Схема усилителя мощности 50 Вт с использованием МОП-транзисторов

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 усилитель выходной мощности на 50 Вт RMS с использованием полевых МОП-транзисторов с подключенным к нему динамиком с сопротивлением 8 Ом.

Топология конструкции для усилителей

В цепной системе усилителей усилитель мощности используется на последнем или последнем 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 станет больше, сопротивление будет низким,Таким образом, динамик может получать большую мощность, а усилитель обеспечивает более высокий сценарий передачи мощности, и если сопротивление становится 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.

Конструкция простого усилителя мощностью 50 Вт

В предыдущих уроках мы сделали усилитель мощности на 10 Вт, усилитель мощности на 25 Вт и усилитель мощности на 40 Вт. Но в этом руководстве мы разработаем усилитель выходной мощности 50 Вт RMS с использованием полевых МОП-транзисторов. В предыдущих уроках мы использовали специальную интегральную схему усилителя мощности TDA2040 для усилителей мощностью 25 и 40 Вт, но в этой конструкции мы будем использовать дополнительные пары полевых МОП-транзисторов с каналом N и P для получения выходной мощности 50 Вт. Выход будет достаточно стабильным, а коэффициент нелинейных искажений будет минимальным. Мы будем управлять нагрузкой 8 Ом с ним.

Мы использовали два широко популярных дополняющих полевых МОП-транзистора IRF530N и IRF9530N, которые широко доступны в местных и интернет-магазинах.

На изображении выше левый - IRF530N, а правый - IRF9530N. Оба являются корпусом TO-220AB.

Эти два полевых МОП-транзистора создают двухтактный режим для управления динамиком 8 Ом и 50 Вт RMS.

Компонент Требуется

Для построения схемы нам понадобятся следующие компоненты:

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. Тонкий алюминиевый радиатор толщиной 2 мм и размером 50 мм x 30 мм.
7. Источник питания 35V Rail to Rail с выходом + 35V GND -35V
8. Динамик 8 Ом, 50 Вт
9. Резисторы (10R, 300R, 560R, 680R, 820R, 1.2k, 2.2k, 10k, 15k) - 1шт.
10. Резисторы (2,7к, 4,7к, 47к) - 2шт.
11. Конденсатор 100 мкФ 63 В
12. Конденсатор 47uF 63V - 2шт
13. 68 нФ 100 В
14. 220пФ 50В
15. 1n4002 Диод
16. IRF530
17. IRF9530
18. .1uH Индуктор с воздушным сердечником, номинальный ток 5A
19. BC556 -2 шт.
20. BC546 - 2 шт.

Принципиальная схема и объяснение

Схема этого 50-ваттного аудиоусилителя имеет несколько каскадов. В начале усиления фильтр нижних частот блокирует высокочастотный шум. Этот фильтр нижних частот создается с использованием R1, R2 и C1. Резисторы R1 и R2 выполняют две функции: во-первых, это часть фильтра нижних частот, во-вторых, это делитель напряжения, а также ограничитель тока.

На втором каскаде схемы Q1 и Q2, которые представляют собой транзисторы BC556, работают как дифференциальный усилитель.

Затем усиление мощности выполняется на двух полевых МОП-транзисторах, IRF530N и IRF9530. Эти два полевых МОП-транзистора являются комплементарной и согласованной парой. Два полевых МОП-транзистора имеют одинаковую спецификацию, но один является N-каналом, а другой - P-каналом. Это важная часть схемы. Эти два полевых МОП-транзистора действуют как двухтактный драйвер (широко используемая топология или архитектура усиления). Для управления этими двумя полевыми МОП-транзисторами Q3 и Q4 используется BC546. Эти два транзистора обеспечивают достаточную мощность затвора для полевых МОП-транзисторов. R15 - это резистор высокой мощности, который действует как ограничивающая цепь с конденсатором 68 нФ, а индуктор 1 мкГн добавлен для обеспечения стабильного усиления громкоговорителя 8 Ом.

Тестирование схемы усилителя мощностью 50 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 +/- 35 В, и подается входной синусоидальный сигнал. Канал осциллографа A (желтый) подключен к выходу с нагрузкой 8 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 +20,1В переменного тока. Итак, согласно формуле, выход усилителя мощности при нагрузке 8 Ом равен

Усилитель Мощность = 20,1 ² /8 Усилитель Мощность = 50,50 (50W приблизительно)

Что следует помнить при создании усилителя мощности 50 Вт

1. При построении схемы необходимо правильно соединить полевые МОП-транзисторы с радиатором на каскаде усилителя мощности. Радиатор большего размера обеспечивает лучший результат.
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 50-ваттная конструкция, требуется больший путь тока, поэтому максимальную ширину следа.
7. Необходимо создать заземляющую поверхность по цепи. Сделайте обратный путь заземления как можно короче.

Добивайтесь лучших результатов

В этой 50-ваттной конструкции можно сделать несколько улучшений для повышения производительности.

1. Добавьте развязывающий конденсатор 220 мкФ с номиналом не менее 63 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 R13 потенциометром 1 кОм, чтобы контролировать ток покоя на силовых полевых МОП-транзисторах.
5. Используйте тороидальный индуктор вместо воздушного сердечника с 0,25uH 5A.
6. Добавьте предохранитель на выходе, 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