Cum se proiectează circuite amplificator de putere MOSFET - Parametrii explicați

În această postare discutăm diferiți parametri care trebuie luați în considerare la proiectarea unui circuit amplificator de putere MOSFET. De asemenea, analizăm diferența dintre tranzistoarele de joncțiune bipolare (BJT) și caracteristicile MOSFET și înțelegem de ce MOSFET-urile sunt mai potrivite și mai eficiente pentru aplicațiile amplificatorului de putere.

Contribuție de Daniel Schultz

Prezentare generală

La proiectarea unui amplificator de putere este luat în considerare în domeniul 10 - 20 wați , circuitele integrate sau modelele bazate pe IC sunt de obicei preferate datorită dimensiunii lor elegante și numărului redus de componente.

Cu toate acestea, pentru intervale de putere mai mari, o configurație discretă este considerată o alegere mult mai bună, deoarece acestea oferă o eficiență și o flexibilitate mai mari pentru proiectant în ceea ce privește selecția puterii.

Anterior, amplificatoarele de putere care foloseau piese discrete depindeau de tranzistori bipolari sau BJT-uri. Cu toate acestea, odată cu apariția MOSFET-uri sofisticate , BJT-urile au fost înlocuite încet cu aceste MOSFET-uri avansate pentru a obține o putere de ieșire extrem de mare și un spațiu uimitor de limitat și a redus PCB-urile reduse.

Deși, MOSFET-urile pot arăta excesiv pentru proiectarea amplificatoarelor de putere de dimensiuni medii, acestea pot fi aplicate în mod eficient pentru orice specificații ale amplificatorului de putere și dimensiune.

Dezavantaje ale utilizării BJT în amplificatoare de putere

Deși dispozitivele bipolare funcționează extrem de bine în amplificatoarele de putere audio de ultimă generație, acestea includ câteva dezavantaje care au condus de fapt la introducerea dispozitivelor avansate precum MOSFET-urile.

Poate că cel mai mare dezavantaj al tranzistoarelor bipolare în etapele de ieșire de clasa B este fenomenul denumit situația de fugă.

BJT-urile includ un coeficient de temperatură pozitiv și acest lucru dă naștere în mod specific unui fenomen numit fugă termică, provocând o potențială deteriorare a BJT-urilor de putere din cauza supraîncălzirii.

Figura din stânga de mai sus prezintă setarea esențială a unui driver standard de clasă B și a unei trepte de ieșire, folosind TR1 ca un stadiu de driver comun al emițătorului și Tr2 împreună cu Tr3 ca etapă de ieșire complementară a urmăritorului emițătorului.

Compararea configurației etapei de ieșire a amplificatorului BJT vs MOSFET

Funcția etapei de ieșire a amplificatorului

Pentru a proiecta un amplificator de putere de lucru, este important să-i configurați corect etapa de ieșire.

Obiectivul etapei de ieșire este în primul rând de a oferi o amplificare a curentului (câștigul de tensiune rămânând nu mai mult de unitate), astfel încât circuitul să poată furniza curenți mari de ieșire esențiali pentru conducerea unui difuzor la un nivel de volum mai mare.

1. Referindu-ne la diagrama BJT din partea stângă de mai sus, Tr2 funcționează ca o sursă de curent de ieșire în timpul ciclurilor de ieșire pozitivă în timp ce Tr3 furnizează curentul de ieșire în timpul semiciclurilor de ieșire negative.
2. Sarcina de bază a colectorului pentru o etapă de driver BJT este proiectată cu o sursă de curent constantă, care oferă o liniaritate sporită, spre deosebire de efectele obținute cu un rezistor de sarcină simplu.
3. Acest lucru se datorează diferențelor de câștig (și distorsiuni însoțitoare) care se întâmplă ori de câte ori un BJT funcționează într-o gamă largă de curenți de colector.
4. Aplicarea unui rezistor de sarcină într-un stadiu comun al emițătorului cu leagăne mari de tensiune de ieșire poate declanșa, fără îndoială, o gamă extrem de mare de curent colector și distorsiuni mari.
5. Aplicarea unei sarcini constante de curent nu scapă în totalitate de distorsiune, deoarece tensiunea colectorului fluctuează în mod natural, iar câștigul tranzistorului poate depinde într-o oarecare măsură de tensiunea colectorului.
6. Cu toate acestea, deoarece fluctuațiile de câștig datorate variațiilor de tensiune ale colectorului tind să fie destul de mici, o distorsiune scăzută, mult mai mică de 1%, este destul de realizabilă.
7. Circuitul de polarizare conectat între bazele tranzistoarelor de ieșire este necesar pentru a duce tranzistoarele de ieșire în poziția în care se află chiar la pragul de conducere.
8. În cazul în care acest lucru nu se întâmplă, mici variații ale tensiunii colectorului Tr1 ar putea fi incapabile să conducă tranzistorii de ieșire în conducție și ar putea să nu permită niciun fel de îmbunătățire a tensiunii de ieșire!
9. Variații mai mari de tensiune la colectorul lui Tr1 ar putea genera modificări corespunzătoare ale tensiunii de ieșire, dar acest lucru ar pierde probabil porțiunile de pornire și de finalizare ale fiecărui jumătate de ciclu al frecvenței, dând naștere unei „distorsiuni încrucișate” grave, așa cum este menționată în mod normal.

Problemă de distorsiune încrucișată

Chiar dacă tranzistoarele de ieșire sunt duse la pragul de conducere nu elimină complet distorsiunea încrucișată, deoarece dispozitivele de ieșire prezintă cantități relativ mici de câștig în timp ce funcționează la curenți de colector reduși.

Aceasta oferă un tip moderat, dar nedorit de distorsiune încrucișată. Feedback-ul negativ ar putea fi utilizat pentru a bate distorsiunea crossover în mod natural, cu toate acestea, pentru a obține rezultate excelente, este de fapt esențial să se utilizeze o polarizare în mod rezonabil ridicată peste tranzistoarele de ieșire.

Acest mare curent de prejudecată este cel care provoacă complicații la fugă termică.

Curentul de polarizare determină încălzirea tranzistoarelor de ieșire și, datorită coeficientului lor de temperatură pozitivă, acest lucru determină creșterea curentului de polarizare, generând și mai multă căldură și o creștere a curentului de polarizare.

Acest feedback pozitiv furnizează astfel o creștere treptată a prejudecății până când tranzistoarele de ieșire devin prea fierbinți și, în cele din urmă, sunt arse.

Într-un efort de a proteja împotriva acestui lucru, circuitul de polarizare este facilitat cu un sistem încorporat de detectare a temperaturii, care încetinește polarizarea în cazul în care este detectată o temperatură mai mare.

Prin urmare, pe măsură ce tranzistorul de ieșire se încălzește, circuitul de polarizare este afectat de căldura generată, care detectează acest lucru și oprește orice creștere consecventă a curentului de polarizare. Practic, stabilizarea polarizării poate să nu fie ideală și puteți găsi mici variații, cu toate acestea, un circuit configurat corect poate prezenta în mod normal o stabilitate de polarizare suficient de suficientă.

De ce MOSFET-urile funcționează mai eficient decât BJT-urile din amplificatoarele de putere

În următoarea discuție vom încerca să înțelegem de ce MOSFET-urile funcționează mai bine în proiectarea amplificatoarelor de putere, comparativ cu BJT-urile.

Similar cu BJT-urile, dacă sunt utilizate într-o etapă de ieșire de clasa B, MOSFET-urile solicită, de asemenea, o părtinire înainte pentru a depăși distorsiunea încrucișată. Acestea fiind spuse, deoarece MOSFET-urile de putere posedă un coeficient de temperatură negativ la curenți de aproape 100 miliamperi sau mai mult (și un ușor coeficient de temperatură pozitiv în curenți mai mici) permite un driver de clasă B mai puțin complicat și o etapă de ieșire, așa cum se demonstrează în figura următoare .

Circuitul de polarizare stabilizat termic ar putea fi înlocuit cu un rezistor, deoarece caracteristicile de temperatură ale MOSFET-urilor de putere încorporează un control termic încorporat al curentului de polarizare la aproximativ 100 miliamperi (care este aproximativ este cel mai potrivit curent de polarizare).

O provocare suplimentară cu BJT este câștigul de curent destul de scăzut de numai 20 până la 50. Acest lucru poate fi destul de insuficient pentru amplificatoarele de putere medie și mare. Datorită acestui fapt necesită o etapă de conducere extrem de puternică. Abordarea tipică pentru a rezolva această problemă este de a utiliza un Darlington Pairs sau un design echivalent pentru a oferi un câștig de curent adecvat, astfel încât să permită utilizarea unei trepte de conducere cu putere redusă.

Alimentați MOSFET-uri, la fel ca oricare Dispozitiv FET , tind să fie mai degrabă dispozitive cu tensiune decât cu curent.

Impedanța de intrare a unui MOSFET de putere este de obicei foarte mare, ceea ce permite extragerea neglijabilă a curentului de intrare cu frecvențe reduse de lucru. Cu toate acestea, la frecvențe de lucru ridicate, impedanța de intrare este mult mai mică din cauza capacității de intrare relativ ridicate de aproximativ 500 pf.

Chiar și cu această capacitate ridicată de intrare, un curent de lucru de aproape 10 miliamperi devine suficient prin etapa de conducere, deși curentul maxim de ieșire ar putea fi de aproximativ o mie de ori mai mare decât această cantitate.

O problemă suplimentară cu dispozitivele de alimentare bipolară (BJT) este timpul lor de comutare oarecum lent. Acest lucru tinde să creeze o varietate de probleme, cum ar fi distorsiunea declanșată.

Acesta este momentul în care un semnal puternic de înaltă frecvență ar putea solicita o tensiune de ieșire de comutare de să presupunem că 2 volți pe microsecundă, în timp ce etapa de ieșire BJT poate permite o rată de rotire de numai un volt pe microsecundă. Bineînțeles, ieșirea se va lupta pentru a furniza o reproducere decentă a semnalului de intrare, ducând la o distorsiune inevitabilă.

O rată de rotire inferioară poate oferi, de asemenea, unui amplificator o lățime de bandă de putere nedorită, puterea maximă realizabilă scăzând semnificativ la frecvențe audio mai mari.

Rază de fază și oscilații

O altă preocupare este decalajul de fază care are loc prin etapa de ieșire a amplificatorului cu frecvențe înalte și care ar putea provoca feedbackul asupra sistemului de feedback negativ transformându-se în pozitiv în loc de negativ la frecvențe extrem de ridicate.

În cazul în care amplificatorul posedă un câștig suficient la astfel de frecvențe, amplificatorul poate intra într-un mod oscilant și lipsa de stabilitate va continua să fie vizibilă chiar dacă câștigul circuitului nu este suficient pentru a declanșa o oscilație.

Această problemă ar putea fi corectată prin adăugarea de elemente pentru derularea răspunsului la frecvență înaltă a circuitului și prin încorporarea elementelor de compensare a fazelor. Cu toate acestea, aceste considerații reduc eficiența amplificatorului la frecvențe ridicate ale semnalului de intrare.

MOSFET-urile sunt mai rapide decât BJT-urile

În timp ce proiectăm un amplificator de putere trebuie să ne amintim că viteza de comutare a MOSFET-urilor de putere este în general de aproximativ 50 până la 100 de ori mai rapid decât un BJT. Prin urmare, complicațiile cu funcționalitate inferioară de înaltă frecvență sunt ușor de depășit prin utilizarea MOSFET-urilor în loc de BJT-uri.

Este de fapt posibil să creați configurații fără niciunul compensarea frecvenței sau a fazei piesele încă mențin o stabilitate excelentă și includ un nivel de performanță care este păstrat pentru frecvențe care depășesc cu mult limita audio de înaltă frecvență.

O altă dificultate întâmpinată cu tranzistoarele de putere bipolare este defalcarea secundară. Aceasta se referă la un fel de fugă termică specifică care creează o „zonă fierbinte” în interiorul dispozitivului, care are ca rezultat un scurtcircuit între pinii colectorului / emițătorului.

Pentru a se asigura că acest lucru nu se întâmplă, BJT trebuie să funcționeze exclusiv în limite specifice de curent și tensiune ale colectorului. Pentru oricine circuit amplificator audio această situație implică de obicei faptul că tranzistoarele de ieșire sunt forțate să funcționeze bine în interiorul restricțiilor lor termice, iar puterea optimă de ieșire obținută de la puterea BJT este astfel redusă semnificativ, mult mai mică decât valorile lor cele mai mari de disipare permit de fapt.

Mulțumită Coeficientul de temperatură negativă al MOSFET la curenți mari de scurgere aceste dispozitive nu au probleme cu defecțiunea secundară. Pentru MOSFET-urile, specificațiile maxime admise de curent de scurgere și de tensiune de scurgere sunt practic limitate doar de funcționalitatea lor de disipare a căldurii. Prin urmare, aceste dispozitive devin special potrivite pentru aplicații de amplificare audio de mare putere.

Dezavantaje MOSFET

În ciuda faptelor de mai sus, MOSFET are, de asemenea, câteva dezavantaje, care sunt relativ mai puține ca număr și nesemnificative. Inițial, MOSFET-urile au fost foarte scumpe în comparație cu tranzistoarele bipolare potrivite. Cu toate acestea, diferența de cost a devenit mult mai mică în zilele noastre. Când luăm în considerare faptul că MOSFET-urile fac posibil ca circuitele complexe să devină mult mai simple și o reducere indirectă semnificativă a costurilor, face ca contrapartida BJT să fie destul de trivială chiar și cu costul său redus. etichetă.

MOSFET-urile de putere prezintă adesea o creștere distorsiune în buclă deschisă decât BJT-urile. Cu toate acestea, datorită câștigului mare și a vitezei rapide de comutare, MOSFET-urile de putere permit utilizarea unui nivel ridicat de feedback negativ pe întregul spectru de frecvențe audio, oferind un egal distorsiune în buclă închisă eficienţă.

Un dezavantaj suplimentar implicat de MOSFET-urile de putere este eficiența lor mai mică comparativ cu BJT-urile atunci când sunt utilizate în etapele de ieșire ale amplificatorului standard. Motivul din spatele acestui fapt este un stadiu de urmărire a emițătorului de mare putere, care generează o cădere de tensiune de până la 1 volt între intrare și ieșire, deși există o pierdere de câțiva volți în intrarea / ieșirea unei etape de urmărire a sursei. Nu există o abordare ușoară pentru a rezolva această problemă, cu toate acestea, aceasta pare a fi o mică reducere a eficienței, care nu ar trebui luată în considerare și ar putea fi ignorată.

Înțelegerea unui design practic al amplificatorului MOSFET

Figura de mai jos prezintă schema circuitului unei funcționale Amplificator MOSFET de 35 wați circuit. Cu excepția aplicației MOSFET în etapa de ieșire a amplificatorului, totul arată practic ca un design de amplificator MOSFET foarte comun.

• Tr1 este amenajat ca un etapa de intrare a emițătorului comun , conectat direct la etapa driverului de emițător comun Tr3. Ambele etape oferă câștigul total de tensiune al amplificatorului și includ un câștig total extrem de mare.
• Tr2 împreună cu părțile sale atașate creează un generator de curent constant simplu, care are un curent de ieșire marginal de 10 miliamperi. Acest lucru funcționează ca încărcarea principală a colectorului pentru Tr3.
• R10 este utilizat pentru a stabili corectul curent de părtinire în repaus prin intermediul tranzistoarelor de ieșire și, așa cum am discutat anterior, stabilizarea termică pentru curentul de polarizare nu se realizează cu adevărat în circuitul de polarizare, ci mai degrabă este livrată de dispozitivele de ieșire în sine.
• R8 oferă practic 100% feedback negativ de la ieșirea amplificatorului la emițătorul Tr1, permițând circuitului chiar în jurul unui câștig de tensiune unitate.
• Rezistențele R1, R2 și R4 funcționează ca o rețea divizoare de potențial pentru polarizarea etapei de intrare a amplificatorului și, în consecință, a ieșirii, la aproximativ jumătate din tensiunea de alimentare. Acest lucru permite cel mai înalt nivel de ieșire realizabil înainte de decupare și începutul distorsiunii critice.
• R1 și C2 sunt utilizate ca un circuit de filtrare care anulează frecvența zumzetului și alte forme de zgomote potențiale pe liniile de alimentare de la intrarea în intrarea amplificatorului prin circuitul de polarizare.
• R3 și C5 acționează ca un Filtru RF ceea ce împiedică ieșirea semnalelor RF de la intrare la ieșire, provocând perturbări sonore. C4 ajută, de asemenea, la rezolvarea aceleiași probleme prin lansarea efectivă a răspunsului de înaltă frecvență al amplificatorului peste limita superioară de frecvență audio.
• Pentru a vă asigura că amplificatorul obține un câștig bun de tensiune la frecvențe sonore, devine esențial decuplați feedback-ul negativ într-o oarecare măsură.
• C7 îndeplinește rolul condensator de decuplare , în timp ce rezistența R6 limitează cantitatea de feedback care este curățată.
• Circuitul câștig de tensiune se determină aproximativ prin împărțirea R8 la R6, sau de aproximativ 20 de ori (26dB) cu valorile pieselor atribuite.
• Tensiunea maximă de ieșire a amplificatorului va fi de 16 volți RMS, ceea ce permite o sensibilitate de intrare de aproximativ 777mV RMS pentru a obține o ieșire completă. Impedanța de intrare poate fi mai mare de 20k.
• C3 și C8 sunt utilizate ca condensatori de cuplare de intrare și ieșire, respectiv. C1 permite decuplarea alimentării DC.
• R11 și C9 servesc exclusiv pentru a facilita și controla stabilitatea amplificatorului, funcționând ca popularul Rețeaua Zobel , care se găsesc adesea în jurul etapelor de ieșire ale celor mai multe modele de amplificatoare de putere semiconductoare.

Analiza performanței

Amplificatorul prototip pare să funcționeze incredibil de bine, mai ales doar odată ce observăm designul destul de simplu al unității. Circuitul de proiectare al amplificatorului MOSFET afișat va produce cu plăcere un RMS de 35 de wați într-o sarcină de 8 ohmi.

• distorsiune armonica totala nu va depăși aproximativ 0,05%. Prototipul a fost analizat numai pentru frecvențele semnalului în jurul valorii de 1 kHz.
• Cu toate acestea, circuitul câștig în buclă deschisă sa constatat că este practic constantă în întreaga gamă de frecvențe audio.
• răspuns de frecvență în buclă închisă a fost măsurată la -2 dB cu semnale de aproximativ 20 Hz și 22 kHz.
• Amplificatorul raportul semnal / zgomot (fără difuzor conectat) fusese mai mare decât cifra de 80 dB, deși de fapt poate exista posibilitatea unei cantități mici de mâinile fredonează de la sursa de alimentare detectată la difuzoare, dar nivelul poate fi prea mic pentru a fi auzit în condiții normale.

Alimentare electrică

Imaginea de mai sus demonstrează o sursă de alimentare configurată corespunzător pentru designul amplificatorului MOSFET de 35 de wați. Sursa de alimentare poate fi suficient de puternică pentru a gestiona un model mono sau stereo al unității.

Sursa de alimentare este de fapt alcătuită dintr-un circuit eficient de redresare push-pull și de netezire care are ieșirile atașate în serie pentru a furniza o tensiune totală de ieșire corespunzătoare dublului potențialului aplicat de un rectificator individual și un circuit de filtrare capacitiv.

Diodele D4, D6 și C10 constituie o porțiune specială a sursei de alimentare, în timp ce a doua secțiune este livrată de D3, D5 și C11. Fiecare dintre acestea oferă puțin sub 40 de volți fără o sarcină conectată și o tensiune totală de 80 V descărcată.

Această valoare poate scădea la aproximativ 77 de volți atunci când amplificatorul este încărcat de un semnal de intrare stereo cu o stare de repaus operațională și la aproximativ 60 de volți când două canale de amplificare sunt operate la putere maximă sau maximă.

Sugestii de construcție

Un aspect PCB ideal pentru amplificatorul MOSFET de 35 de wați este demonstrat în figurile de mai jos.

Acest lucru este destinat pentru un canal al circuitului amplificatorului, deci în mod natural două astfel de plăci trebuie să fie asamblate atunci când devine necesar un amplificator stereo. Tranzistoarele de ieșire nu sunt cu siguranță montate pe PCB, mai degrabă pe un tip mare cu aripioare.

Nu este necesar să folosiți un kit de izolare mica pentru tranzistoare în timp ce le fixați pe radiator. Acest lucru se datorează faptului că sursele MOSFET sunt conectate direct la filele lor metalice, iar acești pini de sursă trebuie să rămână oricum conectați între ei.

Cu toate acestea, deoarece acestea nu sunt izolate de radiator, poate fi cu adevărat vital să vă asigurați că radiatoarele nu intră în contact electric cu diferite alte părți ale amplificatorului.

De asemenea, pentru o implementare stereo, radiatoarele individuale utilizate pentru o pereche de amplificatoare nu ar trebui să poată intra într-o proximitate electrică între ele. Asigurați-vă întotdeauna că utilizați cabluri mai scurte de maximum 50 mm pentru a conecta tranzistoarele de ieșire cu PCB.

Acest lucru este crucial în special pentru cablurile care se conectează cu terminalele de poartă ale MOSFET-urilor de ieșire. Datorită faptului că MOSFET-urile de putere au un câștig ridicat la frecvențe ridicate, cablurile mai lungi pot afecta grav răspunsul de stabilitate al amplificatorului sau chiar declanșează o oscilație RF care, la rândul său, poate provoca o deteriorare permanentă a MOSFET-urilor de putere.

Acestea fiind spuse, practic s-ar putea să găsiți cu greu dificultăți în pregătirea proiectului pentru a vă asigura că aceste conducte sunt efectiv mai scurte. Ar putea fi important să rețineți că C9 și R11 sunt montate în afara PCB-ului și sunt conectate pur și simplu în serie prin priza de ieșire.

Sfaturi pentru construcția sursei de alimentare

Circuitul de alimentare este construit prin aplicarea unui cablaj de tip punct la punct, așa cum se indică în figura de mai jos.

Acest lucru pare de fapt destul de auto-explicativ, cu toate acestea, este asigurat că condensatoarele C10 și C11 ambele tipuri constau dintr-o etichetă fictivă. În cazul în care nu sunt, poate fi crucial să folosiți o etichetă pentru a permite câteva porturi de conectare. O etichetă de lipit este fixată la un șurub special de montare a T1, care oferă un punct de conectare a șasiului pentru cablul de împământare AC de la rețea.

Reglare și setări

1. Asigurați-vă că examinați în mod cuprinzător conexiunile de cablare înainte de a porni sursa de alimentare, deoarece greșelile de cablare ar putea cauza distrugeri costisitoare și ar putea fi cu siguranță periculoase.
2. Înainte de a porni circuitul, asigurați-vă că tăiați R10 pentru a obține rezistență minimă (rotiți-o în sens complet antiorar).
3. Cu FS1 scos momentan și un multimetru fixat pentru a măsura 500 mA FSD atașat peste suportul siguranței, o citire de aproximativ 20 mA trebuie să fie văzută pe contor în timp ce amplificatorul este pornit (acest lucru poate fi de 40 mA atunci când este utilizat stereo cu două canale).
4. În cazul în care considerați că citirea contorului este substanțial diferită de această oprire imediată și examinați din nou întregul cablaj. Dimpotrivă, dacă totul este bun, mișcați încet R10 pentru a maximiza citirea contorului până la o valoare de 100mA.
5. Dacă se dorește un amplificator stereo, R10 pe ambele canale trebuie modificat pentru a obține curentul de până la 120mA, apoi R10 în cel de-al doilea canal trebuie să fie reglat fin pentru a crește utilizarea curentă la 200mA. Odată ce acestea sunt realizate, amplificatorul MOSFET este gata de utilizare.
6. Aveți grijă deosebită să nu atingeți niciuna dintre conexiunile de rețea CA în timp ce efectuați procedurile de configurare pentru amplificator.
7. Toate cablurile neacoperite sau conexiunile de cablu care pot fi la potențialul de rețea alternativă ar trebui izolate corespunzător înainte de a conecta dispozitivul la rețeaua de alimentare.
8. Inutil să spun că, ca în cazul fiecărui circuit acționat de curent alternativ, ar trebui să fie închis într-un dulap robust, care ar putea fi deșurubat doar cu ajutorul unei șurubelnițe dedicate și a altor seturi de instrumente, pentru a se asigura că nu există mijloace rapide pentru a ajunge la periculos. cablurile de rețea și accidentele sunt eliminate în siguranță.

Lista pieselor pentru amplificatorul de putere MOSFET de 35 de wați

Circuit de aplicare a amplificatorului MOSFET 120W

În funcție de specificațiile sursei de alimentare, practic Amplificator MOSFET de 120 wați circuitul este capabil să ofere o putere de ieșire cuprinsă între 50 și 120 de wați RMS într-un difuzor de 8 ohmi.

Acest design încorporează, de asemenea, MOSFET-uri în etapa de ieșire pentru a oferi un nivel superior de performanță generală chiar și cu simplitatea mare a circuitului

Distorsiunea armonică totală a amplificatorului nu depășește 0,05%, dar numai atunci când circuitul nu este supraîncărcat, iar raportul semnal / zgomot este mai mare de 100 dB.

Înțelegerea etapelor amplificatorului MOSFET

După cum se arată mai sus, acest circuit este proiectat cu referire la un aspect Hitachi. Spre deosebire de ultimul design, acest circuit folosește cuplajul de curent continuu pentru difuzor și conține o sursă de alimentare dublă echilibrată cu 0V central și șină de împământare.

Această îmbunătățire scapă de dependența de condensatori de cuplare cu ieșire mare, precum și de performanța insuficientă în performanța de joasă frecvență generată de acest condensator. În plus, acest aspect permite circuitului o capacitate decentă de respingere a undelor de alimentare.

Pe lângă caracteristica de cuplare DC, designul circuitului pare destul de distinct de cel utilizat în designul anterior. Aici, atât etapele de intrare, cât și cele ale driverului încorporează amplificatoare diferențiale.

Etapa de intrare este configurată folosind Tr1 și Tr2, în timp ce etapa de driver este dependentă de Tr3 și Tr4.

Tranzistorul Tr5 este configurat ca un sarcină constantă a colectorului de curent pentru Tr4. Calea semnalului prin intermediul amplificatorului începe folosind condensatorul de cuplare de intrare C1, împreună cu filtrul RF R1 / C4. R2 este utilizat pentru polarizarea intrării amplificatorului pe pista centrală de alimentare 0V.

Tr1 este conectat ca un a eficient amplificator emițător comun care are ieșirea conectată direct la Tr4, care este aplicat ca o etapă de driver comună a emițătorului. Începând cu această etapă, semnalul audio este legat de Tr6 și Tr7, care sunt configurate ca etapă de ieșire complementară a adeptului sursei.

feedback negativ este extras din ieșirea amplificatorului și conectat la baza Tr2 și, în ciuda faptului că nu există nicio inversare a semnalului prin baza Tr1 la ieșirea amplificatorului, există o inversare între baza Tr2 și ieșirea. Acest lucru se datorează faptului că Tr2 care funcționează ca un adept al emițătorului conduce perfect emițătorul Tr1.

Când un semnal de intrare este aplicat emițătorului Tr1, tranzistoarele acționează cu succes ca un etapa de bază comună . Prin urmare, deși inversiunea nu are loc prin intermediul Tr1 și Tr2, inversiunea se întâmplă prin Tr4.

De asemenea, schimbarea fazei nu are loc prin etapa de ieșire, ceea ce înseamnă că amplificatorul și baza Tr2 tind să fie defazate pentru a executa feedback-ul negativ necesar. Valorile R6 și R7, așa cum este sugerat în diagramă, oferă un câștig de tensiune de aproximativ 28 de ori.

După cum am aflat din discuțiile noastre anterioare, un mic dezavantaj al MOSFET-urilor de putere este că acestea devin mai puțin eficiente decât BJT-urile atunci când sunt conectate prin etapa tradițională de ieșire de clasă B. De asemenea, eficiența relativă a MOSFET-urilor de putere devine destul de proastă în cazul circuitelor de mare putere care necesită tensiune poartă / sursă să fie de mai multe tensiuni pentru curenți de sursă mari.

Se poate presupune că oscilația maximă a tensiunii de ieșire este egală cu tensiunea de alimentare minus poarta maximă la tensiunea sursă a tranzistorului individual și acest lucru permite cu siguranță o oscilare a tensiunii de ieșire care poate fi semnificativ mai mică decât tensiunea de alimentare aplicată.

Un mijloc simplu de a obține o eficiență mai mare ar fi încorporarea practic a câtorva MOSFET-uri similare atașate în paralel pe fiecare dintre tranzistoarele de ieșire. Cea mai mare cantitate de curent manipulată de fiecare MOSFET de ieșire va fi apoi redusă aproximativ la jumătate, iar tensiunea maximă a sursei la poartă a fiecărui MOSFET este redusă în mod corespunzător (împreună cu o creștere proporțională a oscilării tensiunii de ieșire a amplificatorului).

Cu toate acestea, o abordare similară nu funcționează atunci când este aplicată dispozitivelor bipolare și acest lucru se datorează în esență lor coeficient de temperatură pozitiv caracteristici. Dacă o anumită ieșire BJT începe să atragă curent excesiv decât celălalt (deoarece niciun tranzistor nu va avea o caracteristică exact identică), un dispozitiv începe să se încălzească mai mult decât celălalt.

Această temperatură crescută determină reducerea tensiunii emițătorului / pragului de bază al BJT și, ca urmare, începe să consume o porțiune mult mai mare din curentul de ieșire. Situația face ca tranzistorul să se încălzească și acest proces continuă infinit până când unul dintre tranzistoarele de ieșire începe să gestioneze toată sarcina, în timp ce celălalt rămâne inactiv.

Acest tip de problemă nu poate fi văzută cu MOSFET-urile de putere din cauza coeficienței lor de temperatură negativă. Când un MOSFET începe să se încălzească, datorită coeficientului său negativ de temperatură, căldura crescândă începe să restricționeze fluxul de curent prin canalul de scurgere / sursă.

Acest lucru deplasează excesul de curent către celălalt MOSFET care acum începe să se încălzească și, în mod similar, căldura determină reducerea proporțională a curentului prin el.

Situația creează o distribuție echilibrată a curentului și o disipare a dispozitivelor, făcând amplificatorul să funcționeze mult mai eficient și de încredere. Acest fenomen permite, de asemenea MOSFET-urile trebuie conectate în paralel pur și simplu prin îmbinarea cablurilor de poartă, sursă și de scurgere fără prea multe calcule sau preocupări.

Sursa de alimentare pentru amplificator MOSFET de 120 wați

Un circuit de alimentare proiectat corespunzător pentru amplificatorul MOSFET de 120 wați este indicat mai sus. Acesta seamănă mult cu circuitul de alimentare pentru proiectarea noastră anterioară.

Singura diferență fiind alimentarea cu robinet central a transformatorului la joncțiunea celor două condensatoare de netezire a fost inițial ignorată. Pentru exemplul de față, acest lucru este obișnuit să furnizeze o sursă de împământare 0V mijlocie, în timp ce pământul de rețea se conectează și la această joncțiune în loc de șina de alimentare negativă.

Puteți găsi siguranțe instalate atât pe șinele pozitive, cât și pe cele negative. Puterea de ieșire furnizată de amplificator depinde în mare măsură de specificațiile transformatorului de rețea. Pentru majoritatea cerințelor, un transformator toroidal de rețea de 35 - 0 - 35 volți 160VA ar trebui să fie de fapt suficient.

Dacă operare stereo este preferat, transformatorul va trebui înlocuit cu un transformator mai greu de 300 VA. Alternativ, unitățile de alimentare izolate ar putea fi construite folosind fiecare transformator de 160VA pentru fiecare canal.

Acest lucru permite o tensiune de alimentare de aproximativ 50 V în condiții de repaus, deși la încărcare maximă acest nivel poate scădea la un nivel mult mai mic. Acest lucru permite obținerea unei ieșiri de până la aproximativ 70 de wați RMS prin difuzoare de 8 ohmi.

Un punct crucial care trebuie remarcat este că diodele 1N5402 utilizate în redresorul de punte au un curent maxim tolerabil de 3 amperi. Acest lucru poate fi amplu pentru un amplificator cu un singur canal, dar acest lucru poate să nu fie suficient pentru o versiune stereo. Pentru o versiune stereo diodele trebuie înlocuite cu diode de 6 amp sau diode 6A4.

Aspecte PCB

Puteți găsi un PCB cu drepturi depline, pentru a vă construi propriul circuit amplificator MOSFET de 120 de wați. Cele 4 dispozitive MOSFET indicate trebuie atașate cu radiatoare mari cu aripioare, care trebuie să fie evaluate la minimum 4,5 grade Celsius pe watt.

Precauții de cablare

• Asigurați-vă că păstrați bornele pinout MOSFET cât mai scurte posibil, care nu trebuie să depășească aproximativ 50 mm lungime.
• Dacă doriți să le păstrați puțin mai mult decât acesta, asigurați-vă că adăugați un rezistor de valoare mică (poate fi de 50 ohmi 1/4 watt) cu poarta fiecăruia dintre MOSFET-uri.
• Acest rezistor va răspunde cu capacitatea de intrare a MOSFET și va acționa ca un filtru trece jos, asigurând o stabilitate mai bună a frecvenței pentru intrarea semnalului de înaltă frecvență.
• Cu toate acestea, la semnale de intrare de înaltă frecvență, aceste rezistențe ar putea produce o anumită influență asupra performanței ieșirii, dar acest lucru poate fi de fapt prea mic și greu de observat.
• Tranzistorul Tr6 constă de fapt din două MOSFET-uri cu canal n conectate în paralel, același lucru este pentru Tr7, care are, de asemenea, câteva MOSFET-uri cu canal p în paralel.
• Pentru a implementa această conexiune paralelă, poarta, scurgerea, sursa respectivelor perechi MOSFET sunt pur și simplu unite una cu alta, atât este atât de simplu.
• De asemenea, vă rugăm să rețineți că condensatorul C8 și rezistorul R13 sunt instalate direct pe mufa de ieșire și nu sunt asamblate pe PCB.
• Poate că cea mai eficientă metodă de construire a sursei de alimentare este prin cablarea dură, ca și pentru sursa de alimentare, așa cum s-a făcut pentru amplificatorul anterior. Cablajul este la fel ca la acest circuit anterior.

Ajustări și setări

1. Înainte de a porni circuitul amplificatorului complet, asigurați-vă că examinați cu atenție fiecare cablare de mai multe ori.
2. Verificați în mod specific cablajul sursei de alimentare și interconectările relevante între MOSFET-urile de putere de ieșire.
3. Defecțiunile din jurul acestor conexiuni ar putea duce rapid la deteriorarea permanentă a amplificatorului.
4. De asemenea, va trebui să efectuați câteva ajustări anterioare înainte de a porni placa completată.
5. Începeți prin rotirea presetării R11 complet în sens invers acelor de ceasornic și nu conectați inițial un difuzor la ieșirea unității.
6. Apoi, în loc de difuzor, conectați-vă sondele multimetrului (setat la intervalul de joasă tensiune DC) peste punctele de ieșire ale amplificatorului și asigurați-vă că arată că este disponibilă tensiunea de ieșire liniștită scăzută.
7. Este posibil să găsiți contorul care prezintă tensiune fracționată sau este posibil să nu existe deloc tensiune, ceea ce este, de asemenea, bine.
8. În cazul în care contorul indică o tensiune continuă mare, trebuie să opriți imediat amplificatorul și să verificați din nou eventualele greșeli la cablare.

Concluzie

În articolul de mai sus am discutat pe larg mulți parametri care joacă un rol crucial în asigurarea funcționării corecte și optime a unui amplificator de putere.

Toți acești parametri sunt standard și, prin urmare, pot fi utilizați și aplicați eficient în timpul proiectării oricărui circuit amplificator de putere MOSFET, indiferent de specificațiile de putere și tensiune.

Diferitele caracteristici detaliate referitoare la dispozitivele BJT și MOSFET ar putea fi utilizate de proiectant pentru a implementa sau personaliza un circuit de amplificare de putere dorit.