. Усилитель мощности обеспечивает выход переменного тока, поэтому сопротивление динамика является критическим фактором для правильной передачи мощности.

Импеданс - это эффективное сопротивление электронной схемы или компонента для переменного тока, которое возникает в результате комбинированных эффектов, связанных с омическим сопротивлением и реактивным сопротивлением.

В аудиоэлектронике, доступны разные типы громкоговорителей разной мощности с разным импедансом. Импеданс динамика можно лучше всего понять, используя соотношение между потоком воды внутри трубы. Просто представьте громкоговоритель как водопроводную трубу, вода, протекающая по трубе, является переменным звуковым сигналом. Теперь, если труба стала больше в диаметре, вода будет легко течь по трубе, объем воды будет больше, а если мы уменьшим диаметр, тем меньше воды будет протекать по трубе, поэтому объем воды будет ниже. Диаметр - это эффект, создаваемый омическим сопротивлением и реактивным сопротивлением. Если диаметр трубы увеличивается, сопротивление будет низким, поэтому динамик может получить большую мощность, а усилитель обеспечит большую передачу мощности, а если сопротивление станет высоким, то усилитель будет обеспечивать динамик меньшей мощностью.

На рынке есть разные варианты, а также разные сегменты динамиков, обычно с 4 Ом, 8 Ом, 16 Ом и 32 Ом, из которых 4 и 8 Ом громкоговорители широко доступны по низким ценам. Кроме того, мы должны понимать, что усилитель мощностью 5 Вт, 6 Вт или 10 Вт или даже больше является среднеквадратичной мощностью, подаваемой усилителем на конкретную нагрузку в непрерывном режиме.

Итак, мы должны быть осторожны с рейтингом динамиков, рейтингом усилителя, эффективностью динамика и импедансом.

Построение простой схемы усилителя звука мощностью 100 Вт

В предыдущих уроках мы сделали усилитель мощности 10 Вт, усилитель мощности 25 Вт и усилитель мощности 50 Вт. Но в этом руководстве мы разработаем усилитель выходной мощности 100 Вт RMS с использованием полевых МОП-транзисторов.

В конструкции усилителя мощностью 100 Вт используются несколько транзисторов и полевые МОП-транзисторы. Давайте посмотрим на спецификацию и схему контактов важных полевых МОП-транзисторов и транзисторов. В каскаде усиления усилителя использован высоковольтный транзистор MPSA43. Это высоковольтный NPN-транзистор, который действует как усилитель. Штифт из транзистора NPN MPSA43 уровней IS

Мы использовали два дополнительных транзистора средней мощности MJE350 и MJE340. MJE350 - это PNP-транзистор на 500 мА в корпусе TO-225, а идентичная NPN-пара транзисторов - MJE340. MJE340 имеет ту же спецификацию, что и MJE350, но это транзистор средней мощности NPN.

Схемы распиновки для обоих из них приведены ниже:

На заключительном этапе используются два силовых полевых МОП-транзистора IRFP244 и IRFP9240. Комбинация этих двух параметров обеспечивает выходную мощность 100 Вт RMS на нагрузке 4 Ом.

Необходимые компоненты для схемы усилителя мощности

1. Доска Vero (может использоваться любой желающий с точками или подключением)
2. Паяльник
3. Припой провод
4. Кусачки и инструмент для зачистки проводов
5. Провода
6. Аудиоразъемы в соответствии с требованиями
7. Тонкий алюминиевый радиатор толщиной 5 мм и размером 90 мм x 45 мм.
8. Блок питания 40V Rail to Rail с выходом + 40V GND -40V
9. Динамик 4 Ом 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. Резистор 10R 10 Вт
13. 0.33R - 7 Вт - 2 шт.
14. 0,22R - 10 Вт
15. Конденсатор 100нФ 100В - 2 шт.
16. Конденсатор 47 мкФ 100 В
17. 470пФ 100В
18. 470 нФ 63 В
19. 10пФ 100В
20. 1n4002 Диод
21. IRFP244
22. IRF9240
23. MJE350
24. MJE340
25. BC546 - 2 шт.
26. MPSA43 - 3 шт.

Принципиальная схема и пояснения усилителя звука мощностью 100 Вт

Схема этого 100-ваттного аудиоусилителя имеет несколько каскадов. В начале первого каскада усиления секция фильтра блокирует нежелательные частотные шумы. Эта секция фильтра создается с использованием R3, R4 и C1, C2.

На втором каскаде схемы Q1 и Q2, которые представляют собой транзисторы MPSA43, работают как дифференциальный усилитель и подают сигнал на дополнительный каскад усиления.

Затем усиление мощности выполняется на двух полевых МОП-транзисторах IRFP244N и IRF9240. Эти два полевых МОП-транзистора являются важной частью схемы. Эти два полевых МОП-транзистора действуют как двухтактный драйвер (широко используемая топология или архитектура усиления). Для управления этими двумя полевыми МОП-транзисторами Q5 и Q7 используются транзисторы MJE350 и MJE340. Эти два силовых транзистора обеспечивают ток затвора, достаточный для управления полевыми МОП-транзисторами. R15 и R14 - резисторы-ограничители тока для защиты затвора полевого МОП-транзистора от броска тока. То же самое происходит с R12 и R13 для защиты выходной нагрузки от пускового тока привода. R18 - это резистор высокой мощности, который действует как ограничивающая цепь с конденсатором 100 нФ. R16 также обеспечивает дополнительную защиту от перегрузки по току.

Тестирование схемы усилителя мощностью 100 Вт

Мы использовали инструменты моделирования Proteus, чтобы проверить выход схемы; мы измерили выходной сигнал в виртуальном осциллографе. Вы можете проверить полное демонстрационное видео, приведенное ниже

Мы запитываем схему с помощью +/- 40 В, и подается входной синусоидальный сигнал. Канал осциллографа A (желтый) подключен к выходу с нагрузкой 4 Ом, а входной сигнал подключен к каналу B (синий).

Мы можем видеть разницу между входным сигналом и усиленным выходом на видео: -

Кроме того, мы проверили выходную мощность, мощность усилителя сильно зависит от нескольких факторов, как обсуждалось ранее. Это сильно зависит от импеданса динамика, эффективности динамика, КПД усилителя, топологии конструкции, общих гармонических искажений и т. Д. Мы не могли учесть или вычислить все возможные факторы, которые создают зависимости в мощности усилителя. Реальная схема отличается от модели, потому что при проверке или тестировании выходных данных необходимо учитывать множество факторов.

Расчет мощности усилителя

Мы использовали простую формулу для расчета мощности усилителя:

Мощность усилителя = В ² / R

Мы подключили мультиметр переменного тока к выходу. Напряжение переменного тока, отображаемое на мультиметре, представляет собой размах переменного напряжения.

Мы получили очень низкочастотный синусоидальный сигнал 25-50 Гц. Как и в случае с низкой частотой, усилитель будет подавать больший ток на нагрузку, и мультиметр сможет правильно определять напряжение переменного тока.

Мультиметр показал +20,9В переменного тока. Таким образом, по формуле выход усилителя мощности при нагрузке 4 Ом равен

Усилитель Мощность = 20,9 ² /4 Усилитель Мощность = 109,20 (более 100 Вт приблизительно)

Что следует помнить при создании усилителя звука мощностью 100 Вт

1. При построении схемы необходимо правильно соединить полевые МОП-транзисторы с радиатором на каскаде усилителя мощности. Радиатор большего размера обеспечивает лучший результат. Силовые транзисторы Q5 и Q7 должны иметь теплоотвод с небольшими U-образными алюминиевыми радиаторами.
2. Для достижения лучшего результата рекомендуется использовать конденсаторы коробчатого типа с номинальным звуковым уровнем.
3. Всегда полезно использовать PCB для приложения, связанного со звуком.
4. Сделайте дорожки дифференциального усилителя короткими и как можно ближе к входной дорожке.
5. Держите линии аудиосигнала отдельно от линий электропередач с шумом.
6. Будьте осторожны с толщиной следов. Поскольку это конструкция на 100 Вт, требуется больший путь тока, поэтому максимизируйте ширину дорожки. Лучше использовать 70-микронную медную плату в двухсторонней схеме с максимальным количеством переходных отверстий для лучшего прохождения тока.
7. Необходимо создать заземляющую поверхность по цепи. Сделайте обратный путь заземления как можно короче.

Добивайтесь лучших результатов

В этой конструкции мощностью 100 Вт можно сделать несколько улучшений для повышения производительности.

1. Добавьте развязывающий конденсатор емкостью 4700 мкФ с номиналом не менее 100 В между положительной и отрицательной цепью питания.
2. Для большей стабильности используйте резисторы MFR с номиналом 1%.
3. Замените диод 1N4002 на UF4007.
4. Замените R11 потенциометром 1 кОм, чтобы контролировать ток покоя на силовых полевых МОП-транзисторах.
5. Добавьте предохранитель на выход, он защитит цепь от перегрузки динамика или короткого замыкания на выходе.

Также проверьте другие схемы усилителей звука:

• Усилитель звука мощностью 40 Вт с использованием TDA2040
• Схема усилителя звука мощностью 25 Вт
• Усилитель звука мощностью 10 Вт с операционным усилителем
• Схема усилителя мощности 50 Вт с использованием полевых МОП-транзисторов