Circuit amplificador de potència de 50 watts mitjançant mosfets

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 amplificador de potència de sortida RMS de 50 watts mitjançant MOSFET amb un altaveu d’impedància de 8 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 proporciona 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 amplificador simple de 50W

En tutorials anteriors, vam fabricar un amplificador de potència de 10 watts, un amplificador de potència de 25 watts i un amplificador de potència de 40 watts. Però en aquest tutorial dissenyarem un amplificador de potència de sortida RMS de 50 watts mitjançant MOSFET. En tutorials anteriors, vam utilitzar un amplificador de potència dedicat IC, TDA2040 per a 25 watts i per a 40 watts, però en aquest disseny utilitzarem MOSFET de parells N i P de canal gratuïts per obtenir la potència de sortida de 50W. La sortida serà bastant estable i el THD serà mínim. Conduirem 8 ohms de càrrega amb ell.

Hem utilitzat dos MOSFET complementaris populars IRF530N i IRF9530N, que estan àmpliament disponibles a les botigues locals i a les botigues en línia.

A la imatge superior, l’esquerra és l’IRF530N i la dreta és l’IRF9530N. Tots dos són un paquet TO-220AB.

Aquests dos MOSFET creen una operació push-pull per conduir altaveus RMS de 8 ohms de 50 watts.

Component obligatori

Per construir el circuit necessitem els components següents:

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. Dissipador de calor d'alumini fi de 2 mm de gruix i dimensió de 50 mm x 30 mm.
7. Alimentació de rail de 35V amb sortida de via de potència + 35V GND -35V
8. Altaveu de 8 ohms de 50 watts
9. Resistències (10R, 300R, 560R, 680R, 820R, 1,2k, 2,2k, 10k, 15k) - 1 unitats.
10. Resistències (2,7 k, 4,7 k, 47 k) - 2 unitats
11. Condensador 100uF 63V
12. Condensador 47uF 63V - 2 unitats
13. 68nF 100V
14. 220pF 50V
15. 1n4002 Diodo
16. IRF530
17. IRF9530
18. .1uH Nucli d’aire Inductor 5A
19. BC556 -2 unitats
20. BC546 - 2 unitats

Diagrama del circuit i explicació

L’esquema d’aquest amplificador d’àudio de 50 watts té algunes etapes. Al començament de l'amplificació, un filtre de pas baix bloqueja el soroll d'alta freqüència. Aquest filtre de pas baix es crea amb R1, R2 i C1. Les resistències R1 i R2 tenen dues operacions, la primera forma part del filtre de pas baix, la segona, és un divisor de tensió i un limitador de corrent.

A la segona etapa del circuit, Q1 i Q2, que són transistors BC556, funcionen com a amplificador diferencial.

A continuació, l'amplificació de potència es realitza a través de dos MOSFET, IRF530N i IRF9530. Aquests dos MOSFET són parells complementaris i coincidents. Dos MOSFET tenen la mateixa especificació, però un és canal N i un altre és canal P. Aquesta és una part important del circuit. Aquests dos MOSFET actuen com a controlador push-pull (una topologia o arquitectura d’amplificació àmpliament utilitzada). Per conduir aquests dos MOSFET, s’utilitza Q3 i Q4, BC546. Aquests dos transistors proporcionen prou unitat de porta als MOSFET. R15 és una resistència d'alta potència que actua com a circuit de tancament amb el condensador 68nF i s'afegeix un inductor de 1uH per proporcionar una amplificació estable a l'altaveu de 8 Ohms.

Prova del circuit amplificador de 50 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 +/- 35V i es proporciona el senyal sinusoïdal d’entrada. El canal A (groc) de l'oscil·loscopi està connectat a la sortida contra una càrrega de 8 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 + 20,1 V CA. Per tant, segons la fórmula, la sortida de l’amplificador de potència a 8 Ohms de càrrega és

Amplificador de Potència = 20,1 ² /8 Amplificador de Potència = 50,50 (50W aproximadament)

Coses que cal recordar mentre es construeix un amplificador de potència de 50w

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.
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 50 watts, cal un camí actual més gran, de manera que maximitzeu l'amplada de traça.
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 50 watts, es poden fer poques millores per obtenir una millor producció.

1. Afegiu un condensador de desacoblament de 220uF amb una potència mínima de 63V 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 R13 amb un potenciòmetre de 1 k per controlar el corrent en repòs a través dels MOSFET de potència.
5. Utilitzeu un inductor toroidal en lloc del nucli d’aire amb 0,25uH 5A.
6. 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