Jak zaprojektować obwody wzmacniacza mocy MOSFET - objaśnienie parametrów

W tym poście omówimy różne parametry, które należy wziąć pod uwagę podczas projektowania układu wzmacniacza mocy MOSFET. Analizujemy również różnicę między bipolarnymi tranzystorami złączowymi (BJT) a charakterystyką MOSFET i rozumiemy, dlaczego tranzystory MOSFET są bardziej odpowiednie i wydajne w zastosowaniach do wzmacniaczy mocy.

Nadesłał Daniel Schultz

Przegląd

Przy projektowaniu wzmacniacza mocy bierze się pod uwagę zakres 10 do 20 watów , układy scalone lub konstrukcje oparte na układach scalonych są zwykle preferowane ze względu na ich elegancki rozmiar i małą liczbę komponentów.

Jednak w przypadku wyższych zakresów mocy wyjściowej konfiguracja dyskretna jest uważana za znacznie lepszy wybór, ponieważ zapewnia wyższą wydajność i elastyczność projektantowi w zakresie doboru mocy wyjściowej.

Wcześniej wzmacniacze mocy wykorzystujące dyskretne części zależały od tranzystorów bipolarnych lub BJT. Jednak wraz z pojawieniem się wyrafinowane tranzystory MOSFET , BJT były powoli zastępowane tymi zaawansowanymi tranzystorami MOSFET, aby uzyskać ekstremalnie wysoką moc wyjściową i zadziwiająco ograniczoną przestrzeń oraz zmniejszone PCB.

Chociaż tranzystory MOSFET mogą wyglądać na przesadę przy projektowaniu średniej wielkości wzmacniaczy mocy, można je skutecznie zastosować do dowolnej wielkości i specyfikacji wzmacniacza mocy.

Wady stosowania BJT we wzmacniaczach mocy

Chociaż urządzenia bipolarne działają wyjątkowo dobrze w wysokiej klasy wzmacniaczach mocy audio, mają kilka wad, które w rzeczywistości doprowadziły do ​​wprowadzenia zaawansowanych urządzeń, takich jak tranzystory MOSFET.

Być może największą wadą tranzystorów bipolarnych w stopniach wyjściowych klasy B jest zjawisko określane jako sytuacja niekontrolowana.

BJT zawierają dodatni współczynnik temperaturowy, co w szczególności powoduje powstanie zjawiska zwanego niekontrolowaną temperaturą, powodując potencjalne uszkodzenie BJT mocy z powodu przegrzania.

Rysunek po lewej stronie powyżej przedstawia podstawową konfigurację standardowego sterownika i stopnia wyjściowego klasy B, wykorzystując TR1 jako wspólny stopień sterownika emitera i Tr2 wraz z Tr3 jako uzupełniający stopień wyjściowy wtórnika emitera.

Porównanie konfiguracji stopnia wyjściowego wzmacniacza BJT i ​​MOSFET

Funkcja stopnia wyjściowego wzmacniacza

Aby zaprojektować działający wzmacniacz mocy, ważne jest prawidłowe skonfigurowanie jego stopnia wyjściowego.

Celem stopnia wyjściowego jest przede wszystkim zapewnienie wzmocnienia prądowego (wzmocnienie napięciowe nie przekraczające jedności), aby obwód mógł dostarczać wysokie prądy wyjściowe niezbędne do wysterowania głośnika przy wyższym poziomie głośności.

1. Nawiązując do powyższego diagramu BJT po lewej stronie, Tr2 działa jak źródło prądu wyjściowego podczas dodatnich cykli wyjściowych, podczas gdy Tr3 dostarcza prąd wyjściowy podczas ujemnych półcyklów wyjściowych.
2. Podstawowe obciążenie kolektora dla stopnia sterownika BJT jest zaprojektowane ze źródłem prądu stałego, co zapewnia zwiększoną liniowość w przeciwieństwie do efektów uzyskiwanych za pomocą prostego rezystora obciążenia.
3. Dzieje się tak z powodu różnic w wzmocnieniu (i towarzyszących im zniekształceń), które występują, gdy BJT działa w szerokim zakresie prądów kolektora.
4. Zastosowanie rezystora obciążającego wewnątrz wspólnego stopnia emitera z dużymi wahaniami napięcia wyjściowego może niewątpliwie wyzwolić niezwykle duży zakres prądu kolektora i duże zniekształcenia.
5. Zastosowanie stałego obciążenia prądem nie eliminuje całkowicie zniekształceń, ponieważ napięcie kolektora naturalnie się zmienia, a wzmocnienie tranzystora może w pewnym stopniu zależeć od napięcia kolektora.
6. Niemniej jednak, ponieważ wahania wzmocnienia wynikające ze zmian napięcia kolektora są zwykle dość niewielkie, możliwe jest uzyskanie niewielkich zniekształceń znacznie poniżej 1%.
7. Obwód polaryzacji podłączony między bazami tranzystorów wyjściowych jest niezbędny, aby doprowadzić tranzystory wyjściowe do pozycji, w której znajdują się tuż przy progu przewodzenia.
8. Jeśli tak się nie stanie, niewielkie wahania napięcia kolektora Tr1 mogą nie być w stanie doprowadzić tranzystorów wyjściowych do przewodzenia i mogą nie pozwolić na jakąkolwiek poprawę napięcia wyjściowego!
9. Większe wahania napięcia na kolektorze Tr1 mogą generować odpowiednie zmiany napięcia wyjściowego, ale prawdopodobnie spowodowałoby to pominięcie części początkowej i końcowej każdego półcyklu częstotliwości, powodując poważne „zniekształcenie zwrotnicy”, jak się to zwykle nazywa.

Problem z dystorsją zwrotnicy

Nawet jeśli tranzystory wyjściowe zostaną doprowadzone do progu przewodzenia, nie usunie całkowicie zniekształcenia zwrotnicy, ponieważ urządzenia wyjściowe wykazują stosunkowo niewielkie wzmocnienie podczas pracy przy zmniejszonych prądach kolektora.

Zapewnia to umiarkowane, ale niepożądane zniekształcenia zwrotnicy. Negatywne sprzężenie zwrotne mogłoby być wykorzystane do naturalnego pokonania zniekształceń zwrotnicy, jednak aby osiągnąć doskonałe wyniki, w rzeczywistości konieczne jest zastosowanie dość wysokiego polaryzacji spoczynkowej na tranzystorach wyjściowych.

To właśnie ten duży prąd polaryzacji powoduje komplikacje związane z niekontrolowaną temperaturą.

Prąd polaryzacji powoduje nagrzewanie się tranzystorów wyjściowych, a ze względu na ich dodatni współczynnik temperaturowy powoduje wzrost prądu polaryzacji, wytwarzając jeszcze więcej ciepła i wynikający z tego dalszy wzrost prądu polaryzacji.

To pozytywne sprzężenie zwrotne zapewnia zatem stopniowy wzrost obciążenia, aż tranzystory wyjściowe nagrzeją się za bardzo i ostatecznie spalą.

Aby się przed tym zabezpieczyć, obwód polaryzacji jest wspomagany przez wbudowany system wykrywania temperatury, który spowalnia odchylenie w przypadku wykrycia wyższej temperatury.

Dlatego też, gdy tranzystor wyjściowy rozgrzewa się, na obwód polaryzacji wpływa generowane ciepło, które to wykrywa i zatrzymuje wszelkie wynikające z tego wzrosty prądu polaryzacji. Praktycznie stabilizacja polaryzacji może nie być idealna i możesz znaleźć niewielkie odchylenia, jednak prawidłowo skonfigurowany obwód może normalnie wykazywać wystarczającą stabilność polaryzacji.

Dlaczego tranzystory MOSFET działają wydajniej niż tranzystory BJT we wzmacniaczach mocy

W poniższej dyskusji postaramy się zrozumieć, dlaczego tranzystory MOSFET działają lepiej w projektach wzmacniaczy mocy w porównaniu z tranzystorami BJT.

Podobnie jak w przypadku BJT, jeśli są stosowane w stopniu wyjściowym klasy B, tranzystory MOSFET wymagają również nastawienie do przodu aby przezwyciężyć zniekształcenia zwrotnicy. To powiedziawszy, ponieważ tranzystory MOSFET mocy mają ujemny współczynnik temperaturowy przy prądach bliskich 100 miliamperów lub więcej (i niewielki dodatni współczynnik temperaturowy przy niższych prądach), pozwala to na mniej skomplikowany sterownik i stopień wyjściowy klasy B, jak pokazano na poniższym rysunku. .

Stabilizowany termicznie obwód polaryzacji można zastąpić rezystorem, ponieważ charakterystyka temperaturowa tranzystorów MOSFET mocy obejmuje wbudowaną kontrolę termiczną prądu polaryzacji przy około 100 miliamperach (co jest w przybliżeniu najlepiej dopasowanym prądem polaryzacji).

Dodatkowym wyzwaniem związanym z BJT jest raczej niski przyrost prądu, wynoszący tylko od 20 do 50. Może to być całkiem niewystarczające dla wzmacniaczy średniej i dużej mocy. Z tego powodu wymaga niezwykle mocnego stopnia kierowcy. Typowe podejście do rozwiązania tego problemu polega na wykorzystaniu pliku Pary Darlington lub równoważna konstrukcja zapewniająca odpowiednio duży przyrost prądu, tak aby umożliwić zastosowanie stopnia sterownika małej mocy.

Tranzystory MOSFET mocy, jak wszystkie Urządzenie FET , są raczej urządzeniami zasilanymi napięciem niż prądem.

Impedancja wejściowa tranzystora MOSFET mocy jest zwykle bardzo wysoka, co pozwala na pomijalny pobór prądu wejściowego przy niskich częstotliwościach roboczych. Jednak przy wysokich częstotliwościach roboczych impedancja wejściowa jest znacznie niższa ze względu na stosunkowo dużą pojemność wejściową wynoszącą około 500 pf.

Nawet przy tak dużej pojemności wejściowej prąd roboczy o wartości zaledwie 10 miliamperów przechodzi przez stopień sterownika, chociaż szczytowy prąd wyjściowy może być około tysiąc razy większy.

Dodatkowym problemem związanym z bipolarnymi urządzeniami zasilającymi (BJT) jest ich nieco powolny czas przełączania. Zwykle powoduje to szereg problemów, takich jak zniekształcenia wywołane zabijaniem.

To wtedy silny sygnał o wysokiej częstotliwości może wymagać przełączania napięcia wyjściowego, powiedzmy 2 woltów na mikrosekundę, podczas gdy stopień wyjściowy BJT może pozwolić na szybkość narastania tylko jednego wolta na mikrosekundę. Oczywiście wyjście będzie miało trudności z zapewnieniem przyzwoitej reprodukcji sygnału wejściowego, co prowadzi do nieuniknionych zniekształceń.

Niższa szybkość narastania może również nadać wzmacniaczowi niepożądaną szerokość pasma mocy, przy czym najwyższa osiągalna moc wyjściowa znacznie spada przy wyższych częstotliwościach audio.

Opóźnienie fazowe i oscylacje

Innym problemem jest opóźnienie fazowe, które ma miejsce za pośrednictwem stopnia wyjściowego wzmacniacza przy wysokich częstotliwościach i które może spowodować, że sprzężenie zwrotne w układzie ujemnego sprzężenia zwrotnego zmieni się w dodatnie zamiast ujemne przy skrajnie wysokich częstotliwościach.

Gdyby wzmacniacz miał wystarczające wzmocnienie przy takich częstotliwościach, wzmacniacz może przejść w tryb oscylacyjny i brak stabilności będzie nadal zauważalny, nawet jeśli wzmocnienie obwodu nie jest wystarczające, aby wywołać oscylacje.

Ten problem można rozwiązać, dodając elementy obniżające charakterystykę wysokiej częstotliwości obwodu oraz wprowadzając elementy kompensacji fazy. Jednak te względy zmniejszają wydajność wzmacniacza przy wysokich częstotliwościach sygnału wejściowego.

Tranzystory MOSFET są szybsze niż tranzystory BJT

Projektując końcówkę mocy musimy pamiętać, że prędkość przełączania tranzystorów mocy MOSFET jest zwykle około 50 do 100 razy szybszy niż BJT. Dlatego komplikacje związane z gorszą funkcjonalnością wysokich częstotliwości można łatwo przezwyciężyć, stosując tranzystory MOSFET zamiast BJT.

W rzeczywistości możliwe jest tworzenie konfiguracji bez żadnych kompensacja częstotliwości lub fazy części, ale nadal zachowują doskonałą stabilność i obejmują poziom wydajności, który jest utrzymywany dla częstotliwości znacznie przekraczających limit dźwięku dla wysokich częstotliwości.

Kolejną trudnością napotykaną w przypadku bipolarnych tranzystorów mocy jest wtórna awaria. Odnosi się to do pewnego rodzaju ucieczki termicznej, która tworzy „gorącą strefę” w urządzeniu, co powoduje zwarcie na kołkach kolektora / emitera.

Aby tak się nie stało, BJT musi pracować wyłącznie w określonych zakresach prądu i napięcia kolektora. Do każdego obwód wzmacniacza dźwięku sytuacja ta zwykle oznacza, że ​​tranzystory wyjściowe są zmuszone do dobrej pracy w granicach ich ograniczeń termicznych, a zatem optymalna moc wyjściowa, którą można uzyskać z BJT mocy, jest znacznie zmniejszona, znacznie niższa niż pozwalają na to ich najwyższe wartości rozpraszania.

Dzięki Ujemny współczynnik temperaturowy MOSFET-u przy dużych prądach drenowych urządzenia te nie mają problemów z przebiciem wtórnym. W przypadku tranzystorów MOSFET maksymalny dopuszczalny prąd drenu i napięcie drenu są praktycznie ograniczone przez ich funkcję rozpraszania ciepła. Stąd te urządzenia stają się szczególnie dobrze przystosowane do zastosowań we wzmacniaczach audio o dużej mocy.

Wady MOSFET

Pomimo powyższych faktów, MOSFET ma również kilka wad, których jest stosunkowo mniej i są one nieistotne. Początkowo tranzystory MOSFET były bardzo drogie w porównaniu z pasującymi tranzystorami bipolarnymi. Jednak różnica w kosztach stała się znacznie mniejsza w dzisiejszych czasach Kiedy weźmiemy pod uwagę fakt, że tranzystory MOSFET umożliwiają uzyskanie znacznie prostszych obwodów i pośrednią znaczną redukcję kosztów, sprawia, że ​​odpowiednik BJT jest dość trywialny, nawet przy jego niskim koszcie etykietka.

Tranzystory MOSFET mocy często mają podwyższony zniekształcenie w otwartej pętli niż BJT. Jednak ze względu na wysokie wzmocnienie i szybkie prędkości przełączania tranzystory MOSFET mocy pozwalają na zastosowanie wysokiego poziomu ujemnego sprzężenia zwrotnego w całym spektrum częstotliwości audio, oferując niezrównane zniekształcenie w zamkniętej pętli wydajność.

Dodatkową wadą związaną z tranzystorami MOSFET mocy jest ich niższa sprawność w porównaniu do tranzystorów BJT stosowanych w stopniach wyjściowych standardowego wzmacniacza. Powodem tego jest stopień wtórny emitera dużej mocy, który generuje spadek napięcia do około 1 wolta między wejściem a wyjściem, chociaż występuje utrata kilku woltów na wejściu / wyjściu stopnia wtórnika źródła. Nie ma łatwego podejścia do rozwiązania tego problemu, jednak wydaje się, że jest to niewielki spadek wydajności, którego nie należy brać pod uwagę i można je zignorować.

Zrozumienie praktycznego projektu wzmacniacza MOSFET

Poniższy rysunek przedstawia schemat obwodu funkcjonału Wzmacniacz MOSFET o mocy 35 W. obwód. Z wyjątkiem zastosowania MOSFET-u w stopniu wyjściowym wzmacniacza, wszystko w zasadzie wygląda całkiem jak bardzo powszechna konstrukcja wzmacniacza MOSFET.

• Tr1 jest sfałszowany jako wspólny stopień wejściowy emitera , bezpośrednio podłączony do wspólnego stopnia sterownika nadajnika Tr3. Oba te stopnie zapewniają całkowite wzmocnienie napięcia wzmacniacza i obejmują niezwykle duże wzmocnienie całkowite.
• Tr2 wraz z dołączonymi do niego częściami tworzy prosty generator prądu stałego, który ma marginalny prąd wyjściowy 10 miliamperów. Działa to podobnie jak obciążenie głównego kolektora dla Tr3.
• R10 służy do ustalenia prawidłowego spoczynkowy prąd polaryzacji przez tranzystory wyjściowe i jak omówiono wcześniej, stabilizacja termiczna prądu polaryzacji nie jest tak naprawdę uzyskiwana w obwodzie polaryzacji, ale jest raczej zapewniana przez same urządzenia wyjściowe.
• R8 zapewnia praktycznie 100% negatywne opinie od wyjścia wzmacniacza do nadajnika Tr1, pozwalając obwodowi na zwiększenie napięcia o około jedność.
• Rezystory R1, R2 i R4 działają jak sieć dzielnika potencjału, polaryzując stopień wejściowy wzmacniacza, a tym samym wyjście, do mniej więcej połowy napięcia zasilania. Zapewnia to najwyższy osiągalny poziom wyjściowy przed przesterowaniem i rozpoczęciem krytycznego zniekształcenia.
• R1 i C2 są używane jako obwód filtrujący, który eliminuje buczenie i inne formy potencjalnych szumów w przewodach zasilających, przed wejściem na wejście wzmacniacza przez obwód polaryzacji.
• R3 i C5 działają jak pliki Filtr RF co zapobiega przerywaniu sygnałów RF z wejścia na wyjście, powodując słyszalne zakłócenia. C4 pomaga również rozwiązać ten sam problem, skutecznie obniżając odpowiedź częstotliwościową wzmacniacza powyżej górnej granicy częstotliwości dźwięku.
• Aby zapewnić, że wzmacniacz uzyska dobre wzmocnienie napięcia przy słyszalnych częstotliwościach, staje się to niezbędne oddzielić negatywne sprzężenie zwrotne do pewnego stopnia.
• C7 pełni rolę kondensator odsprzęgający , podczas gdy rezystor R6 ogranicza ilość usuwanych sprzężeń zwrotnych.
• Obwód wzmocnienie napięcia jest w przybliżeniu określana przez podzielenie R8 przez R6 lub około 20 razy (26 dB) z przypisanymi wartościami części.
• Maksymalne napięcie wyjściowe wzmacniacza będzie wynosić 16 V RMS, co pozwala na osiągnięcie czułości wejściowej około 777 mV RMS w celu uzyskania pełnej mocy wyjściowej. Impedancja wejściowa może przekraczać 20k.
• C3 i C8 są stosowane odpowiednio jako wejściowe i wyjściowe kondensatory sprzęgające. C1 umożliwia odsprzężenie zasilania DC.
• R11 i C9 służą wyłącznie do ułatwienia i kontrolowania stabilności wzmacniacza, działając jak popularne Sieć Zobel , które często znajdują się wokół stopni wyjściowych większości konstrukcji półprzewodnikowych wzmacniaczy mocy.

Analiza wydajności

Prototypowy wzmacniacz wydaje się działać niewiarygodnie dobrze, zwłaszcza gdy zauważymy dość prostą konstrukcję urządzenia. Pokazany obwód konstrukcyjny wzmacniacza MOSFET na szczęście wyprowadzi 35 W RMS przy obciążeniu 8 omów.

• Plik Całkowite zniekształcenia harmoniczne nie będzie więcej niż około 0,05%. Prototyp był analizowany tylko pod kątem częstotliwości sygnału około 1 kHz.
• Jednak obwód wzmocnienie w otwartej pętli okazało się praktycznie stałe w całym zakresie częstotliwości audio.
• Plik pasmo przenoszenia w zamkniętej pętli został zmierzony przy -2 dB przy sygnałach około 20 Hz i 22 kHz.
• Wzmacniacz stosunek sygnału do szumu (bez podłączonego głośnika) były wyższe niż wartość 80 dB, chociaż w rzeczywistości może istnieć możliwość niewielkiej ilości buczenie rąk od wykrycia zasilania na głośnikach, ale poziom może być zbyt niski, aby usłyszeć w normalnych warunkach.

Zasilacz

Powyższy obrazek przedstawia odpowiednio skonfigurowany zasilacz dla 35-watowego wzmacniacza MOSFET. Zasilacz może mieć odpowiednią moc, aby obsługiwać model urządzenia mono lub stereo.

W rzeczywistości zasilacz składa się z kilku wydajnych prostowników przeciwsobnych i obwodów wygładzających, których wyjścia są połączone szeregowo, aby zapewnić całkowite napięcie wyjściowe odpowiadające dwukrotności potencjału przyłożonego przez pojedynczy prostownik i obwód filtra pojemnościowego.

Diody D4, D6 i C10 stanowią jedną konkretną część zasilacza, podczas gdy druga sekcja jest dostarczana przez D3, D5 i C11. Każdy z nich oferuje nieco poniżej 40 V bez podłączonego obciążenia i całkowite napięcie 80 V bez obciążenia.

Wartość ta może spaść do około 77 woltów, gdy wzmacniacz jest obciążony stereofonicznym sygnałem wejściowym w stanie spoczynkowym, a do około 60 woltów, gdy dwa kanały wzmacniacza pracują z pełną lub maksymalną mocą.

Wskazówki konstrukcyjne

Idealny układ PCB dla 35-watowego wzmacniacza MOSFET przedstawiono na poniższych rysunkach.

Jest to przeznaczone dla jednego kanału obwodu wzmacniacza, więc naturalnie dwie takie płytki muszą być zmontowane, gdy potrzebny jest wzmacniacz stereo. Tranzystory wyjściowe z pewnością nie są umieszczone na płytce drukowanej, a raczej na dużym żebrowanym typie.

Nie ma konieczności stosowania zestawu izolacyjnego z miki do tranzystorów podczas mocowania ich na radiatorze. Dzieje się tak, ponieważ źródła MOSFET są bezpośrednio połączone z metalowymi zaczepami, a te piny źródłowe muszą i tak pozostać połączone ze sobą.

Jednakże, ponieważ nie są izolowane od radiatora, może być naprawdę ważne, aby upewnić się, że radiatory nie wchodzą w kontakt elektryczny z różnymi innymi częściami wzmacniacza.

Ponadto, w przypadku realizacji stereofonicznej, poszczególne radiatory zastosowane w parze wzmacniaczy nie powinny mieć możliwości elektrycznego zbliżenia się do siebie. Zawsze upewnij się, że używasz krótszych przewodów o maksymalnej długości około 50 mm, aby połączyć tranzystory wyjściowe z PCB.

Jest to szczególnie istotne w przypadku przewodów, które łączą się z zaciskami bramkowymi wyjściowych tranzystorów MOSFET. Ze względu na fakt, że tranzystory MOSFET mocy mają duże wzmocnienie przy wysokich częstotliwościach, dłuższe przewody mogą poważnie wpłynąć na stabilność odpowiedzi wzmacniacza, a nawet wywołać oscylacje RF, które z kolei mogą spowodować trwałe uszkodzenie tranzystorów MOSFET mocy.

To powiedziawszy, praktycznie nie ma trudności z przygotowaniem projektu zapewniającego efektywne trzymanie tych przewodów jako krótsze. Warto zauważyć, że C9 i R11 są zamontowane na zewnątrz płytki drukowanej i są po prostu połączone szeregowo w poprzek gniazda wyjściowego.

Wskazówki dotyczące konstrukcji zasilacza

Obwód zasilania jest zbudowany poprzez zastosowanie okablowania typu punkt-punkt, jak pokazano na poniższym rysunku.

W rzeczywistości wygląda to dość oczywiste, niemniej jednak zapewnia się, że kondensatory C10 i C11 oba typy składają się z atrapy znacznika. Jeśli tak nie jest, kluczowe może być zastosowanie paska tagów, aby umożliwić kilka portów połączeń. Przywieszka lutownicza jest przytwierdzona do jednej konkretnej śruby mocującej T1, która zapewnia punkt połączenia podwozia dla przewodu uziemiającego sieci zasilającej.

Regulacja i ustawienia

1. Przed włączeniem zasilania należy dokładnie sprawdzić połączenia przewodów, ponieważ błędy w okablowaniu mogą spowodować kosztowne zniszczenia iz pewnością mogą być niebezpieczne.
2. Przed włączeniem obwodu należy przyciąć R10 tak, aby uzyskać minimalny opór (obrócić całkowicie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara).
3. Przy chwilowym wyjęciu FS1 i podłączeniu multimetru do pomiaru 500 mA FSD nad oprawką bezpiecznika, podczas włączania wzmacniacza na mierniku musi być widoczny odczyt około 20 mA (może to być 40 mA, gdy używany jest dwukanałowy dźwięk stereo).
4. W przypadku stwierdzenia, że ​​odczyt licznika znacznie różni się od tego, natychmiast wyłącz zasilanie i ponownie sprawdź całe okablowanie. Wręcz przeciwnie, jeśli wszystko jest w porządku, powoli przesuwaj R10, aby zmaksymalizować odczyt licznika do wartości 100 mA.
5. Jeśli potrzebny jest wzmacniacz stereo, R10 na obu kanałach musi zostać dostrojony, aby prąd pobierał do 120 mA, a następnie R10 w drugim kanale musi zostać dostrojony, aby zwiększyć zużycie prądu do 200 mA. Po wykonaniu tych czynności wzmacniacz MOSFET jest gotowy do użycia.
6. Należy zachować szczególną ostrożność, aby nie dotknąć żadnego z przyłączy zasilania sieciowego podczas wykonywania procedur konfiguracyjnych wzmacniacza.
7. Wszystkie nieosłonięte okablowanie lub połączenia kablowe, które mogą znajdować się pod napięciem sieci AC, należy odpowiednio zaizolować przed podłączeniem urządzenia do sieci zasilającej.
8. Nie trzeba dodawać, że jak w przypadku każdego obwodu zasilanego prądem przemiennym, powinien on być zamknięty w solidnej obudowie, którą można było odkręcić tylko za pomocą dedykowanego śrubokręta i innego zestawu narzędzi, aby upewnić się, że nie ma żadnych szybkich środków, aby dotrzeć do niebezpiecznego okablowanie sieciowe i wypadki są bezpiecznie wyeliminowane.

Lista części do 35-watowego wzmacniacza mocy MOSFET

Obwód aplikacyjny wzmacniacza MOSFET 120W

W zależności od specyfikacji zasilacza praktyczne Wzmacniacz MOSFET o mocy 120 W. Obwód jest w stanie oferować moc wyjściową w zakresie od około 50 do 120 W RMS w głośniku 8 omów.

Ta konstrukcja zawiera również tranzystory MOSFET na stopniu wyjściowym, aby zapewnić najwyższy poziom ogólnej wydajności, nawet przy dużej prostocie obwodu

Całkowite zniekształcenie harmoniczne wzmacniacza wynosi nie więcej niż 0,05%, ale tylko wtedy, gdy obwód nie jest przeciążony, a stosunek sygnału do szumu jest wyższy niż 100 dB.

Zrozumienie etapów wzmacniacza MOSFET

Jak pokazano powyżej, ten obwód został zaprojektowany w odniesieniu do układu Hitachi. W przeciwieństwie do ostatniego projektu, obwód ten wykorzystuje sprzężenie DC dla głośnika i zawiera podwójny symetryczny zasilacz ze środkowym 0 V i szyną uziemiającą.

To ulepszenie eliminuje zależność od dużych kondensatorów sprzęgających na wyjściu, a także słabą wydajność przy niskich częstotliwościach generowanych przez ten kondensator. Co więcej, taki układ pozwala również obwodowi na przyzwoitą zdolność tłumienia tętnień zasilania.

Oprócz funkcji sprzężenia DC, projekt obwodu wydaje się dość odmienny od tego, który zastosowano we wcześniejszym projekcie. Tutaj zarówno stopnie wejściowe, jak i sterujące zawierają wzmacniacze różnicowe.

Stopień wejściowy jest konfigurowany za pomocą Tr1 i Tr2, podczas gdy stopień sterownika jest zależny od Tr3 i Tr4.

Tranzystor Tr5 jest skonfigurowany jak a stałe obciążenie kolektora prądem dla Tr4. Ścieżka sygnału za pomocą wzmacniacza rozpoczyna się od wejściowego kondensatora sprzęgającego C1 wraz z filtrem RF R1 / C4. R2 służy do polaryzacji wejścia wzmacniacza na centralnej ścieżce zasilania 0V.

Tr1 jest okablowany jako wydajny a wspólny wzmacniacz emitera który ma wyjście bezpośrednio podłączone do Tr4, który jest stosowany jako wspólny stopień sterownika emitera. Od tego etapu sygnał audio jest połączony z Tr6 i Tr7, które są skonfigurowane jako uzupełniający stopień wyjściowy wtórnika źródłowego.

Plik negatywne opinie jest wyciągany z wyjścia wzmacniacza i łączony z bazą Tr2 i pomimo tego, że nie ma inwersji sygnału przez bazę Tr1 do wyjścia wzmacniacza, to istnieje inwersja w poprzek bazy Tr2 i wyjścia. Dzieje się tak, ponieważ Tr2 działający jak popychacz emitera doskonale napędza emiter Tr1.

Gdy sygnał wejściowy jest przyłożony do nadajnika Tr1, tranzystory z powodzeniem działają jak wspólny etap podstawowy . Dlatego, chociaż inwersja nie odbywa się za pomocą Tr1 i Tr2, inwersja zachodzi przez Tr4.

Ponadto zmiana fazy nie występuje na stopniu wyjściowym, co oznacza, że ​​wzmacniacz i podstawa Tr2 mają tendencję do pozostawania w fazie poza fazą, aby wykonać wymagane wymagane ujemne sprzężenie zwrotne. Wartości R6 i R7 sugerowane na schemacie zapewniają około 28-krotny wzrost napięcia.

Jak dowiedzieliśmy się z naszych poprzednich dyskusji, niewielką wadą tranzystorów MOSFET mocy jest to, że stają się mniej wydajne niż tranzystory BJT, gdy są połączone przewodem przez tradycyjny stopień wyjściowy klasy B. Również względna sprawność tranzystorów MOSFET mocy staje się raczej niska w przypadku obwodów dużej mocy, które wymagają, aby napięcie bramki / źródła miało kilka napięć dla dużych prądów źródła.

Można założyć, że maksymalne wahanie napięcia wyjściowego jest równe napięciu zasilania pomniejszonemu o maksymalne napięcie bramki do źródła pojedynczego tranzystora, co z pewnością umożliwia wahania napięcia wyjściowego, które mogą być znacznie mniejsze niż przyłożone napięcie zasilania.

Prostym sposobem uzyskania wyższej wydajności byłoby w zasadzie włączenie kilku podobnych tranzystorów MOSFET podłączonych równolegle do każdego z tranzystorów wyjściowych. Największa ilość prądu obsługiwana przez każdy wyjściowy tranzystor MOSFET zostanie wtedy mniej więcej zmniejszona o połowę, a maksymalne napięcie od źródła do bramki każdego tranzystora MOSFET zostanie odpowiednio obniżone (wraz z proporcjonalnym wzrostem wahań napięcia wyjściowego wzmacniacza).

Jednak podobne podejście nie działa w przypadku urządzeń bipolarnych, a to głównie z powodu ich dodatni współczynnik temperaturowy cechy. Jeśli jedno konkretne wyjście BJT zacznie pobierać nadmierny prąd niż drugie (ponieważ żadne dwa tranzystory nie będą miały dokładnie identycznej charakterystyki), jedno urządzenie zaczyna się bardziej nagrzewać niż drugie.

Ta podwyższona temperatura powoduje zmniejszenie napięcia progowego emitera / podstawy BJT, w wyniku czego zaczyna on zużywać znacznie większą część prądu wyjściowego. Sytuacja powoduje następnie nagrzewanie się tranzystora i proces ten trwa w nieskończoność, dopóki jeden z tranzystorów wyjściowych nie zacznie obsługiwać całego obciążenia, podczas gdy drugi pozostaje nieaktywny.

Tego rodzaju problemu nie można zobaczyć w przypadku tranzystorów MOSFET mocy ze względu na ich ujemny współczynnik temperaturowy. Kiedy jeden tranzystor MOSFET zaczyna się nagrzewać, z powodu jego ujemnego współczynnika temperaturowego rosnące ciepło zaczyna ograniczać przepływ prądu przez jego dren / źródło.

To przesuwa nadmiar prądu w kierunku drugiego tranzystora MOSFET, który teraz zaczyna się nagrzewać, i podobnie ciepło powoduje, że prąd przez niego proporcjonalnie się zmniejsza.

Sytuacja tworzy zrównoważony udział prądu i rozpraszanie w urządzeniach, dzięki czemu wzmacniacz działa bardzo wydajnie i niezawodnie. Zjawisko to również pozwala MOSFET-y do połączenia równoległego po prostu łącząc ze sobą przewody wlotowe, źródłowe i odpływowe, bez wykonywania wielu obliczeń i problemów.

Zasilacz do 120-watowego wzmacniacza MOSFET

Powyżej wskazano odpowiednio zaprojektowany obwód zasilania 120-watowego wzmacniacza MOSFET. Wygląda to bardzo podobnie do obwodu zasilania z naszego wcześniejszego projektu.

Jedyną różnicą było to, że zasilanie odczepów centralnych transformatora na styku dwóch kondensatorów wygładzających zostało początkowo pominięte. W niniejszym przykładzie jest to zwykle stosowane do zapewnienia pośredniego uziemienia 0 V, podczas gdy uziemienie sieci również jest podłączane do tego skrzyżowania zamiast do ujemnej szyny zasilającej.

Możesz znaleźć bezpieczniki instalowane na obu szynach dodatnich i ujemnych. Moc wyjściowa dostarczana przez wzmacniacz w dużej mierze zależy od specyfikacji transformatora sieciowego. W przypadku większości wymagań toroidalny transformator sieciowy 35 - 0 - 35 V 160 VA powinien być wystarczający.

Jeśli tryb stereo jest preferowane, transformator będzie musiał zostać zastąpiony cięższym transformatorem 300 VA. Alternatywnie, izolowane zasilacze mogą być zbudowane przy użyciu transformatora 160VA każdy na każdy kanał.

Pozwala to na napięcie zasilania około 50 V w stanie spoczynku, chociaż przy pełnym obciążeniu poziom ten może spaść do znacznie niższego poziomu. Umożliwia to uzyskanie mocy wyjściowej do około 70 W RMS przez głośniki o wartości znamionowej 8 omów.

Kluczową kwestią, na którą należy zwrócić uwagę, jest to, że diody 1N5402 zastosowane w prostowniku mostkowym mają maksymalny dopuszczalny prąd znamionowy 3 amperów. Może to wystarczyć dla wzmacniacza jednokanałowego, ale może nie wystarczyć dla wersji stereo. W przypadku wersji stereo diody należy wymienić na diody 6 A lub diody 6A4.

Układy PCB

Możesz znaleźć pełnoprawną płytkę drukowaną do budowy własnego 120-watowego obwodu wzmacniacza MOSFET. Wskazane 4 urządzenia MOSFET powinny być podłączone za pomocą dużych radiatorów żebrowanych, które muszą być oceniane na minimum 4,5 stopnia Celsjusza na wat.

Środki ostrożności dotyczące okablowania

• Upewnij się, że końcówki pinów MOSFET są możliwie najkrótsze, które nie mogą mieć więcej niż około 50 mm długości.
• Jeśli chcesz zachować je trochę dłużej, pamiętaj o dodaniu rezystora o niskiej wartości (może to być 50 omów 1/4 wata) z bramką każdego z tranzystorów MOSFET.
• Ten rezystor będzie odpowiadał pojemnością wejściową MOSFET i działał jak filtr dolnoprzepustowy, zapewniając lepszą stabilność częstotliwości dla wejścia sygnału wysokiej częstotliwości.
• Jednak przy sygnałach wejściowych o wysokiej częstotliwości rezystory te mogą mieć pewien wpływ na wydajność wyjściową, ale w rzeczywistości może to być zbyt małe i ledwo zauważalne.
• Tranzystor Tr6 w rzeczywistości składa się z dwóch n-kanałowych tranzystorów MOSFET połączonych równolegle, to samo dotyczy Tr7, który również ma kilka równoległych tranzystorów MOSFET-kanałowych.
• Aby zaimplementować to równoległe połączenie, bramka, odpływ, źródło odpowiednich par MOSFET są po prostu łączone ze sobą, to wszystko jest takie proste.
• Należy również pamiętać, że kondensator C8 i rezystor R13 są instalowane bezpośrednio na gnieździe wyjściowym, a nie montowane na PCB.
• Być może najbardziej efektywną metodą budowy zasilacza jest okablowanie na stałe, tak jak w przypadku zasilacza wykonanego dla poprzedniego wzmacniacza. Okablowanie jest takie samo jak w tym poprzednim obwodzie.

Regulacje i ustawienia

1. Przed włączeniem zasilania kompletnego obwodu wzmacniacza, upewnij się, że kilkakrotnie dokładnie sprawdziłeś każde okablowanie.
2. W szczególności sprawdź okablowanie zasilające i odpowiednie połączenia między tranzystorami MOSFET mocy wyjściowej.
3. Błędy wokół tych połączeń mogą szybko doprowadzić do trwałego uszkodzenia wzmacniacza.
4. Będziesz także musiał dokonać kilku wcześniejszych regulacji, zanim włączysz gotową płytę.
5. Rozpocznij od całkowitego obrócenia presetu R11 w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara i nie podłączaj początkowo głośnika do wyjścia urządzenia.
6. Następnie, zamiast głośnika, podłącz sondy multimetru (ustawione na zakres niskiego napięcia DC) do punktów wyjściowych wzmacniacza i upewnij się, że pokazuje niskie spoczynkowe napięcie wyjściowe.
7. Możesz znaleźć miernik pokazujący ułamkowe napięcie lub może nie być w ogóle napięcia, co również jest w porządku.
8. W przypadku, gdy miernik wskaże wysokie napięcie DC, należy natychmiast wyłączyć wzmacniacz i ponownie sprawdzić, czy nie ma błędów w okablowaniu.

Wniosek

W powyższym artykule obszernie omówiliśmy wiele parametrów, które odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu prawidłowej i optymalnej pracy wzmacniacza mocy.

Wszystkie te parametry są standardowe i dlatego mogą być skutecznie wykorzystywane i stosowane podczas projektowania dowolnego obwodu wzmacniacza mocy MOSFET, niezależnie od specyfikacji mocy i napięcia.

Różne charakterystyki wyszczególnione w odniesieniu do urządzeń BJT i ​​MOSFET mogą zostać wykorzystane przez projektanta do wdrożenia lub dostosowania pożądanego obwodu wzmacniacza mocy.