Circuit amplificador de potència de 100 watts mitjançant mosfet

L’amplificador de potència és la part de l’electrònica d’àudio. Està dissenyat per maximitzar la magnitud de la potència del senyal d'entrada donat. En electrònica de so, l'amplificador operacional augmenta el voltatge del senyal, però no pot proporcionar el corrent, que és necessari per conduir una càrrega. En aquest tutorial, crearem un circuit amplificador de potència de sortida de 100 W RMS mitjançant MOSFET i transistors amb un altaveu d’impedància de 4 Ohms connectat.

Topologia constructiva per a amplificadors

En un sistema de cadena d'amplificadors, l'amplificador de potència s'utilitza en l'última o última etapa abans de la càrrega. Generalment, el sistema d'amplificador de so utilitza la topologia següent que es mostra al diagrama de blocs

Com podeu veure al diagrama de blocs anterior, l'amplificador de potència és l'última etapa que està directament connectada a la càrrega. Generalment, abans de l’amplificador de potència, el senyal es corregeix mitjançant amplificadors pre amplificadors i controls de tensió. A més, en alguns casos, on es necessita un control de to, s’afegeix el circuit de control de to abans de l’amplificador de potència.

Conegueu la vostra càrrega

En el cas del sistema amplificador d' àudio, la càrrega i la capacitat de càrrega de l'amplificador són un aspecte important en la construcció. La càrrega principal d’un amplificador de potència és l’altaveu alt. La sortida de l'amplificador de potència depèn de la impedància de càrrega, de manera que connectar una càrrega incorrecta pot comprometre l'eficiència de l'amplificador de potència, així com l'estabilitat.

Loud Speaker és una càrrega enorme que actua com a càrrega inductiva i resistiva. L'amplificador de potència proporciona sortida de CA, a causa d'això, la impedància de l'altaveu és un factor crític per a una correcta transferència de potència.

La impedància és la resistència efectiva d’un circuit o component electrònic per al corrent altern, que sorgeix dels efectes combinats relacionats amb la resistència òhmica i la reactància.

A l’ electrònica d’àudio, hi ha diferents tipus d’altaveus disponibles en diferents potències amb impedància diferent. La impedància dels altaveus es pot entendre millor utilitzant la relació entre el flux d’aigua dins d’una canonada. Penseu que l’altaveu és una canonada d’aigua, l’aigua que flueix per la canonada és el senyal d’àudio alternatiu. Ara, si la canonada es fa més gran de diàmetre, l’aigua fluirà fàcilment per la canonada, el volum d’aigua serà més gran i, si disminuïm el diàmetre, menys aigua fluirà per la canonada, de manera que el volum d’aigua serà més baix. El diàmetre és l’efecte creat per la resistència òhmica i la reactància. Si la canonada es fa més gran de diàmetre, la impedància serà baixa, de manera que l’altaveu pot obtenir més potència i l’amplificador proporcionarà més escenari de transferència de potència i, si la impedància augmenta, l’amplificador proporcionarà menys potència a l’altaveu.

Hi ha diferents opcions, així com diferents segments d’altaveus disponibles al mercat, generalment amb 4 ohms, 8 ohms, 16 ohms i 32 ohms, dels quals els altaveus de 4 i 8 ohms estan àmpliament disponibles a preus econòmics. A més, hem d’entendre que un amplificador de 5 watts, 6 watts o 10 watts o més és la potència RMS (Root Mean Square), subministrada per l’amplificador a una càrrega específica en funcionament continu.

Per tant, hem d’anar amb compte amb la classificació dels altaveus, la classificació de l’amplificador, l’eficiència dels altaveus i la impedància.

Construcció d’un circuit amplificador d’àudio simple de 100W

En tutorials anteriors, vam fabricar amplificadors de potència de 10W, 25W i 50W. Però en aquest tutorial dissenyarem un amplificador de potència de sortida RMS de 100 watts mitjançant MOSFET.

En la construcció de l' amplificador de 100 watts, s'utilitzen transistors múltiples i MOSFET. Vegem l'especificació i el diagrama de pins d'importants MOSFET i transistors. A la fase d'amplificació de l'amplificador, hem utilitzat el transistor d'alta tensió MPSA43. És un transistor NPN d'alta tensió que actua com a amplificador. El passador del transistor NPN MPSA43 és

Hem utilitzat dos transistors de potència mitjana complementaris MJE350 i MJE340. MJE350 és un transistor PNP de 500 mA del paquet TO-225 i el transistor de parell NPN idèntic és MJE340. MJE340 té les mateixes especificacions que MJE350, però és un transistor de potència mitjana NPN.

Els diagrames Pinout per a tots dos es donen a continuació:

En l'etapa final, s'utilitzen dos MOSFET de potència IRFP244 i IRFP9240. La combinació d’aquests dos proporciona una potència de 100 watts RMS a través de la càrrega de 4 ohms.

Components necessaris per al circuit d'amplificador de potència

1. Tauler Vero (es pot utilitzar qualsevol persona punteada o connectada)
2. Soldador
3. Filferro de soldadura
4. Eina per separar filferro i filferro
5. Filferros
6. Connectors d'àudio segons els requisits
7. Dissipador de calor d'alumini fi amb un gruix de 5 mm i una dimensió de 90 mm x 45 mm.
8. Font d'alimentació de rail a rail de 40V amb sortida de via de potència + 40V GND -40V
9. Altaveu de 4 ohms de 100 watts
10. Resistència de 1/4 ^º watts (39r, 390R, 1k, 1.5K, 4.7k, 15k, 22k, 33k, 47k, 150K) - 1nos.
11. 330R Resistència 1/4 ^º watts - 3 peces
12. Resistència 10R de 10 watts
13. 0,33R - 7 watts - 2 unitats
14. 0,22 R - 10 watts
15. Condensador 100nF 100V - 2 unitats
16. Condensador de 47uF 100V
17. 470pF 100V
18. 470nF 63V
19. 10pF 100V
20. 1n4002 Diodo
21. IRFP244
22. IRF9240
23. MJE350
24. MJE340
25. BC546 - 2 unitats
26. MPSA43 - 3 unitats

Diagrama i explicació del circuit de l’amplificador d’àudio de 100W

L’esquema d’aquest amplificador d’àudio de 100 watts té algunes etapes. Al començament de la primera etapa d'amplificació, una secció de filtre bloqueja els sorolls de freqüència no desitjats. Aquesta secció de filtre es crea amb R3, R4 i C1, C2.

A la segona etapa del circuit, Q1 i Q2, que són transistors MPSA43, funcionen com a amplificadors diferencials i alimenten el senyal a la fase d'amplificació posterior.

A continuació, l'amplificació de potència es realitza a través de dos MOSFET, IRFP244N i IRF9240. Aquests dos MOSFET són la part important del circuit. Aquests dos MOSFET actuen com a controlador push-pull (una topologia o arquitectura d’amplificació àmpliament utilitzada). Per accionar aquests dos MOSFET Q5 i Q7, s’utilitzen transistors MJE350 i MJE340. Aquests dos transistors de potència proporcionen prou corrent de porta per accionar els MOSFET. R15 i R14 són les resistències limitadores de corrent per protegir la porta MOSFET del corrent d’entrada. El mateix passa amb els R12 i R13 per protegir la càrrega de sortida de la unitat de corrent d’entrada. R18 és una resistència d'alta potència que actua com a circuit de subjecció amb el condensador 100nF. R16 també proporciona protecció contra sobrecorrent addicional.

Prova del circuit d'amplificació de 100 watts

Hem utilitzat eines de simulació Proteus per comprovar la sortida del circuit; hem mesurat la sortida a l'oscil·loscopi virtual. Podeu consultar el vídeo de demostració complet que es mostra a continuació

Estem alimentant el circuit mitjançant +/- 40V i es proporciona el senyal sinusoïdal d’entrada. El canal A (groc) de l’oscil·loscopi està connectat a la sortida amb una càrrega de 4 ohms i el senyal d’entrada es connecta al canal B (blau).

Podem veure la diferència de sortida entre el senyal d’entrada i la sortida amplificada al vídeo: -

A més, hem comprovat la potència de sortida; la potència de l'amplificador depèn en gran mesura de diverses coses, com s'ha comentat abans. Depèn en gran mesura de la impedància dels altaveus, l’eficiència dels altaveus, l’eficiència de l’amplificador, les topologies de construcció, les distorsions harmòniques totals, etc. El circuit de la vida real és diferent del de la simulació, ja que cal tenir en compte molts factors en comprovar o provar la sortida.

Càlcul de potència de l'amplificador

Hem utilitzat una fórmula senzilla per calcular la potència de l’amplificador.

Potència de l'amplificador = V ² / R

Hem connectat un multímetre de corrent altern a la sortida. La tensió de corrent altern que es mostra al multímetre és de voltatge altern de pic a pic.

Vam proporcionar un senyal sinusoïdal de baixa freqüència de 25 a 50 Hz. Com passa amb la freqüència baixa, l’amplificador subministrarà més corrent a la càrrega i el multímetre serà capaç de detectar correctament la tensió de corrent altern.

El multímetre mostrava + 20,9 V CA. Per tant, segons la fórmula, la sortida de l’amplificador de potència a 4 Ohms de càrrega és

Amplificador de Potència = 20,9 ² /4 Amplificador de Potència = 109,20 (més de 100 W aproximadament)

Coses que cal recordar mentre es construeix un amplificador d'àudio de 100w

1. Quan es construeix el circuit, cal que els MOSFET es connectin correctament amb el dissipador de calor a l’etapa de l’amplificador de potència. El dissipador de calor més gran proporciona un millor resultat. Els transistors de potència Q5 i Q7 han de dissipar-se correctament amb dissipadors de calor d'alumini en forma d'U.
2. És bo utilitzar condensadors tipus caixa de qualitat sonora per obtenir un millor resultat.
3. Sempre és una bona opció utilitzar PCB per a aplicacions relacionades amb l'àudio.
4. Feu que les traces de l'amplificador diferencial siguin més curtes i properes a la traça d'entrada.
5. Mantingueu separades les línies de senyal d’àudio de les sorolloses.
6. Aneu amb compte amb el gruix de les traces. Com que es tracta d'un disseny de 100 watts, cal un camí actual més gran, de manera que maximitzeu l'amplada de traça. És millor utilitzar taulers de coure de 70 micres en disposició a doble cara amb vies màximes per a un millor flux de corrent.
7. Cal crear un pla de terra a través del circuit. Mantingueu el camí de retorn a terra el més curt possible.

Aconsegueix millors resultats

En aquest disseny de 100 watts, es poden fer poques millores per obtenir una millor producció.

1. Afegiu un condensador de desacoblament de 4700uF amb una potència mínima de 100 V a la pista de potència positiva i negativa.
2. Utilitzeu resistències MFR classificades a l’1% per obtenir una millor estabilitat.
3. Canvieu el díode 1N4002 amb UF4007.
4. Canvieu el R11 amb un potenciòmetre de 1 k per controlar el corrent en repòs a través dels MOSFET de potència.
5. Afegiu un fusible a la sortida, protegirà el circuit de la sobrecàrrega dels altaveus o de la sortida de curtcircuit.

A més, comproveu altres circuits d'amplificadors d'àudio:

• Amplificador d'àudio de 40 watts amb TDA2040
• Circuit d'amplificador d'àudio de 25 watts
• Amplificador d'àudio de 10 watts amb Op-Amp
• Circuit d'amplificador de potència de 50 watts mitjançant MOSFET