50 Watt Leistungsverstärkerschaltung mit Mosfets

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 einen 50-Watt-RMS-Ausgangsleistungsverstärker mit MOSFETs, an den ein 8-Ohm-Impedanzlautsprecher angeschlossen ist.

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 Audioelektronik sind verschiedene Arten von Lautsprechern mit unterschiedlicher Leistung und 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 das Rohr einen größeren Durchmesser hat, ist die Impedanz niedrig.So kann der Lautsprecher mehr Leistung erhalten und der Verstärker bietet mehr Leistungsübertragungsszenario. 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 eines einfachen 50W Verstärkers

In früheren Tutorials haben wir 10-Watt-Leistungsverstärker, 25-Watt-Leistungsverstärker und 40-Watt-Leistungsverstärker hergestellt. In diesem Tutorial werden wir jedoch einen 50-Watt-RMS-Ausgangsleistungsverstärker mit MOSFETs entwerfen. In früheren Tutorials haben wir den dedizierten Leistungsverstärker-IC TDA2040 für 25-Watt- und 40-Watt-Verstärker verwendet. In diesem Design werden wir jedoch komplementäre N- und P-Kanal-Paar-MOSFETs verwenden, um die 50-Watt-Ausgangsleistung zu erhalten. Die Ausgabe wird ziemlich stabil sein und der THD wird minimal sein. Wir werden 8 Ohm Last damit fahren.

Wir haben zwei weit verbreitete komplementäre MOSFETs IRF530N und IRF9530N verwendet, die sowohl in lokalen Geschäften als auch in Online-Shops erhältlich sind.

Im obigen Bild ist der linke der IRF530N und der rechte der IRF9530N. Beide sind ein TO-220AB-Paket.

Diese beiden MOSFETs erzeugen einen Push-Pull-Betrieb, um einen 8-Ohm-50-Watt-RMS-Lautsprecher anzusteuern.

Komponente erforderlich

Um die Schaltung aufzubauen, benötigen wir folgende Komponenten:

Vero Board (gepunktet oder verbunden, jeder kann verwendet werden)
Lötkolben
Lötdraht
Zangen- und Abisolierwerkzeug
Leitungen
Feiner Aluminiumkühlkörper mit 2 mm Dicke und 50 mm x 30 mm Abmessung.
35V Rail-to-Rail-Stromversorgung mit + 35V GND -35V Stromschienenausgang
8 Ohm 50 Watt Lautsprecher
Widerstände (10R, 300R, 560R, 680R, 820R, 1,2k, 2,2k, 10k, 15k) - 1nos.
Widerstände (2,7 k, 4,7 k, 47 k) - 2 nr.
100uF 63V Kondensator
47uF 63V Kondensator - 2St
68 nF 100 V.
220pF 50V
1n4002 Diode
IRF530
IRF9530
.1uH Luftkerninduktor 5A bewertet
BC556 -2 Stck
BC546 - 2 Stk

Schaltplan und Erklärung

Das Schema für diesen 50-Watt-Audioverstärker besteht aus einigen Stufen. Zu Beginn der Verstärkung blockiert ein Tiefpassfilter hochfrequentes Rauschen. Dieser Tiefpassfilter wird mit R1, R2 und C1 erstellt. Die Widerstände R1 und R2 haben zwei Operationen: Erstens ist es ein Teil des Tiefpassfilters, zweitens ist es ein Spannungsteiler sowie ein Strombegrenzer.

Auf der zweiten Stufe der Schaltung arbeiten Q1 und Q2, die BC556-Transistoren sind, als Differenzverstärker.

Als nächstes erfolgt die Leistungsverstärkung über zwei MOSFETs, IRF530N und IRF9530. Diese beiden MOSFETs sind komplementäre und angepasste Paare. Zwei MOSFETs haben die gleiche Spezifikation, aber einer ist N-Kanal und ein anderer ist P-Kanal. Dies ist ein wichtiger Teil der Schaltung. Diese beiden MOSFETs wirken als Push-Pull-Treiber (eine weit verbreitete Verstärkungstopologie oder -architektur). Zur Ansteuerung dieser beiden MOSFETs Q3 und Q4 wird BC546 verwendet. Diese beiden Transistoren versorgen die MOSFETs mit genügend Gate-Ansteuerung. R15 ist ein Widerstand mit hoher Leistung, der als Klemmschaltung mit dem Kondensator 68nF fungiert, und es wird eine Induktivität von 1 uH hinzugefügt, um dem 8-Ohm-Lautsprecher eine stabile Verstärkung zu verleihen.

Testen der 50-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 +/- 35 V und das sinusförmige Eingangssignal wird bereitgestellt. Der Kanal A des Oszilloskops (gelb) ist über den Ausgang gegen eine Last von 8 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 + 20,1 V AC. Gemäß der Formel beträgt der Ausgang des Leistungsverstärkers bei 8 Ohm Last

Verstärker Leistung in Watt = 20.1 ² /8 - Verstärker Leistung in Watt = 50.50 (50W ungefähr)

Dinge, die Sie beim Bau eines 50-W-Leistungsverstärkers beachten sollten

Beim Aufbau der Schaltung müssen MOSFETs in der Leistungsverstärkerstufe ordnungsgemäß mit dem Kühlkörper verbunden werden. Der größere Kühlkörper liefert ein besseres Ergebnis.
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 50-Watt-Design handelt, ist ein größerer Strompfad erforderlich. Maximieren Sie daher die Leiterbahnbreite.
Die Masseebene muss über die Schaltung erstellt werden. Halten Sie den Bodenrücklauf so kurz wie möglich.

Bessere Ergebnisse erzielen

Bei diesem 50-Watt-Design können nur wenige Verbesserungen für eine bessere Leistung vorgenommen werden.

Fügen Sie einen 220-uF-Entkopplungskondensator mit einer Nennspannung von mindestens 63 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 R13 mit einem 1k-Potentiometer, um den Ruhestrom über die Leistungs-MOSFETs zu steuern.
Verwenden Sie einen torusförmigen Induktor anstelle des Luftkerns mit 0,25 uH 5A.
Fügen Sie am Ausgang eine Sicherung hinzu, um den Stromkreis bei Übersteuerung des Lautsprechers oder Kurzschluss am Ausgang zu schützen.

Überprüfen Sie auch andere Audioverstärkerschaltungen:

40 Watt Audioverstärker mit TDA2040
25 Watt Audioverstärkerschaltung
10 Watt Audioverstärker mit Operationsverstärker