วงจรขยายกำลัง 100 วัตต์ใช้มอสเฟต

เพาเวอร์แอมป์เป็นส่วนหนึ่งของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้านเสียง ได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มขนาดของกำลังไฟที่ให้สัญญาณอินพุต ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้านเสียงแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้จะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณ แต่ไม่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ซึ่งจำเป็นในการขับเคลื่อนโหลด ในบทช่วยสอนนี้เราจะสร้าง วงจรขยายกำลังขับ 100W RMS โดยใช้ MOSFET และทรานซิสเตอร์ที่ มีลำโพงอิมพีแดนซ์ 4 โอห์มเชื่อมต่ออยู่

โครงสร้างโทโพโลยีการก่อสร้างสำหรับเครื่องขยายเสียง

ใน ระบบลูกโซ่ของเครื่องขยายเสียงเครื่องขยายเสียงจะใช้ในขั้นตอนสุดท้ายหรือขั้นสุดท้ายก่อนการโหลด โดยทั่วไประบบขยายเสียงจะใช้โทโพโลยีด้านล่างที่แสดงในแผนภาพบล็อก

ดังที่คุณเห็นในแผนภาพด้านบน Power Amplifier เป็นขั้นตอนสุดท้ายที่เชื่อมต่อโดยตรงกับโหลด โดยทั่วไปก่อน Power Amplifier สัญญาณจะถูกแก้ไขโดยใช้ Pre Amplifiers และ Voltage control amplifiers นอกจากนี้ในบางกรณีที่จำเป็นต้องมีการควบคุมโทนจะเพิ่มวงจรควบคุมโทนเสียงก่อนเครื่องขยายเสียง

รู้ภาระของคุณ

ในกรณีของ ระบบเครื่องขยายเสียงน้ำหนักบรรทุกและความสามารถในการขับเคลื่อนของเครื่องขยายเสียงเป็นสิ่งสำคัญในการก่อสร้าง โหลดที่สำคัญสำหรับอำนาจ Amplifier เป็นดังลำโพง เอาต์พุตของเพาเวอร์แอมป์ขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ของโหลดดังนั้นการเชื่อมต่อโหลดที่ไม่เหมาะสมอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของเพาเวอร์แอมป์และความเสถียร

ลำโพงดังเป็นโหลดขนาดใหญ่ซึ่งทำหน้าที่เป็นโหลดอุปนัยและต้านทาน เพาเวอร์แอมป์ให้เอาต์พุต AC ด้วยเหตุนี้อิมพีแดนซ์ของลำโพงจึงเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการถ่ายโอนพลังงานที่เหมาะสม

อิมพีแดนซ์คือความต้านทานที่มีประสิทธิภาพของวงจรอิเล็กทรอนิกส์หรือส่วนประกอบสำหรับกระแสสลับซึ่งเกิดจากผลรวมที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานโอห์มมิกและรีแอคแตนซ์

ใน เครื่องเสียงอิเล็กทรอนิกส์ลำโพงประเภทต่างๆมีให้เลือกหลายวัตต์และมีอิมพีแดนซ์ต่างกัน ความต้านทานของลำโพงสามารถเข้าใจได้ดีที่สุดโดยใช้ความสัมพันธ์ระหว่างการไหลของน้ำภายในท่อ แค่คิดว่าลำโพงเป็นท่อน้ำน้ำที่ไหลผ่านท่อก็คือสัญญาณเสียงที่สลับกัน ตอนนี้ถ้าท่อมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นน้ำจะไหลผ่านท่อได้ง่ายปริมาตรน้ำจะใหญ่ขึ้นและถ้าเราลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางน้ำก็จะไหลผ่านท่อน้อยลงปริมาณน้ำก็จะมากขึ้น ต่ำกว่า เส้นผ่านศูนย์กลางคือผลที่สร้างขึ้นโดยความต้านทานโอห์มมิกและรีแอคแตนซ์ หากท่อมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นอิมพีแดนซ์จะต่ำดังนั้นลำโพงจึงสามารถรับกำลังวัตต์ได้มากขึ้นและแอมพลิฟายเออร์ให้การถ่ายโอนพลังงานมากขึ้นและหากอิมพีแดนซ์สูงขึ้นแอมพลิฟายเออร์จะให้พลังงานแก่ลำโพงน้อยลง

มีตัวเลือกที่แตกต่างกันเช่นเดียวกับส่วนต่างๆของลำโพงที่มีอยู่ในตลาดโดยทั่วไปคือ 4 โอห์ม 8 โอห์ม 16 โอห์มและ 32 โอห์มซึ่งลำโพง 4 และ 8 โอห์มมีให้เลือกมากมายในราคาถูก นอกจากนี้เราต้องเข้าใจด้วยว่าแอมพลิฟายเออร์ที่มีกำลังไฟ 5 วัตต์ 6 วัตต์หรือ 10 วัตต์หรือมากกว่านั้นคือกำลังวัตต์ RMS (รูท Mean Square) ซึ่งส่งโดยแอมพลิฟายเออร์ไปยังโหลดเฉพาะในการทำงานต่อเนื่อง

ดังนั้นเราต้องระมัดระวังเกี่ยวกับระดับของลำโพงการจัดอันดับของเครื่องขยายเสียงประสิทธิภาพของลำโพงและความต้านทาน

การสร้างวงจรขยายเสียง 100W อย่างง่าย

ในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้เราได้สร้างเครื่องขยายเสียง 10W, เครื่องขยายเสียง 25W และเครื่องขยายเสียง 50W แต่ในการกวดวิชานี้เราจะออกแบบ การส่งออกพลังงาน 100 วัตต์เครื่องขยายเสียง RMS ใช้ MOSFETs

ในการสร้างแอมพลิฟายเออร์ 100 วัตต์จะใช้ทรานซิสเตอร์และมอสเฟตหลายตัว มาดูข้อกำหนดและแผนภาพพินของ MOSFET และทรานซิสเตอร์ที่สำคัญ ในขั้นตอนการใช้เครื่องขยายเสียงเครื่องขยายเสียงของเราใช้แรงดันสูงทรานซิสเตอร์MPSA43เป็นทรานซิสเตอร์ NPN แรงดันสูงซึ่งทำหน้าที่เป็นเครื่องขยายเสียง ขาออกของทรานซิสเตอร์ MPSA43 NPNคือ -

เราใช้สองเสริมกลางเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ MJE350 และ MJE340 MJE350 เป็นทรานซิสเตอร์ PNP 500 mA ในแพ็คเกจ TO-225 และทรานซิสเตอร์คู่ NPN ที่เหมือนกันคือ MJE340 MJE340 มีคุณสมบัติเช่นเดียวกับ MJE350 แต่เป็นทรานซิสเตอร์กำลังปานกลาง NPN

แผนภาพ Pinout สำหรับทั้งคู่มีให้ด้านล่าง -

ในขั้นตอนสุดท้ายจะใช้Power MOSFET สองตัว IRFP244 และ IRFP9240 การรวมกันของทั้งสองนี้ให้กำลังขับ 100 วัตต์ RMS ในโหลด 4 โอห์ม

ส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับวงจรขยายกำลัง

1. บอร์ด Vero (จุดหรือเชื่อมต่อทุกคนสามารถใช้ได้)
2. หัวแร้ง
3. ลวดบัดกรี
4. เครื่องมือปอกก้ามและลวด
5. สายไฟ
6. ขั้วต่อเสียงตามความต้องการ
7. อ่างความร้อนอลูมิเนียมชั้นดีหนา 5 มม. และขนาด 90 มม. x 45 มม.
8. 40V Rail to Rail power supply + 40V GND -40V power track output
9. ลำโพง 4 โอห์ม 100 วัตต์
10. ตัวต้านทาน 1/4 ^thวัตต์ (39R, 390R, 1k, 1.5k, 4.7k, 15k, 22k, 33k, 47k, 150k) - 1nos
11. 330R Resistor 1/4 ^thวัตต์ - 3 ชิ้น
12. ตัวต้านทาน 10R 10 วัตต์
13. 0.33R - 7 วัตต์ - 2 ชิ้น
14. 0.22R - 10 วัตต์
15. ตัวเก็บประจุ 100nF 100V - 2 ชิ้น
16. 47uF 100V คาปาซิเตอร์
17. 470pF 100V
18. 470nF 63V
19. 10pF 100V
20. 1n4002 ไดโอด
21. IRFP244
22. IRF9240
23. MJE350
24. MJE340
25. BC546 - 2 ชิ้น
26. MPSA43 - 3 ชิ้น

แผนภาพวงจรขยายเสียง 100W และคำอธิบาย

แผนผังสำหรับ เครื่องขยายเสียง 100 วัตต์ นี้มีไม่กี่ขั้นตอน ในช่วงเริ่มต้นของการขยายระยะแรกส่วนของตัวกรองจะบล็อกเสียงความถี่ที่ไม่ต้องการ ส่วนตัวกรองนี้สร้างขึ้นโดยใช้ R3, R4 และ C1, C2

ในขั้นตอนที่สองของวงจร Q1 และ Q2 ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์ MPSA43 ทำงานเป็นเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกันและป้อนสัญญาณไปยังขั้นตอนการขยายเพิ่มเติม

ถัดไปการขยายกำลังจะกระทำในสอง MOSFETs คือ IRFP244N และ IRF9240 มอสเฟตทั้งสองนี้เป็นส่วนสำคัญของวงจร MOSFET ทั้งสองนี้ทำหน้าที่เป็นตัวขับแบบกดดึง (โทโพโลยีหรือสถาปัตยกรรมการขยายที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย) ที่จะขับรถสอง MOSFETs เหล่านี้ Q5 และ Q7 ทรานซิสเตอร์ MJE350 และ MJE340 ถูกนำมาใช้ทรานซิสเตอร์กำลังสองตัวนี้ให้กระแสเกตเพียงพอที่จะขับเคลื่อนมอสเฟตR15 และ R14 เป็นตัวต้านทานลิมิตเตอร์ปัจจุบันเพื่อป้องกันประตู MOSFET จากกระแสไฟเข้า สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับ R12 และ R13 เพื่อป้องกันโหลดเอาต์พุตจากไดรฟ์ปัจจุบันที่ไหลเข้าR18 เป็นตัวต้านทานกำลังวัตต์สูงซึ่งทำหน้าที่เป็นวงจรหนีบกับตัวเก็บประจุ 100nF R16 ยังให้การป้องกันกระแสเกินเพิ่มเติม

ทดสอบวงจรแอมพลิฟายเออร์ 100 วัตต์

เราใช้เครื่องมือจำลอง Proteus เพื่อตรวจสอบเอาต์พุตของวงจร เราวัดผลลัพธ์ในออสซิลโลสโคปเสมือน คุณสามารถตรวจสอบวิดีโอสาธิตทั้งหมดที่ ระบุด้านล่าง

เรากำลังเปิดวงจรโดยใช้ +/- 40V และให้สัญญาณไซน์อินพุท ช่องสัญญาณ A (สีเหลือง) ของออสซิลโลสโคปเชื่อมต่อผ่านเอาต์พุตกับโหลด 4 โอห์มและสัญญาณอินพุตเชื่อมต่อผ่านช่อง B (สีน้ำเงิน)

เราสามารถเห็นความแตกต่างของเอาต์พุตระหว่างสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตที่ขยายได้ในวิดีโอ: -

นอกจากนี้เราได้ตรวจสอบกำลังไฟขาออกแล้ววัตต์ของเครื่องขยายเสียงขึ้นอยู่กับหลาย ๆ อย่างดังที่ได้กล่าวไว้ก่อน ขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ของลำโพงประสิทธิภาพของลำโพงประสิทธิภาพของแอมพลิฟายเออร์โครงสร้างทอพอโลยีการสร้างความเพี้ยนทั้งหมดเป็นต้นเราไม่สามารถพิจารณาหรือคำนวณปัจจัยที่เป็นไปได้ทั้งหมดที่สร้างขึ้นในกำลังวัตต์ของเครื่องขยายเสียง วงจรชีวิตจริงแตกต่างจากการจำลองเนื่องจากต้องพิจารณาปัจจัยหลายอย่างในขณะตรวจสอบหรือทดสอบเอาต์พุต

การคำนวณวัตต์ของเครื่องขยายเสียง

เราใช้สูตรง่ายๆในการคำนวณกำลังวัตต์ของเครื่องขยายเสียง -

กำลังวัตต์ของเครื่องขยายเสียง = V ² / R

เราเชื่อมต่อ AC แบบหลายเมตรผ่านเอาต์พุต แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่แสดงในหลายเมตรคือแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับสูงสุดถึงจุดสูงสุด

เราให้สัญญาณไซน์ความถี่ต่ำมากที่ 25-50Hz เช่นเดียวกับในความถี่ต่ำแอมพลิฟายเออร์จะส่งกระแสไฟฟ้าไปยังโหลดมากขึ้นและมัลติมิเตอร์จะสามารถตรวจจับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับได้อย่างเหมาะสม

มัลติมิเตอร์แสดง + 20.9V AC ดังนั้นตามสูตรเอาต์พุตของเพาเวอร์แอมป์ที่โหลด 4 โอห์มคือ

เครื่องขยายเสียงวัตต์ = 20.9 ² /4เครื่องขยายเสียงวัตต์ = 109.20 (มากกว่า 100W โดยประมาณ)

สิ่งที่ต้องจำขณะสร้างเครื่องขยายเสียง 100w

1. เมื่อสร้างวงจรจำเป็นต้องเชื่อมต่อ MOSFET กับฮีทซิงค์อย่างเหมาะสมในขั้นตอนของเครื่องขยายเสียง ฮีทซิงค์ขนาดใหญ่ให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า ทรานซิสเตอร์กำลัง Q5 และ Q7 ต้องระบายความร้อนอย่างเหมาะสมด้วยฮีทซิงค์อลูมิเนียมรูปตัว U ขนาดเล็ก
2. เป็นการดีที่จะใช้ตัวเก็บประจุชนิดกล่องที่ได้รับการจัดอันดับเกรดเสียงเพื่อผลลัพธ์ที่ดีกว่า
3. เป็นทางเลือกที่ดีเสมอในการใช้ PCB สำหรับแอปพลิเคชันที่เกี่ยวข้องกับเสียง
4. ทำให้ร่องรอยของแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลสั้นและใกล้เคียงกับการติดตามอินพุตให้มากที่สุด
5. แยกสายสัญญาณเสียงออกจากสายไฟที่มีเสียงดัง
6. ระวังเกี่ยวกับความหนาของร่องรอย เนื่องจากนี่คือการออกแบบ 100 วัตต์จึงจำเป็นต้องมีพา ธ ปัจจุบันที่ใหญ่ขึ้นดังนั้นเพิ่มความกว้างของการติดตามให้มากที่สุด ควรใช้บอร์ดทองแดง 70 ไมครอนในรูปแบบสองด้านที่มีจุดสูงสุดเพื่อให้กระแสไหลดีขึ้น
7. ต้องสร้างระนาบกราวด์ข้ามวงจร รักษาเส้นทางกลับพื้นให้สั้นที่สุด

บรรลุผลลัพธ์ที่ดีขึ้น

ในการออกแบบ 100 วัตต์นี้สามารถปรับปรุงได้เล็กน้อยเพื่อให้ได้ผลผลิตที่ดีขึ้น

1. เพิ่ม 4700uF decoupling capacitor ที่มีพิกัดอย่างน้อย 100V ในแทร็กกำลังบวกและลบ
2. ใช้ตัวต้านทาน MFR ที่ได้รับการจัดอันดับ 1% เพื่อความเสถียรที่ดีขึ้น
3. เปลี่ยนไดโอด 1N4002 ด้วย UF4007
4. เปลี่ยน R11 ด้วยโพเทนชิออมิเตอร์ 1k เพื่อควบคุมกระแสไฟฟ้าที่หยุดนิ่งใน MOSFET กำลัง
5. เพิ่มฟิวส์ข้ามเอาท์พุทมันจะป้องกันวงจรของลำโพงเกินไดรฟ์หรือเงื่อนไขการลัดวงจรของเอาต์พุต

ตรวจสอบวงจรขยายเสียงอื่น ๆ ด้วย:

• เครื่องขยายเสียง 40 วัตต์โดยใช้ TDA2040
• วงจรขยายเสียง 25 วัตต์
• เครื่องขยายเสียง 10 วัตต์โดยใช้ Op-Amp
• วงจรขยายกำลัง 50 วัตต์โดยใช้มอสเฟต