วงจรขยายกำลัง 50 วัตต์โดยใช้มอสเฟต

เพาเวอร์แอมป์เป็นส่วนหนึ่งของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้านเสียง ได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มขนาดของกำลังไฟที่ให้สัญญาณอินพุต ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้านเสียงแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้จะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณ แต่ไม่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ซึ่งจำเป็นในการขับเคลื่อนโหลด ในบทช่วยสอนนี้เราจะสร้าง เพาเวอร์แอมป์เอาท์พุต 50 วัตต์ RMS โดยใช้ MOSFET ที่ มีลำโพงอิมพีแดนซ์ 8 โอห์มเชื่อมต่ออยู่

โครงสร้างโทโพโลยีการก่อสร้างสำหรับเครื่องขยายเสียง

ใน ระบบโซ่ของเครื่องขยายเสียงเครื่องขยายเสียงจะถูกใช้ในขั้นตอนสุดท้ายหรือขั้นสุดท้ายก่อนการโหลด โดยทั่วไประบบขยายเสียงจะใช้โทโพโลยีด้านล่างที่แสดงในแผนภาพบล็อก

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

รู้ภาระของคุณ

ในกรณีของระบบเครื่องขยายเสียงน้ำหนักบรรทุกและความสามารถในการขับเคลื่อนของเครื่องขยายเสียงเป็นสิ่งสำคัญในการก่อสร้าง โหลดที่สำคัญสำหรับอำนาจ Amplifier เป็นดังลำโพง เอาต์พุตของเพาเวอร์แอมป์ขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ของโหลดดังนั้นการเชื่อมต่อโหลดที่ไม่เหมาะสมอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของเพาเวอร์แอมป์และความเสถียร

ลำโพงดังเป็นโหลดขนาดใหญ่ซึ่งทำหน้าที่เป็นโหลดอุปนัยและต้านทาน เพาเวอร์แอมป์ให้เอาต์พุต AC ด้วยเหตุนี้อิมพีแดนซ์ของลำโพงจึงเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการถ่ายโอนพลังงานที่เหมาะสม

อิมพีแดนซ์คือความต้านทานที่มีประสิทธิภาพของวงจรอิเล็กทรอนิกส์หรือส่วนประกอบสำหรับกระแสสลับซึ่งเกิดจากผลรวมที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานโอห์มมิกและรีแอคแตนซ์

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกี่ยวกับเสียงลำโพงประเภทต่างๆมีให้เลือกใช้ในจำนวนวัตต์ที่แตกต่างกันและมีอิมพีแดนซ์ต่างกัน ความต้านทานของลำโพงสามารถเข้าใจได้ดีที่สุดโดยใช้ความสัมพันธ์ระหว่างการไหลของน้ำภายในท่อ แค่คิดว่าลำโพงเป็นท่อน้ำน้ำที่ไหลผ่านท่อก็คือสัญญาณเสียงที่สลับกัน ตอนนี้ถ้าท่อมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นน้ำจะไหลผ่านท่อได้ง่ายปริมาตรน้ำจะใหญ่ขึ้นและถ้าเราลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางน้ำก็จะไหลผ่านท่อน้อยลงปริมาณน้ำก็จะมากขึ้น ต่ำกว่า เส้นผ่านศูนย์กลางคือผลที่สร้างขึ้นโดยความต้านทานโอห์มมิกและรีแอคแตนซ์ ถ้าท่อมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นอิมพีแดนซ์จะต่ำดังนั้นลำโพงจึงสามารถรับกำลังวัตต์ได้มากขึ้นและแอมพลิฟายเออร์ให้สถานการณ์การถ่ายโอนพลังงานที่มากขึ้นและหากอิมพีแดนซ์สูงขึ้นแอมพลิฟายเออร์จะให้พลังงานแก่ลำโพงน้อยลง

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

โครงสร้างของเครื่องขยายเสียง 50W แบบธรรมดา

ในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้เราได้สร้างเครื่องขยายเสียง 10 วัตต์, เครื่องขยายเสียง 25 วัตต์และเครื่องขยายเสียง 40 วัตต์ แต่ในการกวดวิชานี้เราจะออกแบบไฟออก 50 วัตต์ RMS เครื่องขยายเสียงโดยใช้ MOSFETs ในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้เราใช้ไอซีเพาเวอร์แอมป์เฉพาะ TDA2040 สำหรับ 25 วัตต์และสำหรับแอมพลิฟายเออร์ 40 วัตต์ แต่ในการออกแบบนี้เราจะใช้มอสเฟต N และ P แชนเนลคู่ฟรีเพื่อให้ได้กำลังขับ 50 วัตต์ ผลลัพธ์จะค่อนข้างคงที่และ THD จะต่ำสุด เราจะขับ 8 โอห์ม Load ไปด้วย

เราใช้ MOSFET เสริม IRF530N และ IRF9530N ที่เป็นที่นิยมอย่างแพร่หลายสองตัวซึ่งมีจำหน่ายทั่วไปในร้านค้าท้องถิ่นและร้านค้าออนไลน์

ในภาพด้านบนด้านซ้ายคือ IRF530N และด้านขวาคือ IRF9530N ทั้งสองเป็นแพ็คเกจ TO-220AB

MOSFET สองตัวนี้สร้างการทำงานแบบกดดึงเพื่อขับลำโพง 8 โอห์ม 50 วัตต์ RMS

ส่วนประกอบที่จำเป็น

ในการสร้างวงจรเราต้องการส่วนประกอบต่อไปนี้ -

1. บอร์ด Vero (จุดหรือเชื่อมต่อทุกคนสามารถใช้ได้)
2. หัวแร้ง
3. ลวดบัดกรี
4. เครื่องมือปอกก้ามและลวด
5. สายไฟ
6. แผ่นระบายความร้อนอลูมิเนียมชั้นดีหนา 2 มม. และขนาด 50 มม. x 30 มม.
7. 35V Rail to Rail power supply + 35V GND -35V power track output
8. ลำโพง 8 โอห์ม 50 วัตต์
9. ตัวต้านทาน (10R, 300R, 560R, 680R, 820R, 1.2k, 2.2k, 10k, 15k) - 1nos
10. ตัวต้านทาน (2.7k, 4.7k, 47k) - 2nos
11. ตัวเก็บประจุ 100uF 63V
12. 47uF 63V Capacitor - 2 ชิ้น
13. 68nF 100V
14. 220pF 50V
15. 1n4002 ไดโอด
16. IRF530
17. IRF9530
18. .1uH Air core Inductor 5A พิกัด
19. BC556 -2 ชิ้น
20. BC546 - 2 ชิ้น

แผนภาพวงจรและคำอธิบาย

แผนผังสำหรับเครื่องขยายเสียง 50 วัตต์นี้มีไม่กี่ขั้นตอน ในช่วงเริ่มต้นของการขยายตัวกรองความถี่ต่ำจะบล็อกสัญญาณรบกวนความถี่สูง ตัวกรองความถี่ต่ำนี้สร้างขึ้นโดยใช้ R1, R2 และ C1 ตัวต้านทาน R1 และ R2 มีการทำงานสองแบบครั้งแรกเป็นส่วนหนึ่งของตัวกรองความถี่ต่ำตัวที่สองเป็นตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าและตัว จำกัด กระแส

ในขั้นตอนที่สองของวงจร Q1 และ Q2 ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์ BC556 ทำงานเป็นเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกัน

ถัดไปการขยายกำลังจะกระทำในสอง MOSFETs คือ IRF530N และ IRF9530 MOSFET ทั้งสองนี้เป็นคู่เสริมและจับคู่ MOSFET สองตัวมีคุณสมบัติเหมือนกัน แต่อีกอันคือ N-Channel และอีกอันคือ P-channel นี่เป็นส่วนสำคัญของวงจร MOSFET ทั้งสองนี้ทำหน้าที่เป็นตัวขับแบบกดดึง (โทโพโลยีหรือสถาปัตยกรรมการขยายที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ในการขับเคลื่อน MOSFET ทั้งสองนี้ใช้ Q3 และ Q4 BC546 ทรานซิสเตอร์ทั้งสองนี้ให้เกตไดรฟ์เพียงพอกับมอสเฟต R15 เป็นตัวต้านทานกำลังวัตต์สูงซึ่งทำหน้าที่เป็นวงจรหนีบที่มีตัวเก็บประจุ 68nF และตัวเหนี่ยวนำ 1uH ถูกเพิ่มเพื่อให้การขยายสัญญาณที่เสถียรไปยังลำโพง 8 โอห์ม

การทดสอบวงจรแอมพลิฟายเออร์ 50 วัตต์

เราใช้เครื่องมือจำลอง Proteus เพื่อตรวจสอบเอาต์พุตของวงจร เราวัดผลลัพธ์ในออสซิลโลสโคปเสมือน คุณสามารถตรวจสอบวิดีโอสาธิตทั้งหมดที่ ระบุด้านล่าง

เรากำลังเปิดวงจรโดยใช้ +/- 35V และให้สัญญาณไซน์อินพุท ช่องสัญญาณ A (สีเหลือง) ของออสซิลโลสโคปเชื่อมต่อผ่านเอาต์พุตกับโหลด 8 โอห์มและสัญญาณอินพุตเชื่อมต่อผ่านช่อง B (สีน้ำเงิน)

เราสามารถเห็นความแตกต่างของเอาต์พุตระหว่างสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตที่ขยายได้ในวิดีโอ: -

นอกจากนี้เราได้ตรวจสอบกำลังไฟขาออกแล้ววัตต์ของเครื่องขยายเสียงขึ้นอยู่กับหลาย ๆ อย่างดังที่ได้กล่าวไว้ก่อน ขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ของลำโพงประสิทธิภาพของลำโพงประสิทธิภาพของแอมพลิฟายเออร์โครงสร้างทอพอโลยีการสร้างความเพี้ยนทั้งหมดเป็นต้นเราไม่สามารถพิจารณาหรือคำนวณปัจจัยที่เป็นไปได้ทั้งหมดที่สร้างขึ้นในกำลังวัตต์ของเครื่องขยายเสียง วงจรชีวิตจริงแตกต่างจากการจำลองเนื่องจากต้องพิจารณาปัจจัยหลายอย่างในขณะตรวจสอบหรือทดสอบเอาต์พุต

การคำนวณวัตต์ของเครื่องขยายเสียง

เราใช้สูตรง่ายๆในการคำนวณกำลังวัตต์ของเครื่องขยายเสียง -

กำลังวัตต์ของเครื่องขยายเสียง = V ² / R

เราเชื่อมต่อ AC แบบหลายเมตรผ่านเอาต์พุต แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่แสดงในหลายเมตรคือแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับสูงสุดถึงจุดสูงสุด

เราให้สัญญาณไซน์ความถี่ต่ำมากที่ 25-50Hz เช่นเดียวกับในความถี่ต่ำแอมพลิฟายเออร์จะส่งกระแสไฟฟ้าไปยังโหลดมากขึ้นและมัลติมิเตอร์จะสามารถตรวจจับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับได้อย่างเหมาะสม

มัลติมิเตอร์แสดง + 20.1V AC ดังนั้นตามสูตรเอาต์พุตของเพาเวอร์แอมป์ที่โหลด 8 โอห์มคือ

เครื่องขยายเสียงวัตต์ = 20.1 ² /8เครื่องขยายเสียงวัตต์ = 50.50 (50W โดยประมาณ)

สิ่งที่ต้องจำในขณะสร้างเพาเวอร์แอมป์ 50w

1. เมื่อสร้างวงจรจำเป็นต้องเชื่อมต่อ MOSFET กับฮีทซิงค์อย่างเหมาะสมในขั้นตอนของเครื่องขยายเสียง ฮีทซิงค์ขนาดใหญ่ให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า
2. เป็นการดีที่จะใช้ตัวเก็บประจุชนิดกล่องที่ได้รับการจัดอันดับเกรดเสียงเพื่อผลลัพธ์ที่ดีกว่า
3. เป็นทางเลือกที่ดีเสมอในการใช้ PCB สำหรับแอปพลิเคชันที่เกี่ยวข้องกับเสียง
4. ทำให้ร่องรอยของแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลสั้นและใกล้เคียงกับการติดตามอินพุตให้มากที่สุด
5. แยกสายสัญญาณเสียงออกจากสายไฟที่มีเสียงดัง
6. ระวังเกี่ยวกับความหนาของร่องรอย เนื่องจากนี่คือการออกแบบ 50 วัตต์จึงจำเป็นต้องใช้เส้นทางปัจจุบันที่ใหญ่กว่าดังนั้นจึงต้องเพิ่มความกว้างของการติดตามให้มากที่สุด
7. ต้องสร้างระนาบกราวด์ข้ามวงจร รักษาเส้นทางกลับพื้นให้สั้นที่สุด

บรรลุผลลัพธ์ที่ดีขึ้น

ในการออกแบบ 50 วัตต์นี้สามารถปรับปรุงได้เล็กน้อยเพื่อให้ได้ผลผลิตที่ดีขึ้น

1. เพิ่มตัวเก็บประจุแบบแยกตัว 220uF ที่มีพิกัดอย่างน้อย 63V ในแทร็กกำลังไฟบวกและลบ
2. ใช้ตัวต้านทาน MFR ที่ได้รับการจัดอันดับ 1% เพื่อความเสถียรที่ดีขึ้น
3. เปลี่ยนไดโอด 1N4002 ด้วย UF4007
4. เปลี่ยน R13 ด้วยโพเทนชิออมิเตอร์ 1k เพื่อควบคุมกระแสไฟฟ้าที่หยุดนิ่งใน MOSFET กำลัง
5. ใช้ toroidal Inductor แทน Air core ด้วย. 25uH 5A
6. เพิ่ม Fuse ข้ามเอาท์พุทมันจะป้องกันวงจรของลำโพงเกินไดรฟ์หรือสภาวะลัดวงจรของเอาต์พุต

ตรวจสอบวงจรขยายเสียงอื่น ๆ ด้วย:

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