Mạch khuếch đại công suất 100 Watt sử dụng mosfet

Bộ khuếch đại công suất là một phần của thiết bị điện tử âm thanh. Nó được thiết kế để tối đa hóa độ lớn của tín hiệu đầu vào cho trước. Trong thiết bị điện tử âm thanh, bộ khuếch đại hoạt động làm tăng điện áp của tín hiệu, nhưng không thể cung cấp dòng điện cần thiết để truyền tải. Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ xây dựng một mạch khuếch đại công suất đầu ra 100W RMS sử dụng MOSFETs và bóng bán dẫn với một loa trở kháng 4 Ohms được kết nối với nó.

Cấu trúc liên kết xây dựng cho bộ khuếch đại

Trong hệ thống chuỗi khuếch đại, bộ khuếch đại công suất được sử dụng ở giai đoạn cuối cùng hoặc giai đoạn cuối trước khi tải. Nói chung, hệ thống Bộ khuếch đại âm thanh sử dụng cấu trúc liên kết dưới đây được hiển thị trong sơ đồ khối

Như bạn thấy trong sơ đồ khối trên, Bộ khuếch đại công suất là giai đoạn cuối cùng được kết nối trực tiếp với tải. Nói chung, trước Bộ khuếch đại công suất, tín hiệu được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng Bộ khuếch đại tiền và bộ khuếch đại điều khiển điện áp. Ngoài ra, trong một số trường hợp, khi cần điều khiển âm sắc, mạch điều chỉnh âm sắc sẽ được thêm vào trước Bộ khuếch đại công suất.

Biết tải của bạn

Trong trường hợp của hệ thống Bộ khuếch đại âm thanh, tải và khả năng dẫn tải của bộ khuếch đại là một khía cạnh quan trọng trong xây dựng. Các phụ tải lớn cho một sức mạnh Amplifier là Loud Speaker. Đầu ra của bộ khuếch đại công suất phụ thuộc vào trở kháng tải, vì vậy việc kết nối một tải không phù hợp có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của Bộ khuếch đại công suất cũng như độ ổn định.

Loa Loud là một tải rất lớn hoạt động như một tải Cảm ứng và Điện trở. Bộ khuếch đại công suất cung cấp đầu ra AC, do đó, trở kháng của loa là yếu tố quan trọng để truyền công suất thích hợp.

Trở kháng là điện trở hiệu dụng của mạch điện tử hoặc linh kiện đối với dòng điện xoay chiều, phát sinh từ các hiệu ứng tổng hợp liên quan đến điện trở và điện kháng ohmic.

Trong Điện tử âm thanh, các loại Loa có công suất khác nhau với trở kháng khác nhau. Trở kháng của loa có thể được hiểu rõ nhất bằng cách sử dụng mối quan hệ giữa lưu lượng nước bên trong ống. Cứ nghĩ loa là một ống nước, nước chảy qua ống chính là tín hiệu âm thanh xoay chiều. Lúc này, nếu đường kính ống càng lớn thì nước sẽ dễ dàng chảy qua ống, thể tích nước sẽ lớn hơn, và nếu ta giảm đường kính thì lượng nước chảy qua ống càng ít, do đó thể tích nước sẽ là thấp hơn. Đường kính là hiệu ứng được tạo ra bởi điện trở và điện trở ohmic. Nếu ống có đường kính lớn hơn, trở kháng sẽ thấp, do đó loa có thể nhận được nhiều công suất hơn và bộ khuếch đại cung cấp kịch bản truyền công suất nhiều hơn và nếu trở kháng cao thì Bộ khuếch đại sẽ cung cấp ít công suất hơn cho loa.

Có nhiều sự lựa chọn khác nhau cũng như phân khúc loa khác nhau có sẵn trên thị trường, thường có 4 ohms, 8 ohms, 16 ohms và 32 ohms, trong đó loa 4 và 8 ohms được bán rộng rãi với mức giá rẻ. Ngoài ra, chúng ta cần hiểu rằng, một bộ khuếch đại có 5 Watt, 6 Watt hoặc 10 Watt hoặc thậm chí hơn là công suất RMS (Root Mean Square), được bộ khuếch đại phân phối đến một tải cụ thể trong hoạt động liên tục.

Vì vậy, chúng ta cần phải cẩn thận về xếp hạng loa, xếp hạng bộ khuếch đại, hiệu suất loa và trở kháng.

Cấu tạo mạch khuếch đại âm thanh 100W đơn giản

Trong các hướng dẫn trước, chúng tôi đã thực hiện bộ khuếch đại công suất 10W, bộ khuếch đại công suất 25W và bộ khuếch đại công suất 50W. Nhưng trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ thiết kế một bộ khuếch đại công suất đầu ra 100 Watt RMS sử dụng MOSFET.

Trong cấu tạo của Bộ khuếch đại 100 Watt, nhiều bóng bán dẫn và MOSFET được sử dụng. Chúng ta hãy xem thông số kỹ thuật và sơ đồ chân của MOSFETs và bóng bán dẫn quan trọng. Trong giai đoạn khuếch đại của bộ khuếch đại, chúng tôi sử dụng bóng bán dẫn điện áp cao MPSA43. Nó là một bóng bán dẫn NPN điện áp cao hoạt động như một Bộ khuếch đại. Chân ra của bóng bán dẫn MPSA43 NPN là-

Chúng tôi đã sử dụng hai bóng bán dẫn công suất trung bình bổ sung MJE350 và MJE340. MJE350 là một bóng bán dẫn PNP 500 mA trong gói TO-225 và cặp bóng bán dẫn NPN giống hệt nhau là MJE340. MJE340 có cùng thông số kỹ thuật với MJE350, nhưng nó là một bóng bán dẫn công suất trung bình NPN.

Sơ đồ sơ đồ cho cả hai được đưa ra bên dưới-

Trong giai đoạn cuối, hai Power MOSFETs IRFP244 và IRFP9240 được sử dụng. Sự kết hợp của cả hai cung cấp công suất 100 Watt RMS trên Tải 4 Ohms.

Các thành phần bắt buộc cho mạch khuếch đại công suất

Bảng Vero (chấm hoặc kết nối bất kỳ ai cũng có thể sử dụng được)
Sắt hàn
Dây hàn
Kềm và dụng cụ tuốt dây
Dây điện
Đầu nối âm thanh theo yêu cầu
Tản nhiệt nhôm mịn với độ dày 5mm và kích thước 90 mm x 45mm.
Nguồn điện từ đường sắt đến đường sắt 40V với đầu ra đường ray + 40V GND -40V
Loa 4 Ohms 100 Watt
Điện trở 1/4 ^th Watt (39R, 390R, 1k, 1.5k, 4.7k, 15k, 22k, 33k, 47k, 150k) - 1nos.
Điện trở 330R 1/4 ^th Watt - 3 chiếc
10R Điện trở 10 Watt
0,33R - 7 Watt - 2 chiếc
0,22R - 10 Watt
Tụ điện 100nF 100V - 2 chiếc
Tụ điện 100V 47uF
470pF 100V
470nF 63V
10pF 100V
1n4002 Diode
IRFP244
IRF9240
MJE350
MJE340
BC546 - 2 chiếc
MPSA43 - 3 chiếc

Sơ đồ và giải thích mạch khuếch đại âm thanh 100W

Sơ đồ cho Bộ khuếch đại âm thanh 100 watt này có một số giai đoạn. Khi bắt đầu khuếch đại giai đoạn đầu tiên, một phần bộ lọc chặn những tiếng ồn tần số không mong muốn. Phần bộ lọc này được tạo bằng R3, R4 và C1, C2.

Trên tầng thứ hai của mạch, Q1 và Q2, là các bóng bán dẫn MPSA43, hoạt động như bộ khuếch đại vi sai và đưa tín hiệu đến tầng khuếch đại tiếp theo.

Tiếp theo, khuếch đại công suất được thực hiện trên hai MOSFET, IRFP244N và IRF9240. Hai MOSFET này là phần quan trọng của mạch. Hai MOSFET này hoạt động như một trình điều khiển push-pull (Một cấu trúc hoặc cấu trúc liên kết khuếch đại được sử dụng rộng rãi). Để điều khiển hai MOSFET này Q5 và Q7, các bóng bán dẫn MJE350 và MJE340 được sử dụng. Hai bóng bán dẫn công suất này cung cấp đủ dòng điện để điều khiển MOSFET. R15 và R14 là điện trở giới hạn dòng điện để bảo vệ cổng MOSFET khỏi dòng điện khởi động. Điều tương tự cũng xảy ra đối với R12 và R13 để bảo vệ tải đầu ra khỏi ổ dòng khởi động. R18 là một điện trở có công suất cao, hoạt động như kẹp mạch với tụ điện 100nF. R16 cũng cung cấp bảo vệ quá dòng bổ sung.

Kiểm tra mạch Khuếch đại 100 watt

Chúng tôi đã sử dụng các công cụ mô phỏng Proteus để kiểm tra đầu ra của mạch; chúng tôi đã đo đầu ra trong máy hiện sóng ảo. Bạn có thể kiểm tra toàn bộ Video trình diễn dưới đây

Chúng tôi đang cấp nguồn cho mạch bằng +/- 40V và tín hiệu hình sin đầu vào được cung cấp. Kênh A (Vàng) của máy hiện sóng được kết nối qua đầu ra với tải 4 ohms và tín hiệu đầu vào được kết nối qua kênh B (Xanh lam).

Chúng ta có thể thấy sự khác biệt đầu ra giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra khuếch đại trong video: -

Ngoài ra, chúng tôi đã kiểm tra công suất đầu ra, công suất của Bộ khuếch đại phụ thuộc nhiều vào nhiều thứ, như đã thảo luận trước đây. Nó phụ thuộc nhiều vào trở kháng của loa, hiệu suất của loa, hiệu suất của Bộ khuếch đại, cấu trúc cấu trúc, tổng độ méo hài, v.v. Chúng tôi không thể xem xét hoặc tính toán tất cả các yếu tố có thể tạo ra sự phụ thuộc vào công suất bộ khuếch đại. Mạch đời thực khác với mô phỏng vì cần xem xét nhiều yếu tố trong khi kiểm tra hoặc thử nghiệm đầu ra.

Tính toán công suất bộ khuếch đại

Chúng tôi đã sử dụng một công thức đơn giản để tính toán công suất của bộ khuếch đại-

Công suất bộ khuếch đại = V ² / R

Chúng tôi đã kết nối một đồng hồ đa AC trên đầu ra. Điện áp xoay chiều được hiển thị trong đồng hồ đa năng là điện áp xoay chiều đỉnh đến đỉnh.

Chúng tôi cung cấp tín hiệu hình sin tần số rất thấp 25-50Hz. Như ở tần số thấp, bộ khuếch đại sẽ cung cấp nhiều dòng điện hơn cho tải và đồng hồ vạn năng sẽ có thể phát hiện đúng điện áp AC.

Đồng hồ vạn năng hiển thị + 20,9V AC. Vì vậy, theo công thức, đầu ra của bộ khuếch đại công suất ở tải 4 Ohms là

Khuếch đại Công suất 20,9 = ² /4 khuếch đại Công suất = 109,20 (hơn 100W xấp xỉ)

Những điều cần nhớ khi chế tạo bộ khuếch đại âm thanh 100w

Khi xây dựng mạch, MOSFET cần được kết nối với bộ tản nhiệt đúng cách ở tầng khuếch đại công suất. Bộ tản nhiệt lớn hơn mang lại kết quả tốt hơn. Các bóng bán dẫn công suất Q5 và Q7 cần được tản nhiệt thích hợp với các tản nhiệt nhôm hình chữ U nhỏ.
Tốt nên sử dụng tụ điện loại hộp xếp hạng âm thanh để có kết quả tốt hơn.
Sử dụng PCB cho ứng dụng liên quan đến Âm thanh luôn là một lựa chọn tốt.
Làm cho dấu vết của bộ khuếch đại vi sai ngắn và càng gần dấu vết đầu vào càng tốt.
Giữ cho đường dây tín hiệu âm thanh được tách biệt khỏi đường dây điện ồn ào.
Hãy cẩn thận về độ dày vết. Vì đây là thiết kế 100 Watt, cần có đường dẫn dòng điện lớn hơn, vì vậy hãy tối đa hóa chiều rộng vết. Tốt hơn là sử dụng bảng đồng 70 micron ở bố cục hai mặt với vias tối đa để có dòng điện tốt hơn.
Mặt phẳng đất cần được tạo trên toàn mạch. Giữ cho đường trở lại mặt đất càng ngắn càng tốt.

Đạt được kết quả tốt hơn

Trong thiết kế 100 Watt này, có thể thực hiện một số cải tiến để có đầu ra tốt hơn.

Thêm tụ điện tách rời 4700uF với định mức ít nhất 100V trên đường nguồn tích cực và tiêu cực.
Sử dụng điện trở MFR được xếp hạng 1% để có độ ổn định tốt hơn.
Thay đổi diode 1N4002 bằng UF4007.
Thay đổi R11 bằng chiết áp 1k để kiểm soát dòng điện tĩnh trên các MOSFET công suất.
Thêm Cầu chì trên đầu ra, Nó sẽ bảo vệ mạch trên loa quá tải hoặc tình trạng ngắn mạch đầu ra.

Ngoài ra, hãy kiểm tra các mạch khuếch đại âm thanh khác:

Bộ khuếch đại âm thanh 40 Watt sử dụng TDA2040
Mạch Khuếch đại Âm thanh 25 Watt
Bộ khuếch đại âm thanh 10 Watt sử dụng Op-Amp
Mạch Khuếch đại Công suất 50 Watt sử dụng MOSFETs