Ako navrhnúť obvody výkonového zosilňovača MOSFET - vysvetlené parametre

V tomto príspevku diskutujeme o rôznych parametroch, ktoré je potrebné zohľadniť pri navrhovaní obvodu výkonového zosilňovača MOSFET. Analyzujeme tiež rozdiel medzi bipolárnymi tranzistormi (BJT) a charakteristikami MOSFET a rozumieme, prečo sú MOSFETy vhodnejšie a efektívnejšie pre aplikácie výkonových zosilňovačov.

Prispel Daniel Schultz

Prehľad

Pri návrhu výkonového zosilňovača sa uvažuje v rozsahu 10 až 20 wattov , obvykle sa uprednostňujú dizajny na báze integrovaných obvodov alebo integrovaných obvodov kvôli ich elegantnej veľkosti a nízkemu počtu komponentov.

Pre vyššie rozsahy výstupného výkonu je však diskrétna konfigurácia považovaná za oveľa lepšiu voľbu, pretože pre projektanta ponúka vyššiu účinnosť a flexibilitu, pokiaľ ide o výber výstupného výkonu.

Výkonové zosilňovače využívajúce diskrétne časti predtým záviseli od bipolárnych tranzistorov alebo BJT. Avšak s príchodom sofistikované MOSFETy , BJT boli pomaly nahradzované týmito pokročilými MOSFETmi pre dosiahnutie extrémne vysokého výstupného výkonu a úžasne obmedzeného priestoru a zmenšených PCB.

Aj keď MOSFETy môžu pri navrhovaní stredne veľkých výkonových zosilňovačov vyzerať prehnane, dajú sa účinne uplatniť pri akýchkoľvek špecifikáciách veľkostí a výkonových zosilňovačov.

Nevýhody použitia BJT vo výkonových zosilňovačoch

Aj keď bipolárne zariadenia fungujú mimoriadne dobre v špičkových zosilňovačoch audio výkonu, obsahujú niekoľko nevýhod, ktoré v skutočnosti viedli k zavedeniu pokrokových zariadení, ako sú MOSFET.

Snáď najväčšou nevýhodou bipolárnych tranzistorov vo výstupných stupňoch triedy B je jav označovaný ako úniková situácia.

BJT obsahujú kladný teplotný koeficient, čo konkrétne vedie k javu, ktorý sa nazýva tepelný útek, a ktorý môže spôsobiť potenciálne poškodenie výkonových BJT v dôsledku prehriatia.

Obrázok na ľavej strane vyššie predstavuje základné nastavenie štandardného budiča triedy B a výstupného stupňa, ktorý využíva TR1 ako bežný budiaci stupeň emitora a Tr2 spolu s Tr3 ako výstupným stupňom doplnkového emitorového sledovača.

Porovnanie konfigurácie výstupného stupňa zosilňovača BJT vs MOSFET

Funkcia výstupného stupňa zosilňovača

Pri návrhu pracovného zosilňovača výkonu je dôležité správne nakonfigurovať jeho koncový stupeň.

Cieľom výstupného stupňa je predovšetkým zaistiť prúdové zosilnenie (zisk napätia nie je väčší ako jednota), aby obvod mohol dodávať vysoké výstupné prúdy nevyhnutné pre napájanie reproduktora s vyššou úrovňou hlasitosti.

1. S odkazom na BJT diagram na ľavej strane vyššie, Tr2 funguje ako zdroj výstupného prúdu počas kladných výstupných cyklov, zatiaľ čo Tr3 dodáva výstupný prúd počas záporných výstupných pol cyklov.
2. Základné zaťaženie kolektora pre budiaci stupeň BJT je navrhnuté so zdrojom konštantného prúdu, ktorý poskytuje vylepšenú linearitu na rozdiel od účinkov dosiahnutých pomocou jednoduchého záťažového rezistora.
3. K tomu dochádza v dôsledku rozdielov v zosilnení (a sprievodnom skreslení), ku ktorým dochádza vždy, keď BJT pracuje v širokom rozsahu kolektorových prúdov.
4. Aplikácia záťažového rezistora vo vnútri spoločného stupňa emitora s veľkými výkyvmi výstupného napätia môže bezpochyby vyvolať extrémne veľký rozsah prúdu kolektora a veľké skreslenia.
5. Aplikácia zaťaženia konštantným prúdom sa úplne nezbaví skreslenia, pretože napätie kolektora prirodzene kolíše a zisk tranzistora môže do istej miery závisieť od napätia kolektora.
6. Pretože však kolísanie zosilnenia v dôsledku kolísania napätia kolektora býva pomerne malé, je celkom možné dosiahnuť nízke skreslenie oveľa nižšie ako 1 percento.
7. Predpínací obvod pripojený medzi základňami výstupných tranzistorov je nevyhnutný na to, aby sa výstupné tranzistory dostali do polohy, kde sú práve na prahovej hodnote vodivosti.
8. Ak sa tak nestane, malé odchýlky v kolektorovom napätí Tr1 nemusia byť schopné dostať výstupné tranzistory do vedenia a nemusia umožňovať akékoľvek zlepšenie výstupného napätia!
9. Vyššie variácie napätia na kolektore Tr1 by mohli generovať zodpovedajúce zmeny výstupného napätia, ale pravdepodobne by sa tak minuli začiatočná a konečná časť každého pol cyklu frekvencie, čo by viedlo k vážnemu „skríženému skresleniu“, ako sa to bežne označuje.

Problém skreslenia kríženia

Aj keď sú výstupné tranzistory privádzané k prahovej hodnote vodivosti, neodstráni sa úplne krížové skreslenie, pretože výstupné zariadenia pri prevádzke pri znížených kolektorových prúdoch vykazujú relatívne malé množstvá zosilnenia.

Toto poskytuje mierne, ale nežiaduce druh krížového skreslenia. Negatívna spätná väzba by sa mohla použiť na prirodzené prekonanie skreslenia výhybiek, avšak na dosiahnutie vynikajúcich výsledkov je v skutočnosti nevyhnutné použiť primerane vysoké pokojné predpätie na výstupných tranzistoroch.

Je to tento veľký predpätý prúd, ktorý spôsobuje komplikácie s tepelným únikom.

Predpätý prúd spôsobuje zahriatie výstupných tranzistorov a kvôli ich kladnému teplotnému koeficientu to spôsobí zvýšenie predpínacieho prúdu, generovanie ešte väčšieho množstva tepla a následné ďalšie zvýšenie predpätého prúdu.

Táto pozitívna spätná väzba teda dodáva postupný nárast predpätia, kým sa výstupné tranzistory príliš nezahrejú a nakoniec nebudú spálené.

V snahe chrániť sa pred týmto je predpínací obvod uľahčený zabudovaným systémom snímania teploty, ktorý spomalí predpätie v prípade, že je zistená vyššia teplota.

Preto, keď sa výstupný tranzistor zahrieva, je predpätý obvod ovplyvnený generovaným teplom, ktoré to detekuje a zastaví akýkoľvek následný nárast predpäťového prúdu. Prakticky nemusí byť stabilizácia predpätia ideálna a môžete nájsť malé odchýlky, avšak správne nakonfigurovaný obvod môže zvyčajne vykazovať dosť dostatočne vysokú stabilitu predpätia.

Prečo MOSFETy pracujú efektívnejšie ako BJT v zosilňovačoch výkonu

V nasledujúcej diskusii sa pokúsime pochopiť, prečo MOSFETy fungujú lepšie v prevedeniach výkonových zosilňovačov v porovnaní s BJT.

Podobne ako BJT, ak sa používajú v koncovom stupni triedy B, MOSFET tiež vyžadujú a skreslenie dopredu prekonať skreslenie výhybky. Pretože výkonové MOSFETy majú záporný teplotný koeficient pri prúdoch blízkych 100 miliampérov alebo viac (a mierny kladný teplotný koeficient pri nižších prúdoch), umožňuje menej komplikovaný budič triedy B a výstupný stupeň, ako ukazuje nasledujúci obrázok. .

Tepelne stabilizovaný predpätý obvod by mohol byť nahradený rezistorom, pretože teplotné charakteristiky výkonových MOSFETov obsahujú zabudovanú tepelnú reguláciu predpäťového prúdu okolo 100 miliampérov (čo je približne ten najvhodnejší predpätý prúd).

Ďalšou výzvou pri BJT je pomerne nízky prúdový zisk iba 20 až 50. To môže byť pre zosilňovače stredného a vysokého výkonu dosť nedostatočné. Z tohto dôvodu vyžaduje mimoriadne výkonný stupeň vodiča. Typickým prístupom k riešeniu tohto problému je použitie a Darlingtonské páry alebo ekvivalentná konštrukcia poskytujúca primerane vysoký prúdový zisk, takže umožňuje použitie stupňa vodiča s nízkym výkonom.

Napájajte MOSFETy, ako každé iné Zariadenie FET , bývajú skôr prístrojmi napájanými napätím než prúdom.

Vstupná impedancia výkonového MOSFETu je zvyčajne veľmi vysoká, čo umožňuje zanedbateľný odber vstupného prúdu pri nízkych pracovných frekvenciách. Avšak pri vysokých pracovných frekvenciách je vstupná impedancia oveľa nižšia z dôvodu relatívne vysokej vstupnej kapacity približne 500 pf.

Aj pri tejto vysokej vstupnej kapacite sa cez vodičový stupeň stane pracovný prúd sotva 10 miliampérov dosť, hoci špičkový výstupný prúd by mohol byť zhruba tisícnásobok tohto množstva.

Ďalším problémom bipolárnych napájacích zariadení (BJT) je ich trochu pomalý spínací čas. To má tendenciu vytvárať rôzne problémy, napríklad skreslenie vyvolané zabitím.

To je prípad, keď silný vysokofrekvenčný signál môže vyžadovať spínacie výstupné napätie povedzme 2 volty za mikrosekundu, zatiaľ čo výstupný stupeň BJT môže umožniť rýchlosť prepínania iba voltu za mikrosekundu. Prirodzene, výstup bude mať problémy s dosiahnutím slušnej reprodukcie vstupného signálu, čo povedie k nevyhnutnému skresleniu.

Nižšia rýchlosť otáčania môže tiež poskytnúť zosilňovaču nežiaducu šírku pásma výkonu, pričom najvyšší dosiahnuteľný výkon výrazne klesá pri vyšších zvukových frekvenciách.

Fázové oneskorenie a oscilácie

Ďalším problémom je fázové oneskorenie, ku ktorému dochádza prostredníctvom koncového stupňa zosilňovača s vysokými frekvenciami a ktoré by mohlo spôsobiť, že spätná väzba systému so negatívnou spätnou väzbou sa pri extrémne vysokých frekvenciách zmení na pozitívnu namiesto negatívnej.

Pokiaľ má zosilňovač dostatočný zisk na takýchto frekvenciách, môže ísť do oscilačného režimu a bude stále badateľný nedostatok stability, aj keď zosilnenie obvodu nie je dostatočné na spustenie oscilácie.

Tento problém je možné napraviť pridaním prvkov na rozvinutie vysokofrekvenčnej odozvy obvodu a zabudovaním prvkov fázovej kompenzácie. Tieto úvahy však znižujú účinnosť zosilňovača pri vysokých frekvenciách vstupného signálu.

MOSFETy sú rýchlejšie ako BJT

Pri návrhu výkonového zosilňovača si musíme uvedomiť, že rýchlosť prepínania výkonových MOSFETov je všeobecne asi 50 až 100-krát rýchlejší ako BJT. Preto sa komplikácie s horšou vysokofrekvenčnou funkčnosťou dajú ľahko prekonať použitím MOSFETov namiesto BJT.

Je skutočne možné vytvárať konfigurácie bez akýchkoľvek frekvenčná alebo fázová kompenzácia súčasti si stále zachovávajú vynikajúcu stabilitu a zahŕňajú úroveň výkonu, ktorá je zachovaná pre frekvencie hlboko nad hranicou zvuku vysokých frekvencií.

Ďalším problémom, ktorý sa vyskytuje u bipolárnych výkonových tranzistorov, je sekundárne zlyhanie. Týka sa to určitého druhu špecifického tepelného úniku, ktorý v prístroji vytvára „horúcu zónu“, čo vedie ku skratu cez jeho kolíky kolektora / žiariča.

Aby sa tak nestalo, musí sa BJT prevádzkovať výlučne v špecifických rozsahoch kolektorového prúdu a napätia. Každému obvod zosilňovača zvuku táto situácia zvyčajne znamená, že výstupné tranzistory sú nútené pracovať dobre v rámci svojich tepelných obmedzení, a optimálny výstupný výkon získateľný z výkonových BJT je tak významne znížený, oveľa nižší, ako skutočne umožňujú ich najvyššie hodnoty rozptylu.

Vďaka Záporný teplotný koeficient MOSFETu pri vysokých odtokových prúdoch tieto zariadenia nemajú problémy so sekundárnym poškodením. Pre MOSFETy sú maximálne prípustné hodnoty odtokového prúdu a odtokového napätia prakticky len obmedzené ich funkciou rozptylu tepla. Preto sa tieto zariadenia stávajú špeciálne vhodnými pre vysoko výkonné zvukové zosilňovače.

Nevýhody MOSFET

Napriek vyššie uvedeným skutočnostiam má MOSFET tiež niekoľko nevýhod, ktorých je relatívne menej a sú nevýznamné. Spočiatku boli MOSFETy veľmi drahé v porovnaní so zodpovedajúcimi bipolárnymi tranzistormi. Rozdiel v cene sa však v dnešnej dobe oveľa zmenšil. Keď vezmeme do úvahy skutočnosť, že MOSFET umožňujú oveľa jednoduchšie zložité obvody a nepriame výrazné zníženie nákladov, robí náprotivok BJT dosť triviálnym aj pri jeho nízkych nákladoch značka.

Výkonové MOSFETy sa často vyznačujú zvýšenou účinnosťou skreslenie otvorenej slučky ako BJT. Vďaka vysokému zisku a rýchlej rýchlosti prepínania však výkonové MOSFETy umožňujú použitie vysokej úrovne negatívnej spätnej väzby v celom zvukovom frekvenčnom spektre, čo ponúka neporovnateľné skreslenie uzavretej slučky efektívnosť.

Ďalšou nevýhodou výkonových MOSFETov je ich nižšia účinnosť v porovnaní s BJT, keď sa používajú vo výstupných stupňoch štandardného zosilňovača. Dôvodom je štádium sledovača vysokoenergetického vysielača, ktorý generuje pokles napätia medzi vstupom a výstupom až okolo 1 voltu, aj keď na vstupe / výstupe stupňa sledovača zdroja existuje strata niekoľkých voltov. Tento problém nie je jednoduchý na riešenie, zdá sa však, že ide o malé zníženie efektívnosti, ktoré by sa nemalo brať do úvahy a mohlo by sa ignorovať.

Pochopenie praktického návrhu zosilňovača MOSFET

Na nasledujúcom obrázku je znázornená funkčná schéma zapojenia Zosilňovač MOSFET s výkonom 35 W obvod. Okrem aplikácie MOSFET vo výstupnom stupni zosilňovača všetko v podstate vyzerá ako veľmi bežný dizajn zosilňovača MOSFET.

• Tr1 je zostavený ako a spoločný vstupný stupeň emitoru , priamo pripojený k ovládaciemu stupňu spoločného emitora Tr3. Oba tieto stupne ponúkajú celkový zosilnenie napätia zosilňovača a zahŕňajú extrémne vysoký celkový zosilnenie.
• Tr2 spolu s pripojenými časťami vytvára jednoduchý generátor konštantného prúdu, ktorý má hraničný výstupný prúd 10 miliampérov. Toto funguje ako zaťaženie hlavného kolektora pre Tr3.
• Na stanovenie správnej hodnoty sa používa R10 pokojový predpätý prúd prostredníctvom výstupných tranzistorov, a ako už bolo uvedené, tepelná stabilizácia predpäťového prúdu sa v predpínacom obvode skutočne nedosahuje, ale skôr ju dodávajú samotné výstupné zariadenia.
• R8 prináša prakticky 100% negatívna odozva od výstupu zosilňovača k emitoru Tr1, čo umožňuje obvodu len zisk jednosmerného napätia.
• Rezistory R1, R2 a R4 fungujú ako sieť rozdeľovača potenciálov na predpätie vstupného stupňa zosilňovača a následne aj výstupu zhruba na polovicu napájacieho napätia. To umožňuje najvyššiu dosiahnuteľnú výstupnú úroveň pred orezaním a začiatkom kritického skreslenia.
• R1 a C2 sa používajú ako filtračný obvod, ktorý ruší frekvenciu brumu a iné formy potenciálnych zvukov na napájacích vedeniach od vstupu do zosilňovacieho vstupu cez predpätý obvod.
• R3 a C5 pôsobia ako RF filter ktorý zabraňuje rušeniu vysokofrekvenčných signálov priamo zo vstupu na výstup a spôsobuje zvukové poruchy. C4 tiež pomáha pri riešení rovnakého problému efektívnym zavedením vysokofrekvenčnej odozvy zosilňovača nad horný limit frekvencie zvuku.
• Je nevyhnutné zaistiť, aby zosilňovač získal dobrý zosilnenie napätia na počuteľných frekvenciách oddeliť negatívnu spätnú väzbu do istej miery.
• C7 plní úlohu oddeľovací kondenzátor , zatiaľ čo odpor R6 obmedzuje množstvo spätnej väzby, ktorá sa vyčistí.
• Okruh zosilnenie napätia je približne určené vydelením R8 a R6 alebo približne 20-krát (26 dB) s priradenými hodnotami častí.
• Maximálne výstupné napätie zosilňovača bude 16 voltov RMS, čo umožňuje vstupnú citlivosť zhruba okolo 777 mV RMS pre dosiahnutie plného výkonu. Vstupná impedancia môže byť viac ako 20 k.
• C3 a C8 sa používajú ako vstupné a výstupné spojovacie kondenzátory. C1 umožňuje odpojenie napájacieho zdroja DC.
• R11 a C9 slúžia výlučne na uľahčenie a kontrolu stability zosilňovača tým, že fungujú ako populárne Sieť Zobel , ktoré sa často nachádzajú okolo výstupných stupňov väčšiny návrhov polovodičových výkonových zosilňovačov.

Analýza výkonu

Zdá sa, že prototypový zosilňovač funguje neuveriteľne dobre, najmä až keď si všimneme dosť jednoduchý dizajn jednotky. Zobrazený návrhový obvod zosilňovača MOSFET bude šťastne vysielať 35 W RMS do záťaže 8 ohmov.

• The celkové harmonické skreslenie nebude viac ako okolo 0,05%. Prototyp sa analyzoval iba na frekvencie signálu okolo 1 kHz.
• Avšak okruh zisk otvorenej slučky sa zistilo, že je v celom rozsahu zvukových frekvencií prakticky konštantný.
• The frekvenčná odozva uzavretej slučky bola nameraná pri -2 dB so signálmi približne 20 Hz a 22 kHz.
• Zosilňovač pomer signálu k šumu (bez pripojeného reproduktora) bola vyššia ako 80 dB, aj keď v skutočnosti existuje možnosť malého množstva ruky hučia z napájacieho zdroja detekovaného na reproduktoroch, ale úroveň môže byť za bežných podmienok príliš nízka.

Zdroj

Obrázok vyššie demonštruje správne nakonfigurované napájanie pre konštrukciu zosilňovača MOSFET s výkonom 35 W. Napájací zdroj môže byť dostatočne výkonný na to, aby zvládol mono alebo stereo model jednotky.

Napájací zdroj je v skutočnosti tvorený účinným párom push-pull usmerňovacích a vyhladzovacích obvodov, ktoré majú svoje výstupy zapojené do série, aby poskytovali celkové výstupné napätie zodpovedajúce dvojnásobku potenciálu použitého jednotlivým usmerňovačom a kapacitným filtračným obvodom.

Diódy D4, D6 a C10 tvoria jednu konkrétnu časť napájacieho zdroja, zatiaľ čo druhá časť je napájaná z D3, D5 a C11. Každý z nich ponúka niečo pod 40 voltov bez pripojenej záťaže a celkové napätie 80 V bez záťaže.

Táto hodnota môže klesnúť na približne 77 voltov, keď je zosilňovač zaťažený stereofónnym vstupným signálom s pokojovým stavom v prevádzke, a na niečo okolo 60 voltov, keď sú dva kanály zosilňovača prevádzkované na plný alebo maximálny výkon.

Rady pre stavbu

Ideálne rozloženie DPS pre 35 W MOSFET zosilňovač je znázornené na obrázkoch nižšie.

Toto je určené pre jeden kanál zosilňovacieho obvodu, takže keď je nevyhnutný stereofónny zosilňovač, je samozrejme potrebné zostaviť dve takéto dosky. Výstupné tranzistory určite nie sú namontované na doske plošných spojov, skôr ako cez veľký rebrovaný typ.

Pri ich upevňovaní na chladiči nie je potrebné používať sľudovú izolačnú sadu pre tranzistory. Je to tak preto, lebo zdroje MOSFET sú priamo spojené s ich kovovými úchytkami a tieto kolíky zdrojov musia aj tak zostať navzájom spojené.

Pretože však nie sú izolované od chladiča, môže byť skutočne nevyhnutné zabezpečiť, aby chladiče neprišli do elektrického kontaktu s rôznymi inými časťami zosilňovača.

Pri stereofónnej implementácii by tiež nemalo byť dovolené, aby sa jednotlivé chladiče použité pre pár zosilňovačov dostali do vzájomnej elektrickej blízkosti. Na zaistenie zapojenia výstupných tranzistorov pomocou DPS vždy používajte kratšie vodiče s maximom približne 50 mm.

To je zvlášť dôležité pre vodiče, ktoré sa pripájajú k hradlovým svorkám výstupných MOSFETov. Vzhľadom na skutočnosť, že výkonové MOSFETy majú vysoký zisk pri vysokých frekvenciách, dlhšie vodiče môžu vážne ovplyvniť stabilitnú odozvu zosilňovača alebo dokonca spustiť vysokofrekvenčnú osciláciu, ktorá môže následne spôsobiť trvalé poškodenie výkonových MOSFETov.

To znamená, že pri príprave návrhu prakticky nenájdete nijaké ťažkosti, aby ste zaistili, že tieto elektródy budú účinne držané kratšie. Môže byť dôležité poznamenať, že C9 a R11 sú namontované mimo DPS a sú jednoducho zapojené do série cez výstupnú zásuvku.

Tipy na konštrukciu napájacieho zdroja

Napájací obvod je zostavený pomocou zapojenia typu point-to-point, ako je to znázornené na nasledujúcom obrázku.

To v skutočnosti vyzerá dosť dobre, napriek tomu je zaistené, že kondenzátory C10 a C11 obidvoch typov pozostávajú z figuríny. V prípade, že nie sú, môže byť rozhodujúce použiť štítok na povolenie niekoľkých portov pripojenia. Spájkovacia značka je pripnutá na jednu konkrétnu montážnu skrutku T1, ktorá ponúka bod pripojenia šasi pre sieťový uzemňovací kábel.

Úpravy a nastavenia

1. Nezabudnite pred zapojením napájacieho zdroja podrobne preskúmať zapojenie, pretože chyby v zapojení môžu spôsobiť nákladné zničenie a môžu byť určite nebezpečné.
2. Pred zapnutím obvodu sa uistite, že je orezaný obvod R10, aby bol dosiahnutý minimálny odpor (otáčajte úplne proti smeru hodinových ručičiek).
3. Pri krátkodobom odpojení FS1 a upevnení multimetra na meranie 500 mA FSD cez držiak poistky musí byť pri zapnutom zosilňovači viditeľný údaj okolo 20 mA na merači (to môže byť 40 mA, ak je použité dvojkanálové stereo).
4. V prípade, že zistíte, že stav meracieho prístroja je podstatne odlišný od tohto, okamžite vypnite napájanie a znova skontrolujte celé vedenie. Naopak, ak je všetko v poriadku, pomaly posúvajte R10, aby sa maximalizoval odpočet počítadla až do hodnoty 100mA.
5. Ak je požadovaný stereofónny zosilňovač, je potrebné doladiť R10 na oboch kanáloch, aby sa dosiahol prúdový odber až 120 mA, potom sa musí jemne doladiť R10 v druhom kanáli, aby sa zvýšilo využitie prúdu na 200 mA. Akonáhle sú tieto splnené, je váš MOSFET zosilňovač pripravený na použitie.
6. Pri nastavovaní zosilňovača buďte mimoriadne opatrní, aby ste sa nedotkli žiadneho sieťového pripojenia.
7. Všetky nekryté elektroinštalácie alebo káblové prípojky, ktoré môžu byť v sieťovom potenciáli, by mali byť pred pripojením zariadenia k elektrickej sieti správne izolované.
8. Netreba dodávať, že ako v každom obvode napájanom striedavým prúdom, mal by byť uzavretý v pevnej skrinke, ktorú je možné odskrutkovať iba pomocou špeciálneho skrutkovača a inej sady nástrojov, aby sa zabezpečilo, že neexistujú rýchle prostriedky na dosiahnutie nebezpečného miesta. sieťové vedenie a nehody sú bezpečne eliminované.

Zoznam náhradných dielov pre 35 Wattový zosilňovač MOSFET

120 W aplikačný obvod zosilňovača MOSFET

V závislosti na špecifikáciách napájania, praktické 120 wattový zosilňovač MOSFET obvod je schopný ponúknuť výstupný výkon v rozsahu asi 50 a 120 W RMS do 8 ohmového reproduktora.

Tento dizajn tiež obsahuje MOSFETy vo výstupnom stupni, aby poskytoval vynikajúcu úroveň celkového výkonu aj pri veľkej jednoduchosti obvodu

Celkové harmonické skreslenie zosilňovača nie je väčšie ako 0,05%, ale iba vtedy, keď obvod nie je preťažený a pomer signálu k šumu je lepší ako 100 dB.

Porozumenie fázam zosilňovača MOSFET

Ako je uvedené vyššie, tento obvod je navrhnutý s odkazom na usporiadanie Hitachi. Na rozdiel od poslednej konštrukcie tento obvod využíva jednosmernú väzbu pre reproduktor a obsahuje dvojité vyvážené napájanie so stredným napätím 0 V a uzemnením.

Toto vylepšenie vás zbaví závislosti na veľkých výstupných väzbových kondenzátoroch, ako aj nízkej výkonnosti pri nízkofrekvenčnom výkone, ktorý tento kondenzátor generuje. Ďalej toto rozloženie tiež umožňuje obvodu slušné potlačenie zvlnenia napájania.

Okrem funkcie spojenia jednosmerným prúdom sa návrh obvodu javí dosť odlišný od návrhu použitého v predchádzajúcom návrhu. Tu vstupný aj budiaci stupeň obsahujú diferenciálne zosilňovače.

Vstupný stupeň sa konfiguruje pomocou Tr1 a Tr2, zatiaľ čo stupeň budiča je závislý od Tr3 a Tr4.

Tranzistor Tr5 je nakonfigurovaný ako a zaťaženie kolektora s konštantným prúdom pre Tr4. Cesta signálu pomocou zosilňovača začína pomocou vstupného kondenzátora C1 spolu s RF filtrom R1 / C4. R2 sa používa na predpätie vstupu zosilňovača na centrálnej napájacej trati 0V.

Tr1 je zapojený ako efektívny a zosilňovač spoločného vysielača ktorý má svoj výstup priamo pripojený k Tr4, ktorý sa používa ako bežný ovládač emitorového stupňa. Od tejto fázy je audio signál prepojený s Tr6 a Tr7, ktoré sú upravené ako výstupný stupeň doplnkového sledovača zdroja.

The negatívna odozva je extrahovaný z výstupu zosilňovača a spojený s bázou Tr2 a napriek skutočnosti, že nedochádza k inverzii signálu cez bázu Tr1 na výstup zosilňovača, existuje inverzia cez bázu Tr2 a výstup. Je to preto, že Tr2 fungujúci ako sledovač emitorov dokonale poháňa vysielač Tr1.

Keď sa na vysielač Tr1 aplikuje vstupný signál, tranzistory úspešne fungujú ako a spoločný základný stupeň . Preto hoci k inverzii nedochádza pomocou Tr1 a Tr2, inverzia sa deje cez Tr4.

K fázovej zmene tiež nedochádza cez výstupný stupeň, čo znamená, že zosilňovač a základňa Tr2 majú sklon byť mimo fázy na vykonávanie požadovanej negatívnej spätnej väzby. Hodnoty R6 a R7, ako sú navrhnuté v diagrame, poskytujú napäťový zisk približne 28-krát.

Ako sme sa dozvedeli z našich predchádzajúcich diskusií, malou nevýhodou výkonových MOSFETov sú to, že sa stanú menej efektívnymi ako BJT, keď sú zapojené cez tradičný výstupný stupeň triedy B. Relatívna efektívnosť výkonových MOSFETov sa tiež dosť zhoršuje pri obvodoch s vysokým výkonom, ktoré vyžadujú, aby napätie hradla / zdroja bolo pre vysoké prúdy zdroja niekoľko napätí.

Dá sa predpokladať, že maximálny výkyv výstupného napätia sa rovná napájaciemu napätiu mínus maximálna hodnota napätia hradla zdroja individuálneho tranzistora, čo určite umožňuje výkyv výstupného napätia, ktorý môže byť podstatne nižší ako použité napájacie napätie.

Priamym prostriedkom na získanie vyššej efektívnosti by bolo v zásade zabudovať niekoľko podobných MOSFET pripojených paralelne ku každému z výstupných tranzistorov. Najvyššie množstvo prúdu, ktorým manipuluje každý výstupný MOSFET, sa potom zhruba zníži na polovicu a maximálna hodnota zdroja na hradlové napätie každého MOSFETu sa primerane zníži (spolu s proporcionálnym nárastom výkyvu výstupného napätia zosilňovača).

Podobný prístup však nefunguje, ak je aplikovaný na bipolárne zariadenia, a je to v podstate kvôli nim kladný teplotný koeficient charakteristiky. Ak jeden konkrétny výstup BJT začne čerpať nadmerný prúd ako druhý (pretože žiadne dva tranzistory nebudú mať presne identické vlastnosti), jedno zariadenie začne byť horúcešie ako druhé.

Táto zvýšená teplota spôsobí zníženie prahového napätia vysielača / bázy BJT a vo výsledku začne spotrebovávať oveľa väčšiu časť výstupného prúdu. Situácia potom spôsobí zahriatie tranzistora a tento proces pokračuje nekonečne dlho, kým jeden z výstupných tranzistorov nezačne zvládať všetku záťaž, zatiaľ čo druhý zostáva nečinný.

Tento druh problému nie je možné vidieť u výkonových MOSFETov kvôli ich negatívnemu teplotnému koeficientu. Keď sa jeden MOSFET začne zahrievať, kvôli jeho negatívnemu teplotnému koeficientu začne prírastkové teplo obmedzovať tok prúdu cez jeho odtok / zdroj.

To posúva prebytočný prúd smerom k druhému MOSFETu, ktorý sa teraz začína ohrievať, a podobne teplo spôsobuje, že prúd cez neho proporcionálne klesá.

Situácia vytvára vyvážený prúdový podiel a stratu medzi zariadeniami, vďaka čomu zosilňovač pracuje oveľa efektívnejšie a spoľahlivejšie. Tento jav tiež umožňuje MOSFETy, ktoré sa majú zapojiť paralelne jednoducho spojením brány, zdroja a odtoku vedie bez veľkých výpočtov a obáv.

Napájací zdroj pre 120 W zosilňovač MOSFET

Vhodne navrhnutý napájací obvod pre 120 W zosilňovač MOSFET je uvedený vyššie. Vyzerá to podobne ako napájací obvod pre našu predchádzajúcu konštrukciu.

Jediným rozdielom, ktorým bolo napájanie centrálneho odbočkového transformátora na križovatke dvoch vyhladzovacích kondenzátorov, sa spočiatku nebral do úvahy. Pre tento príklad je zvykom zabezpečiť stredné 0 V uzemnenie, zatiaľ čo sieťové uzemnenie sa tiež pripojí na tomto spoji namiesto zápornej napájacej lišty.

Poistky nájdete nainštalované na kladnej aj zápornej lište. Výstupný výkon, ktorý dodáva zosilňovač, závisí predovšetkým od parametrov sieťového transformátora. Pre väčšinu požiadaviek by mal byť toroidný sieťový transformátor s napätím 35 - 0 - 35 voltov 160 VA skutočne dosť.

Ak stereofónna prevádzka je výhodné, bude treba transformátor vymeniť za ťažší transformátor s výkonom 300 VA. Alternatívne je možné izolovať napájacie jednotky pomocou transformátora 160 VA pre každý kanál.

To umožňuje napájacie napätie približne 50 V v pokojových podmienkach, aj keď pri plnom zaťažení môže táto úroveň poklesnúť na oveľa nižšiu úroveň. To umožňuje získanie výkonu až okolo 70 W RMS cez 8 ohmové reproduktory.

Rozhodujúcim bodom, ktorý je potrebné poznamenať, je, že diódy 1N5402 použité v mostíkovom usmerňovači majú maximálny prípustný prúdový prúd 3 ampéry. To môže stačiť na jednokanálový zosilňovač, ale to nemusí stačiť na stereofónnu verziu. V prípade stereofónnej verzie musia byť diódy nahradené 6 ampérovými diódami alebo diódami 6A4.

Usporiadania DPS

Môžete nájsť plnohodnotnú dosku s plošnými spojmi na výrobu vlastného 120-wattového obvodu zosilňovača MOSFET. Uvedené 4 zariadenia MOSFET by mali byť pripevnené veľkými rebrovanými chladičmi, ktoré musia byť dimenzované na minimálne 4,5 stupňa Celzia na watt.

Bezpečnostné opatrenia týkajúce sa zapojenia

• Dbajte na to, aby boli vývody MOSFET čo najkratšie, čo nesmie byť dlhšie ako asi 50 mm.
• Ak ich chcete uchovať o niečo dlhšie, nezabudnite k bráne každého z MOSFETov pridať rezistor s nízkou hodnotou (môže to byť 50 ohm 1/4 watt).
• Tento rezistor bude reagovať na vstupnú kapacitu MOSFET a bude sa chovať ako dolnopriepustný filter, čo zabezpečí lepšiu stabilitu frekvencie pre vstup vysokofrekvenčného signálu.
• Pri vysokofrekvenčných vstupných signáloch však tieto rezistory môžu mať určitý vplyv na výstupný výkon, ale môžu byť skutočne príliš malé a ťažko viditeľné.
• Tranzistor Tr6 v skutočnosti pozostáva z dvoch n-kanálových MOSFETov zapojených paralelne, to isté platí pre Tr7, ktorý má tiež niekoľko paralelných M-kanálov p-kanálov.
• Na implementáciu tohto paralelného spojenia sa brána, odtok, zdroj príslušných párov MOSFET jednoducho spoja navzájom, to je všetko tak jednoduché.
• Upozorňujeme tiež, že kondenzátor C8 a odpor R13 sú inštalované priamo na výstupnej zásuvke a nie sú namontované na doske plošných spojov.
• Azda najefektívnejšou metódou budovania napájacieho zdroja je pevné zapojenie, čo sa týka napájacieho zdroja, ktorý sa robil pre predchádzajúci zosilňovač. Zapojenie je takmer rovnaké ako v prípade tohto predchádzajúceho obvodu.

Úpravy a nastavenia

1. Pred zapnutím dokončeného zosilňovacieho obvodu nezabudnite niekoľkokrát starostlivo skontrolovať každé zapojenie.
2. Konkrétne skontrolujte vedenie napájacieho zdroja a príslušné prepojenia cez výstupné výkonové MOSFETy.
3. Poruchy okolo týchto spojení by mohli rýchlo viesť k trvalému poškodeniu zosilňovacej jednotky.
4. Pred zapnutím dokončenej dosky budete tiež musieť vykonať niekoľko predchádzajúcich úprav.
5. Začnite otočením predvoľby R11 úplne proti smeru hodinových ručičiek a na výstup jednotky najskôr nespájajte reproduktor.
6. Ďalej namiesto reproduktora pripojte sondy multimetra (nastavené na nízkonapäťový rozsah DC) cez výstupné body zosilňovača a uistite sa, že zobrazuje, že je k dispozícii nízke pokojné výstupné napätie.
7. Možno zistíte, že merač zobrazuje zlomkové napätie alebo nemusí byť vôbec žiadne, čo je tiež v poriadku.
8. V prípade, že je meračom indikované veľké jednosmerné napätie, musíte okamžite vypnúť zosilňovač a skontrolovať prípadné chyby v zapojení.

Záver

V predchádzajúcom článku sme komplexne diskutovali o mnohých parametroch, ktoré zohrávajú rozhodujúcu úlohu pri zabezpečovaní správneho a optimálneho fungovania výkonového zosilňovača.

Všetky tieto parametre sú štandardné, a preto ich možno efektívne použiť a použiť pri navrhovaní ľubovoľného obvodu výkonového zosilňovača MOSFET bez ohľadu na špecifikácie príkonu a napätia.

Rôzne charakteristiky podrobne týkajúce sa zariadení BJT a MOSFET môžu byť použité projektantom na implementáciu alebo prispôsobenie požadovaného obvodu zosilňovača výkonu.