100 Watt Leistungsverstärkerschaltung mit Mosfet

Leistungsverstärker ist der Teil der Audioelektronik. Es wurde entwickelt, um die Größe der Leistung f bei gegebenem Eingangssignal zu maximieren. In der Tonelektronik erhöht der Operationsverstärker die Spannung des Signals, kann jedoch nicht den Strom liefern, der zum Ansteuern einer Last erforderlich ist. In diesem Tutorial bauen wir eine 100-W-RMS-Ausgangsleistungsverstärkerschaltung unter Verwendung von MOSFETs und Transistoren mit einem daran angeschlossenen 4-Ohm-Impedanzlautsprecher auf.

Konstruktionstopologie für Verstärker

In einem Verstärkerkettensystem wird der Leistungsverstärker in der letzten oder letzten Stufe vor dem Laden verwendet. Im Allgemeinen verwendet das Schallverstärkersystem die im Blockdiagramm gezeigte Topologie

Wie Sie im obigen Blockdiagramm sehen können, ist der Leistungsverstärker die letzte Stufe, die direkt an die Last angeschlossen ist. Im Allgemeinen wird das Signal vor dem Leistungsverstärker unter Verwendung von Vorverstärkern und Spannungsverstärkern korrigiert. In einigen Fällen, in denen eine Tonsteuerung erforderlich ist, wird die Tonsteuerschaltung vor dem Leistungsverstärker hinzugefügt.

Kennen Sie Ihre Last

Im Falle eines Audioverstärkersystems ist die Last und die Lastantriebskapazität des Verstärkers ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion. Die Hauptlast für einen Leistungsverstärker ist der Lautsprecher. Die Leistung des Leistungsverstärkers hängt von der Lastimpedanz ab. Das Anschließen einer falschen Last kann daher den Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers sowie die Stabilität beeinträchtigen.

Lautsprecher ist eine große Last, die als induktive und resistive Last wirkt. Der Leistungsverstärker liefert einen Wechselstromausgang. Aus diesem Grund ist die Impedanz des Lautsprechers ein kritischer Faktor für eine ordnungsgemäße Leistungsübertragung.

Die Impedanz ist der effektive Widerstand einer elektronischen Schaltung oder Komponente für Wechselstrom, der sich aus den kombinierten Effekten in Bezug auf den ohmschen Widerstand und die Reaktanz ergibt.

In der AudioelektronikVerschiedene Arten von Lautsprechern sind in verschiedenen Wattagen mit unterschiedlicher Impedanz erhältlich. Die Lautsprecherimpedanz kann am besten anhand der Beziehung zwischen dem Wasserfluss in einem Rohr verstanden werden. Stellen Sie sich den Lautsprecher als Wasserleitung vor. Das durch die Leitung fließende Wasser ist das abwechselnde Audiosignal. Wenn das Rohr einen größeren Durchmesser hat, fließt das Wasser leicht durch das Rohr, das Wasservolumen wird größer, und wenn wir den Durchmesser verringern, fließt weniger Wasser durch das Rohr, sodass das Wasservolumen größer wird niedriger. Der Durchmesser ist der Effekt, der durch den ohmschen Widerstand und die Reaktanz erzeugt wird. Wenn der Durchmesser des Rohrs größer wird, ist die Impedanz niedrig, sodass der Lautsprecher mehr Leistung erhalten kann und der Verstärker mehr Leistungsübertragungsszenarien bietet. Wenn die Impedanz hoch wird, liefert der Verstärker weniger Leistung an den Lautsprecher.

Es gibt verschiedene Auswahlmöglichkeiten sowie verschiedene Lautsprechersegmente auf dem Markt, im Allgemeinen mit 4 Ohm, 8 Ohm, 16 Ohm und 32 Ohm, von denen 4 und 8 Ohm Lautsprecher zu günstigen Preisen erhältlich sind. Wir müssen auch verstehen, dass ein Verstärker mit 5 Watt, 6 Watt oder 10 Watt oder mehr die RMS-Leistung (Root Mean Square) ist, die der Verstärker im Dauerbetrieb an eine bestimmte Last liefert.

Wir müssen also vorsichtig mit der Lautsprecherbewertung, der Verstärkerbewertung, der Lautsprechereffizienz und der Impedanz sein.

Aufbau einer einfachen 100-W-Audioverstärkerschaltung

In früheren Tutorials haben wir 10-W-Leistungsverstärker, 25-W-Leistungsverstärker und 50-W-Leistungsverstärker hergestellt. In diesem Tutorial werden wir jedoch einen 100-Watt-RMS-Ausgangsleistungsverstärker mit MOSFETs entwerfen.

Beim Aufbau eines 100-Watt-Verstärkers werden mehrere Transistoren und MOSFETs verwendet. Sehen wir uns die Spezifikation und das Pin-Diagramm wichtiger MOSFETs und Transistoren an. In der Verstärkungsstufe des Verstärkers verwendeten wir den Hochspannungstransistor MPSA43. Es ist ein Hochspannungs-NPN-Transistor, der als Verstärker fungiert. Der Pin des MPSA43 NPN-Transistors ist-

Wir haben zwei komplementäre Mittelleistungstransistoren MJE350 und MJE340 verwendet. MJE350 ist ein 500-mA-PNP-Transistor im TO-225-Gehäuse und der identische NPN-Paar-Transistor ist MJE340. MJE340 hat die gleiche Spezifikation wie MJE350, ist jedoch ein NPN-Transistor mittlerer Leistung.

Die Pinbelegungsdiagramme für beide sind unten angegeben.

In der letzten Stufe werden zwei Leistungs-MOSFETs IRFP244 und IRFP9240 verwendet. Die Kombination dieser beiden liefert eine RMS-Ausgangsleistung von 100 Watt über die 4-Ohm-Last.

Erforderliche Komponenten für die Leistungsverstärkerschaltung

Vero Board (gepunktet oder verbunden, jeder kann verwendet werden)
Lötkolben
Lötdraht
Zangen- und Abisolierwerkzeug
Leitungen
Audioanschlüsse gemäß den Anforderungen
Feiner Aluminiumkühlkörper mit 5 mm Dicke und 90 mm x 45 mm Abmessung.
40V Rail-to-Rail-Stromversorgung mit + 40V GND -40V Stromschienenausgang
4 Ohm 100 Watt Lautsprecher
Widerstand 1/4 ^th Watt (39R, 390R, 1k, 1.5k, 4.7k, 15k, 22k, 33k, 47k, 150k) - 1nos.
330R Widerstand 1/4 ^th Watt - 3 Stück
10R Widerstand 10 Watt
0,33 R - 7 Watt - 2 Stk
0,22 R - 10 Watt
100nF 100V Kondensator - 2 Stck
47uF 100V Kondensator
470 pF 100V
470nF 63V
10 pF 100 V.
1n4002 Diode
IRFP244
IRF9240
MJE350
MJE340
BC546 - 2 Stk
MPSA43 - 3 Stk

Schaltplan und Erläuterung des 100-W-Audioverstärkers

Das Schema für diesen 100-Watt-Audioverstärker besteht aus einigen Stufen. Zu Beginn der Verstärkung der ersten Stufe blockiert ein Filterabschnitt unerwünschte Frequenzstörungen. Dieser Filterabschnitt wird mit R3, R4 und C1, C2 erstellt.

Auf der zweiten Stufe der Schaltung arbeiten Q1 und Q2, die MPSA43-Transistoren sind, als Differenzverstärker und leiten das Signal der weiteren Verstärkungsstufe zu.

Als nächstes erfolgt die Leistungsverstärkung über zwei MOSFETs, IRFP244N und IRF9240. Diese beiden MOSFETs sind der wichtige Teil der Schaltung. Diese beiden MOSFETs wirken als Push-Pull-Treiber (eine weit verbreitete Verstärkungstopologie oder -architektur). Zur Ansteuerung dieser beiden MOSFETs Q5 und Q7 werden die Transistoren MJE350 und MJE340 verwendet. Diese beiden Leistungstransistoren liefern genügend Gate-Strom, um die MOSFETs anzusteuern. R15 und R14 sind die Strombegrenzungswiderstände, um das MOSFET-Gate vor Einschaltstrom zu schützen. Das Gleiche gilt für R12 und R13, um die Ausgangslast vor dem Einschaltstromantrieb zu schützen. R18 ist ein Hochleistungswiderstand, der als Klemmschaltung mit dem Kondensator 100nF wirkt. R16 bietet außerdem zusätzlichen Überstromschutz.

Testen der 100-Watt-Verstärkerschaltung

Wir haben Proteus-Simulationswerkzeuge verwendet, um die Ausgabe der Schaltung zu überprüfen. Wir haben die Ausgabe im virtuellen Oszilloskop gemessen. Sie können das unten gezeigte vollständige Demonstrationsvideo überprüfen

Wir versorgen die Schaltung mit +/- 40 V und das sinusförmige Eingangssignal wird bereitgestellt. Der Kanal A des Oszilloskops (gelb) ist über den Ausgang gegen eine Last von 4 Ohm und das Eingangssignal über den Kanal B (blau) angeschlossen.

Wir können den Ausgangsunterschied zwischen dem Eingangssignal und dem verstärkten Ausgang im Video sehen: -

Außerdem haben wir die Ausgangsleistung überprüft. Die Leistung des Verstärkers hängt stark von mehreren Faktoren ab, wie bereits erläutert. Es hängt stark von der Lautsprecherimpedanz, der Lautsprechereffizienz, der Verstärkereffizienz, den Konstruktionstopologien, den gesamten harmonischen Verzerrungen usw. ab. Wir konnten nicht alle möglichen Faktoren berücksichtigen oder berechnen, die zu Abhängigkeiten in der Verstärkerleistung führen. Die reale Schaltung unterscheidet sich von der Simulation, da beim Überprüfen oder Testen der Ausgabe viele Faktoren berücksichtigt werden müssen.

Berechnung der Verstärkerleistung

Wir haben eine einfache Formel verwendet, um die Leistung des Verstärkers zu berechnen.

Verstärkerleistung = V ² / R.

Wir haben ein Wechselstrom-Multimeter an den Ausgang angeschlossen. Die im Multimeter angezeigte Wechselspannung ist die Wechselspannung von Spitze zu Spitze.

Wir haben ein sehr niederfrequentes sinusförmiges Signal von 25-50 Hz geliefert. Wie bei niedrigen Frequenzen liefert der Verstärker mehr Strom an die Last und das Multimeter kann die Wechselspannung richtig erfassen.

Das Multimeter zeigte + 20,9 V AC. Entsprechend der Formel beträgt der Ausgang des Leistungsverstärkers bei 4 Ohm Last

Verstärker Leistung in Watt = 20.9 ² /4 - Verstärker Leistung in Watt = 109.20 (mehr als 100 W ungefähr)

Dinge, die Sie beim Bau eines 100-W-Audioverstärkers beachten sollten

Beim Aufbau der Schaltung müssen MOSFETs in der Leistungsverstärkerstufe ordnungsgemäß mit dem Kühlkörper verbunden werden. Der größere Kühlkörper liefert ein besseres Ergebnis. Die Leistungstransistoren Q5 und Q7 müssen ordnungsgemäß mit kleinen Aluminiumkühlkörpern in U-Form gekühlt werden.
Für ein besseres Ergebnis ist es gut, Box-Kondensatoren mit Audioqualität zu verwenden.
Es ist immer eine gute Wahl, PCB für Audio-bezogene Anwendungen zu verwenden.
Machen Sie die Spuren des Differenzverstärkers kurz und so nah wie möglich an der Eingangsspur.
Halten Sie die Audiosignalleitungen von lauten Stromleitungen getrennt.
Achten Sie auf die Dicke der Spuren. Da es sich um ein 100-Watt-Design handelt, ist ein größerer Strompfad erforderlich. Maximieren Sie daher die Leiterbahnbreite. Es ist besser, eine 70-Mikron-Kupferplatte in doppelseitiger Anordnung mit maximalen Durchkontaktierungen für einen besseren Stromfluss zu verwenden.
Die Masseebene muss über die Schaltung erstellt werden. Halten Sie den Bodenrücklauf so kurz wie möglich.

Bessere Ergebnisse erzielen

Bei diesem 100-Watt-Design können nur wenige Verbesserungen für eine bessere Leistung vorgenommen werden.

Fügen Sie einen Entkopplungskondensator mit 4700 uF und einer Nennspannung von mindestens 100 V über die positive und negative Stromspur hinzu.
Verwenden Sie 1% MFR-Widerstände für eine bessere Stabilität.
Tauschen Sie die 1N4002-Diode gegen UF4007 aus.
Ändern Sie den R11 mit einem 1k-Potentiometer, um den Ruhestrom über die Leistungs-MOSFETs zu steuern.
Fügen Sie am Ausgang eine Sicherung hinzu. Diese schützt den Stromkreis bei Übersteuerung des Lautsprechers oder Kurzschluss am Ausgang.

Überprüfen Sie auch andere Audioverstärkerschaltungen:

40 Watt Audioverstärker mit TDA2040
25 Watt Audioverstärkerschaltung
10 Watt Audioverstärker mit Operationsverstärker
50 Watt Leistungsverstärkerschaltung mit MOSFETs