Hogyan tervezzünk MOSFET teljesítményerősítő áramköröket - magyarázható paraméterek

Ebben a bejegyzésben különféle paramétereket tárgyalunk, amelyeket figyelembe kell venni a MOSFET teljesítményerősítő áramkör tervezése során. Elemezzük a bipoláris csomópontú tranzisztorok (BJT) és a MOSFET jellemzői közötti különbséget is, és megértjük, hogy a MOSFETS miért alkalmasabb és hatékonyabb a teljesítményerősítő alkalmazásokhoz.

Közreműködött: Daniel Schultz

Áttekintés

A teljesítményerősítő tervezésekor a következő tartományba esik 10-20 watt , az integrált áramkör vagy IC alapú kialakításokat általában előnyben részesítik az elegáns méret és az alacsony alkatrészszám miatt.

Nagyobb teljesítmény-tartományok esetén azonban a diszkrét konfigurációt sokkal jobb választásnak tekintik, mivel nagyobb hatékonyságot és rugalmasságot kínálnak a tervező számára a teljesítmény-kiválasztás tekintetében.

Korábban a különálló alkatrészeket alkalmazó erősítők a bipoláris tranzisztoroktól vagy a BJT-ktől függtek. Megjelenésével azonban kifinomult MOSFET-ek , A BJT-ket lassan felváltották ezek a fejlett MOSFET-ek, hogy elérjék a rendkívül nagy teljesítményt és elképesztően korlátozott helyet, és kicsinyítették a NYÁK-kat.

Bár a MOSFET-ek túlzottnak tűnhetnek a közepes méretű erősítők tervezésében, ezeket hatékonyan lehet alkalmazni bármilyen méretű és teljesítményerősítő specifikációnál.

A BJT teljesítményerősítőkben való használatának hátrányai

Bár a bipoláris eszközök rendkívül jól működnek a csúcskategóriás hangerősítőkben, tartalmaznak néhány hátrányt, amelyek valójában olyan fejlett eszközök bevezetéséhez vezettek, mint a MOSFET.

A B osztályú kimeneti szakaszokban a bipoláris tranzisztorok talán legnagyobb hátránya a szökött helyzetnek nevezett jelenség.

A BJT-k pozitív hőmérsékleti együtthatót tartalmaznak, és ez kifejezetten a termikus szökésnek nevezett jelenséget idézi elő, ami a teljesítmény-BJT-k túlmelegedés következtében potenciális károsodást okoz.

A fenti bal oldali ábra egy szabványos B osztályú meghajtó és kimeneti fokozat alapvető beállítását mutatja be, a TR1-et, mint egy közös emitter-meghajtó fokozatot, és a Tr2-t, valamint a Tr3-at, mint kiegészítő emitterkövető kimeneti fokozatot.

A BJT és a MOSFET erősítő kimeneti szakaszának konfigurációjának összehasonlítása

Az erősítő kimeneti szakaszának funkciója

A működő teljesítményerősítő megtervezéséhez fontos a kimeneti fokozat helyes beállítása.

A kimeneti fokozat célja elsősorban az áram erősítésének biztosítása (a feszültségnövekedés nem marad több, mint egység) annak érdekében, hogy az áramkör biztosítsa a hangszóró magasabb hangerővel történő vezetéséhez elengedhetetlen nagy kimeneti áramokat.

1. A fenti baloldali BJT diagramra hivatkozva a Tr2 úgy működik, mint egy kimeneti áramforrás a pozitív kimeneti ciklusok alatt, míg a Tr3 a negatív kimeneti fél ciklusok alatt a kimeneti áramot szolgáltatja.
2. A BJT meghajtó fokozatának alapvető kollektorterhelését állandó áramforrással tervezték, amely fokozott linearitást biztosít, szemben az egyszerű terhelési ellenállással elért hatásokkal.
3. Ez az erősítés (és az azt kísérő torzítás) különbségei miatt következik be, amikor a BJT a kollektoráramok széles tartományán belül működik.
4. Ha egy terhelési ellenállást nagy kimeneti feszültségingadozásokkal rendelkező közös emitter-fokozaton belül alkalmazunk, akkor kétségtelenül rendkívül hatalmas kollektoráram-tartomány és nagy torzulások válthatók ki.
5. Az állandó áramterhelés alkalmazása nem képes teljesen megszabadulni a torzulásoktól, mert a kollektor feszültsége természetesen ingadozik, és a tranzisztor erősítése bizonyos mértékben függ a kollektor feszültségétől.
6. Mindazonáltal, mivel a kollektor feszültségváltozásai miatti nyereségingadozások meglehetősen kicsiek, az 1% -nál jóval alacsonyabb torzítás meglehetősen elérhető.
7. A kimeneti tranzisztorok bázisa közé kapcsolt előfeszítő áramkör szükséges ahhoz, hogy a kimeneti tranzisztorokat olyan helyzetbe vigye, ahol éppen a vezető küszöbnél vannak.
8. Abban az esetben, ha ez nem történik meg, a Tr1 kollektorfeszültségének kis változásai nem tudják a kimeneti tranzisztorokat vezetésbe hozni, és nem tehetik lehetővé a kimeneti feszültség bármilyen javulását!
9. A Tr1 kollektoránál jelentkező nagyobb feszültségváltozások megfelelő változásokat generálhatnak a kimeneti feszültségben, de ez valószínűleg elhagyná a frekvencia minden egyes félciklusának kezdő és befejező részét, ami komoly „keresztirányú torzulást” okozna, amire általában hivatkoznak.

Crossover torzítás kérdése

Még akkor sem, ha a kimeneti tranzisztorokat a vezetési küszöbre viszik, nem lehet teljesen eltávolítani a keresztirányú torzulásokat, mivel a kimeneti eszközök viszonylag kis erősítést mutatnak, miközben csökkent kollektorárammal működnek.

Ez mérsékelt, de nemkívánatos keresztátviteli torzítást biztosít. A negatív visszacsatolás felhasználható a keresztezési torzulások természetes legyőzésére, a kiváló eredmények eléréséhez azonban elengedhetetlen, hogy a kimeneti tranzisztorok felett meglehetősen magas nyugalmi torzítást alkalmazzunk.

Ez a nagy torzítóáram okoz komplikációkat a termikus elszökéssel.

Az előfeszítő áram a kimeneti tranzisztorok felmelegedését okozza, és pozitív hőmérsékleti együtthatójuk miatt ez az előfeszítő áram növekedését okozza, ami még több hőt generál, és ennek eredményeként az előfeszítő áram további emelkedését eredményezi.

Ez a pozitív visszajelzés tehát fokozatosan növeli az elfogultságot, amíg a kimeneti tranzisztorok túlságosan felmelegednek és végül meg nem égnek.

Az ezzel szembeni védelem érdekében az előfeszítő áramkört beépített hőmérséklet-érzékelő rendszer segíti, amely lassítja az előfeszítést magasabb hőmérséklet észlelése esetén.

Ezért, amikor a kimeneti tranzisztor felmelegszik, a torzító áramkört befolyásolja a keletkező hő, amely ezt észleli és leállítja az előfeszítő áram minden következményes emelkedését. Gyakorlatilag előfordulhat, hogy az előfeszítési stabilizálás nem ideális, és kevés változatot találhat, azonban egy megfelelően konfigurált áramkör általában elég kellő torzítási stabilitást mutat.

Miért működnek hatékonyabban a MOSFET-ek, mint a BJT-k a teljesítményerősítőkben?

A következő megbeszélésben megpróbáljuk megérteni, hogy a MOSFET-ek miért működnek jobban az erősítő kialakításában, a BJT-khez képest.

A BJT-khez hasonlóan, ha a B osztályú kimeneti szakaszban alkalmazzák, a MOSFET-ek is a előre elfogultság a crossover torzítás legyőzésére. Ennek ellenére, mivel a teljesítmény-MOSFET-ek negatív hőmérsékleti együtthatóval rendelkeznek közel 100 milliamper vagy annál nagyobb áramok mellett (és enyhe pozitív hőmérsékleti együtthatóval alacsonyabb áramoknál), ez lehetővé teszi a kevésbé bonyolult B osztályú meghajtó és kimeneti fokozat megadását, amint azt a következő ábra bemutatja .

A termikusan stabilizált előfeszítő áramkört ellenállással lehet helyettesíteni, mivel a teljesítmény-MOSFET hőmérsékleti jellemzői magukban foglalják az előfeszítő áram beépített hővezérlését 100 milliamper körül (ami megközelítőleg a legalkalmasabb előfeszítő áram).

A BJT-kkel kapcsolatban további kihívást jelent a meglehetősen alacsony, csak 20-50-es erősítés. Ez közepes és nagy teljesítményű erősítőknél elégtelen lehet. Emiatt rendkívül nagy vezetői fokozatot igényel. A probléma megoldásának tipikus megközelítése az a használata Darlington Pairs vagy azzal egyenértékű kialakítás, amely megfelelően nagy áramerősséget biztosít, így lehetővé teszi alacsony teljesítményű meghajtó fokozat alkalmazását.

Teljesítményű MOSFET-ek, akárcsak minden más FET eszköz , általában feszültségüzemű eszközök, nem pedig áramüzeműek.

A teljesítmény MOSFET bemeneti impedanciája általában nagyon magas, ami elhanyagolható bemeneti áramfelvételt tesz lehetővé alacsony működési frekvenciák mellett. Magas üzemi frekvenciákon azonban a bemeneti impedancia sokkal alacsonyabb, a viszonylag nagy, körülbelül 500 pf bemeneti kapacitás miatt.

Ennél a nagy bemeneti kapacitásnál is alig 10 milliamperes üzemi áram válik eléggé elegendővé a meghajtó fokozatán keresztül, bár a kimeneti csúcsáram ennek a mennyiségnek az ezerszerese lehet.

A bipoláris áramforrásokkal (BJT) kapcsolatos további probléma a kissé lassú kapcsolási idő. Ez hajlamos sokféle kérdést felvetni, például a megfordult torzításokat.

Ekkor egy erős nagyfrekvenciás jel igényelhet mondjuk 2 volt / mikroszekundum közötti kapcsolási kimeneti feszültséget, míg a BJT kimeneti fokozat valószínűleg csak egy volt / mikroszekundumos megfordulási sebességet engedélyez. Természetesen a kimenet küzdeni fog a bemeneti jel megfelelő reprodukciójáért, ami elkerülhetetlen torzuláshoz vezet.

Az alacsonyabb lefutási sebesség szintén nemkívánatos teljesítménysávszélességet eredményezhet az erősítő számára, a legnagyobb elérhető teljesítmény pedig jelentősen csökken a magasabb hangfrekvenciákon.

Fázis késés és oszcillációk

További aggodalomra ad okot az a fáziskésés, amely az erősítő kimeneti fokozatán keresztül zajlik, magas frekvenciák mellett, és ami a negatív visszacsatolási rendszer visszacsatolását eredményezheti negatív helyett rendkívül magas frekvenciákon.

Ha az erősítő elegendő erősítéssel rendelkezik ilyen frekvenciákon, az erősítő oszcilláló üzemmódba léphet, és a stabilitás hiánya továbbra is észrevehető lesz, még akkor is, ha az áramkör erősítése nem elegendő a rezgés kiváltásához.

Ezt a problémát úgy lehetne kijavítani, hogy elemeket adunk az áramkör nagyfrekvenciás válaszának lefutásához, és fáziskompenzációs elemeket építünk be. Ezek a szempontok azonban csökkentik az erősítő hatékonyságát magas bemeneti jelfrekvenciák mellett.

A MOSFET gyorsabb, mint a BJT

A teljesítményerősítő tervezése során emlékeznünk kell arra, hogy a a teljesítmény MOSFET kapcsolási sebessége általában 50-100-szor gyorsabb, mint egy BJT. Ezért az alacsonyabbrendű, magas frekvenciájú funkcionalitással járó szövődmények könnyen leküzdhetők a BJT-k helyett MOSFET-ek alkalmazásával.

Konfigurációk létrehozása valójában lehetséges anélkül frekvencia vagy fázis kompenzáció Az alkatrészek mégis kiváló stabilitást tartanak fenn, és olyan teljesítményszintet tartalmaznak, amelyet a magas frekvenciájú hangkorlátot jóval meghaladó frekvenciáknál is megtartanak.

A bipoláris teljesítménytranzisztoroknál tapasztalt másik nehézség a másodlagos bontás. Ez egyfajta speciális termikus szökésre utal, amely „forró zónát” hoz létre az eszközön belül, ami rövidzárlatot eredményez a kollektor / emitter csapok felett.

Annak biztosítására, hogy ez ne történjen meg, a BJT-t kizárólag a kollektor áramának és feszültségének meghatározott tartományain belül kell működtetni. Bármelyikre audio erősítő áramkör ez a helyzet általában azt jelenti, hogy a kimeneti tranzisztorok kénytelenek jól működni a termikus korlátozásokon belül, és így a BJT-k által elérhető optimális kimenő teljesítmény jelentősen csökken, sokkal alacsonyabb, mint amennyi a legnagyobb disszipációs értéküknél ténylegesen megengedett.

Köszönet A MOSFET negatív hőmérsékleti együtthatója nagy lefolyási áramoknál ezeknek az eszközöknek nincsenek problémáik a másodlagos lebontással. A MOSFET-eknél a maximálisan megengedett lefolyó áramot és a lefolyó feszültség specifikációit gyakorlatilag csak korlátozza a hőelvezetési funkcionalitásuk. Ezért ezek az eszközök kifejezetten alkalmasak nagy teljesítményű hangerősítők alkalmazására.

MOSFET hátrányai

A fenti tények ellenére a MOSFET-nek is van néhány hátránya, amelyek száma viszonylag kisebb és jelentéktelen. Kezdetben a MOSFET-ek nagyon drágák voltak, összehasonlítva a megfelelő bipoláris tranzisztorokkal. A költségkülönbség azonban manapság sokkal kisebb lett. Ha figyelembe vesszük azt a tényt, hogy a MOSFET-ek lehetővé teszik a komplex áramkörök sokkal egyszerűbbé válását és közvetett jelentős költségcsökkenést, akkor a BJT megfelelője még alacsony költsége mellett is elenyésző címke.

A Power MOSFET-ek gyakran megnövekedett tulajdonságokkal rendelkeznek nyitott hurok torzítás mint a BJT-k. Nagy teljesítményük és gyors kapcsolási sebességük miatt azonban a tápellátású MOSFET-ek lehetővé teszik a negatív visszacsatolás magas szintű használatát a teljes audiofrekvencia-spektrumban, páratlanul kínálva zárt hurkú torzítás hatékonyság.

A teljesítmény-MOSFET-ek további hátránya, hogy alacsonyabb hatékonyságúak a BJT-khez képest, ha a szabványos erősítő kimeneti szakaszaiban alkalmazzák őket. Ennek oka egy nagy teljesítményű emitterkövető fokozat, amely akár 1 volt körüli feszültségesést generál a bemenet és a kimenet között, bár a forráskövető fokozat bemenetén / kimenetén némi volt a veszteség. A probléma megoldására nincs egyszerű megközelítés, azonban ez a hatékonyság kismértékű csökkenésének tűnik, amelyet nem szabad figyelembe venni, és figyelmen kívül lehet hagyni.

A gyakorlati MOSFET erősítő tervezésének megértése

Az alábbi ábra egy funkció kapcsolási rajzát mutatja be 35 wattos MOSFET erősítő áramkör. Kivéve a MOSFET alkalmazását az erősítő kimeneti szakaszában, minden alapvetően úgy néz ki, mint egy nagyon gyakori MOSFET erősítő kialakítás.

• A Tr1 a közös emitter bemeneti szakasz , közvetlenül csatlakozik a Tr3 közös emitter meghajtó fokozatához. Mindkét fokozat az erősítő teljes feszültségerősítését kínálja, és rendkívül nagy teljes erősítést tartalmaz.
• A Tr2 a hozzá csatolt részekkel együtt létrehoz egy egyszerű állandó áramgenerátort, amelynek kimeneti határárama 10 milliamper. Ez úgy működik, mint a Tr3 fő kollektorterhelése.
• R10-et alkalmaznak a helyes megállapításához nyugalmi torzító áram a kimeneti tranzisztorokon keresztül, és amint azt korábban említettük, az előfeszítő áram hőstabilizálása nem igazán valósul meg az előfeszítő áramkörben, hanem inkább maguk a kimeneti eszközök szolgáltatják.
• R8 gyakorlatilag 100% negatív visszajelzés az erősítő kimenetétől a Tr1 emitterig, lehetővé téve az áramkör körüli egységfeszültség-erősítést.
• Az R1, R2 és R4 ellenállások potenciális osztóhálózatként működnek az erősítő bemeneti fokozatának, következésképpen a kimenetének az előfeszítésére, hogy a tápfeszültség nagyjából a felét elérjék. Ez lehetővé teszi a legmagasabb elérhető kimeneti szintet a vágás és a kritikus torzítás kezdete előtt.
• Az R1 és a C2 olyan szűrőáramkörként van használva, amely megszakítja a tápvezetékeken a hum frekvenciát és más lehetséges zajokat attól, hogy az előfeszítő áramkörön keresztül belépjenek az erősítő bemenetébe.
• R3 és C5 úgy viselkednek, mint egy RF szűrő amely megakadályozza, hogy az RF jelek közvetlenül a bemenettől a kimenetig tönkremennek, hallható zavarokat okozva. A C4 ugyancsak elősegíti ugyanezen probléma megoldását azáltal, hogy az erősítő nagyfrekvenciás válaszát hatékonyan a felső audio frekvenciahatár fölé görgeti.
• Elengedhetetlenné válik annak biztosítása, hogy az erősítő hallható frekvenciákon jó feszültséget nyerjen válassza le a negatív visszacsatolást bizonyos mértékig.
• A C7 betölti a kondenzátor leválasztása , míg az R6 ellenállás korlátozza a megtisztított visszacsatolás mennyiségét.
• Az áramköré feszültségnövekedés körülbelül úgy határozható meg, hogy R8-ot elosztjuk R6-tal, vagy körülbelül 20-szor (26dB) a hozzárendelt részértékekkel.
• Az erősítő maximális kimeneti feszültsége 16 volt RMS lesz, ami nagyjából 777mV RMS bemeneti érzékenységet tesz lehetővé a teljes kimenet eléréséhez. A bemeneti impedancia 20k-nál nagyobb lehet.
• A C3, illetve a C8 a bemeneti és a kimeneti kapcsolókondenzátor. A C1 lehetővé teszi a tápfeszültség leválasztását.
• Az R11 és C9 kizárólag az erősítő stabilitásának megkönnyítésére és szabályozására szolgál, a népszerűséghez hasonlóan Zobel hálózat , amelyek gyakran megtalálhatók a legtöbb félvezető teljesítményerősítő kialakításának kimeneti szakaszai körül.

Teljesítményelemzés

Úgy tűnik, hogy a prototípus-erősítő hihetetlenül jól teljesít, különösen csak akkor, ha észrevesszük az egység meglehetősen egyszerű kialakítását. A bemutatott MOSFET erősítő tervezési áramköre boldogan ad ki 35 W-os RMS-t 8 ohmos terhelésre.

• Az Teljes harmonikus torzítás nem lesz több, mint körülbelül 0,05%. A prototípust csak 1 kHz körüli jelfrekvenciákra elemeztük.
• Azonban az áramkör nyílt hurok nyereség kiderült, hogy gyakorlatilag állandó a teljes hangfrekvencia-tartományban.
• Az zárt hurkú frekvencia válasz - kb. 20 Hz és 22 kHz jelekkel -2 dB-n mértük.
• Az erősítőé jel-zaj arány (hangszóró csatlakoztatása nélkül) magasabb volt, mint a 80 dB, bár valójában lehet egy kis mennyiségű kezek zümmögnek a hangszórókon észlelt tápegységtől, de a hangerő túl kicsi ahhoz, hogy normál körülmények között hallhassa.

Tápegység

A fenti kép megfelelően konfigurált tápegységet mutat a 35 wattos MOSFET erősítő kialakításához. A tápegység kellően erős lehet ahhoz, hogy kezelni tudja az egység mono vagy sztereó modelljét.

Az áramellátás valójában egy hatékony, pár nyomásirányú egyenirányító és simító áramkörből áll, amelyek kimenetei sorba vannak kötve, hogy teljes kimeneti feszültséget nyújtsanak, amely megfelel az egyenes egyenirányító és a kapacitív szűrő áramkör által alkalmazott potenciál kétszeresének.

A D4, D6 és C10 diódák az áramellátás egyik meghatározott részét alkotják, míg a második részt a D3, D5 és C11 szolgáltatják. Ezek mindegyike valamivel 40 V alatt van, terhelés nélkül és 80 V teljes feszültséggel.

Ez az érték körülbelül 77 voltra csökkenhet, ha az erősítőt nyugvó állapotban lévő sztereó bemeneti jel terheli, és csak körülbelül 60 voltra, ha két erősítőcsatorna teljes vagy maximális teljesítményen működik.

Építési tippek

A 35 wattos MOSFET erősítő ideális NYÁK-elrendezését az alábbi ábrák mutatják be.

Ez az erősítő áramkörének egyik csatornájára vonatkozik, így természetesen két ilyen táblát kell összeállítani, ha sztereó erősítőre van szükség. A kimeneti tranzisztorok természetesen nincsenek felszerelve a NYÁK-ra, inkább egy nagy bordás típusra.

Nem szükséges csillám szigetelő készletet használni a tranzisztorokhoz, miközben a hűtőbordára rögzítik őket. Ennek az az oka, hogy a MOSFET források közvetlenül kapcsolódnak a fém fülükhöz, és ezeknek a forrás csapoknak mindenképpen kapcsolatban kell maradniuk egymással.

Mivel azonban nincsenek szigetelve a hűtőbordától, nagyon fontos lehet annak biztosítása, hogy a hűtőbordák ne kerüljenek elektromos érintkezésbe az erősítő más részeivel.

Sztereó megvalósításhoz nem szabad hagyni, hogy a két erősítőpárhoz alkalmazott egyedi hűtőbordák elektromos közelségbe kerüljenek egymással. Mindig győződjön meg arról, hogy rövidebb, legfeljebb 50 mm-es vezetékeket használ a kimeneti tranzisztorok PCB-hez való csatlakoztatásához.

Ez különösen fontos a vezetékek számára, amelyek csatlakoznak a kimeneti MOSFET kapu termináljaihoz. Annak a ténynek köszönhetően, hogy a Power MOSFET-ek nagy erősítéssel rendelkeznek nagy frekvenciákon, a hosszabb vezetékek súlyosan befolyásolhatják az erősítő stabilitási reakcióját, vagy akár RF-rezgést is kiválthatnak, ami viszont maradandó károsodást okozhat a power MOSFET-ekben.

Ennek ellenére gyakorlatilag alig talál nehézséget a terv elkészítésében annak biztosítására, hogy ezeket a vezetékeket rövidebb ideig tartsák. Fontos lehet megjegyezni, hogy a C9 és R11 a nyomtatott áramköri lapon kívülre van szerelve, és egyszerűen sorosan vannak csatlakoztatva a kimeneti aljzaton.

Tápellátási építési tippek

Az áramellátási áramkör pont-pont típusú kábelezéssel épül fel, az alábbi ábra szerint.

Ez tulajdonképpen eléggé magától értetődőnek tűnik, mindazonáltal biztosítva van, hogy a C10 és C11 kondenzátorok mindkét típusú cédulából álljanak. Abban az esetben, ha nem, akkor kulcsfontosságú lehet egy címkecsíkot használni néhány csatlakozási port engedélyezéséhez. A T1 egyik rögzítőcsavarjához forrasztócímke van rögzítve, amely alváz csatlakozási pontot kínál a hálózati váltakozó áramú földelővezetékhez.

Beállítások és beállítások

1. A tápellátás bekapcsolása előtt feltétlenül vizsgálja meg a vezetékcsatlakozásokat, mert a bekötési hibák költséges tönkremeneteleket okozhatnak, és mindenképpen veszélyesek lehetnek.
2. Mielőtt bekapcsolná az áramkört, győződjön meg arról, hogy a minimális ellenállás elérése érdekében nyissa meg az R10-et (forgassa a teljes óramutató járásával ellentétes irányba).
3. Az FS1 pillanatnyi kivétele és az 500mA FSD mérésére rögzített multiméter felhelyezése a biztosítéktartóra, a mérőn 20mA körüli értéket kell látni, miközben az erősítő be van kapcsolva (ez kétméteres lehet, ha kétcsatornás sztereot használnak).
4. Abban az esetben, ha úgy találja, hogy a mérő leolvasása lényegében nem hasonlít ehhez az áramellátás kikapcsolásához, és vizsgálja meg a teljes vezetékezést. Éppen ellenkezőleg, ha minden jó, lassan mozgassa az R10 gombot, hogy maximalizálja a mérő leolvasását 100mA értékig.
5. Ha sztereó erősítőre van szükség, akkor az R10-et mindkét csatornán át kell finomítani, hogy az áramfelvétel 120mA legyen, majd a 2.csatorna R10-jét finomhangolni kell, hogy a jelenlegi felhasználás 200mA-ra növekedjen. Miután ezek megvalósultak, a MOSFET erősítő használatra kész.
6. Az erősítő beállítása során ügyeljen arra, hogy ne érjen az egyik hálózati csatlakozóhoz.
7. Az összes fedetlen vezetéket vagy kábelcsatlakozást, amely a váltóáramú hálózati potenciálnál van, megfelelően szigetelni kell, mielőtt a készüléket csatlakoztatnák a hálózati tápellátáshoz.
8. Mondanom sem kell, hogy minden váltakozó áramú működtetett áramkörhöz hasonlóan ezt is egy erős szekrénybe kell zárni, amelyet csak külön csavarhúzóval és más műszerkészülékkel lehet lecsavarni, annak biztosítása érdekében, hogy ne legyenek gyors eszközök a veszélyes anyag elérésére. hálózati kábelezés és a balesetek biztonságosan kiküszöbölhetők.

Alkatrészlista a 35 wattos MOSFET erősítőhöz

120 W-os MOSFET erősítő alkalmazási áramkör

Az áramellátás specifikációjától függően a praktikus 120 wattos MOSFET erősítő áramkör képes kb. 50 és 120 watt RMS kimeneti teljesítményt kínálni egy 8 ohmos hangszóróba.

Ez a kialakítás MOSFET-eket is tartalmaz a kimeneti szakaszban, hogy az általános teljesítmény kiváló szintjét biztosítsa, még az áramkör nagy egyszerűsége mellett is

Az erősítő teljes harmonikus torzítása nem haladja meg a 0,05% -ot, de csak akkor, ha az áramkör nincs túlterhelve, és a jel / zaj arány meghaladja a 100 dB-t.

A MOSFET erősítő szakaszainak megértése

Amint fentebb látható, ez az áramkör egy Hitachi-elrendezésre hivatkozva készült. A legutóbbi kivitellel ellentétben ez az áramkör a hangszóró DC-csatlakozását használja, és kettős kiegyensúlyozott tápegységet tartalmaz egy középső 0 V-os és földelő sínnel.

Ez a fejlesztés megszabadul a nagy kimeneti kapcsoló kondenzátoroktól és az alacsony frekvenciájú teljesítménytől, amelyet ez a kondenzátor generál. Továbbá ez az elrendezés lehetővé teszi az áramkör megfelelő ellátási hullámzás-visszautasítási képességét is.

Az egyenáramú kapcsolási funkció mellett az áramkör kialakítása meglehetősen különbözik a korábbi kialakításnál használtaktól. Itt mind a bemeneti, mind a meghajtó fokozat magában foglalja a differenciálerősítőket.

A bemeneti fokozatot a Tr1 és Tr2 segítségével konfigurálják, míg a meghajtó szakasza Tr3-tól és Tr4-től függ.

A Tr5 tranzisztor úgy van konfigurálva, mint a állandó áram kollektorterhelés a Tr4-re. A jel útja az erősítő segítségével megkezdődik a C1 bemeneti csatoló kondenzátorral, az R1 / C4 RF szűrővel együtt. R2 az erősítő bemenetének torzítására szolgál a központi 0V tápvezetéken.

A Tr1 hatékony a-ként van bekötve közös emitter erősítő amelynek kimenete közvetlenül kapcsolódik a közös emitter meghajtó fokozatként alkalmazott Tr4-hez. Ettől a ponttól kezdve az audio jel Tr6-hoz és Tr7-hez kapcsolódik, amelyek kiegészítő forráskövető kimeneti fokozatként vannak felszerelve.

Az negatív visszajelzés Az erősítő kimenetéből kivonva a Tr2 bázissal van összekötve, és annak ellenére, hogy a Tr1 bázison keresztül nincs jel inverzió az erősítő kimenetéhez, létezik inverzió a Tr2 bázison és a kimeneten. Ez azért van, mert a Tr2, mint egy emitterkövető, tökéletesen vezérli a Tr1 emitterét.

Ha bemeneti jelet viszünk a Tr1 emitterre, a tranzisztorok sikeresen működnek, mint a közös alapszakasz . Ezért, bár az inverzió nem Tr1 és Tr2 segítségével történik, az inverzió Tr4-en keresztül történik.

Ezenkívül a fázisváltozás nem történik meg a kimeneti fokozaton keresztül, ami azt jelenti, hogy az erősítő és a Tr2 bázis általában fázison kívül van, hogy végrehajtja a szükséges szükséges negatív visszacsatolást. A diagramban javasolt R6 és R7 értékek körülbelül 28-szoros feszültségnövekedést biztosítanak.

Ahogy korábbi megbeszéléseinkből megtudtuk, a hatalom MOSFET-eknek egy kis hátránya, hogy kevésbé hatékonyak, mint a BJT-k, amikor a hagyományos B osztályú kimeneti fokozatba vezetik őket. Ezenkívül a MOSFET teljesítmény relatív hatékonysága meglehetősen rosszabbá válik olyan nagy teljesítményű áramkörök esetén, amelyeknél a kapu / forrás feszültségének többfeszültségűnek kell lennie a nagy forrású áramokhoz.

Feltételezhető, hogy a maximális kimeneti feszültségingadozás megegyezik a tápfeszültséggel, levonva az egyes tranzisztorok maximális kapu-forrás feszültségét, és ez minden bizonnyal lehetővé teszi a kimeneti feszültség ingadozását, amely lényegesen alacsonyabb lehet, mint az alkalmazott tápfeszültség.

A nagyobb hatékonyság elérésének egyszerű módja az lenne, ha alapvetően pár hasonló MOSFET-et építenénk párhuzamosan, az egyes kimeneti tranzisztorokon keresztül. Az egyes kimeneti MOSFET-ek által kezelt legnagyobb árammennyiség ezután nagyjából a felére csökken, és az egyes MOSFET-ek maximális forrás-kapu feszültsége megfelelően csökken (az erősítő kimeneti feszültségének arányos növekedésével együtt).

Ugyanakkor a hasonló megközelítés nem működik, ha bipoláris eszközökre alkalmazzák, és ez lényegében azoknak köszönhető pozitív hőmérsékleti együttható jellemzők. Ha az egyik adott BJT kimenet túlzott áramot vesz fel, mint a másik (mert két tranzisztornak nem lesz pontosan azonos jellemzője), akkor az egyik eszköz kezd forróbb lenni, mint a másik.

Ez a megnövekedett hőmérséklet csökkenti a BJT emitter / alap küszöbfeszültségét, és ennek eredményeként a kimeneti áram sokkal nagyobb részét kezdi el fogyasztani. A helyzet ekkor a tranzisztort felmelegíti, és ez a folyamat végtelenül folytatódik, amíg az egyik kimeneti tranzisztor elkezdi kezelni az összes terhelést, míg a másik inaktív marad.

Ez a fajta probléma nem látható a power MOSFET-eknél, mert negatív hőmérsékleti együtthatójuk van. Amikor az egyik MOSFET melegebbé válik, negatív hőmérsékleti együtthatója miatt a növekvő hő korlátozza a lefolyón / forráson átáramló áramot.

Ez elmozdítja a felesleges áramot a másik MOSFET felé, amely most egyre melegebbé válik, és hasonlóan a hő hatására az áram arányosan csökken.

A helyzet kiegyensúlyozott áram-megosztást és eloszlást hoz létre az eszközök között, ami az erősítő működését sokkal hatékonyabbá és megbízhatóbbá teszi. Ez a jelenség is lehetővé teszi Párhuzamosan kell csatlakoztatni a MOSFET-eket egyszerűen a kapu, a forrás és a lefolyó vezetékek összekapcsolásával, sok számítás vagy aggály nélkül.

Tápegység 120 wattos MOSFET erősítőhöz

A 120 wattos MOSFET erősítő megfelelő áramellátási áramköre a fent látható. Ez nagyjából hasonlít a korábbi tervünk áramellátási áramköréhez.

Az egyetlen különbség az volt, hogy a transzformátor középső csapvezetékét a két simító kondenzátor találkozásánál kezdetben figyelmen kívül hagyták. Jelen példánál ez a középső 0 V-os földellátást biztosítja, míg a hálózati föld ebben a csomópontban is felakaszt, a negatív tápvezeték helyett.

Megtalálható, hogy a biztosítékok a pozitív és a negatív sínekre is telepítve vannak-e. Az erősítő által leadott teljesítmény nagymértékben függ a hálózati transzformátor specifikációitól. A követelmények többségéhez egy 35 - 0 - 35 voltos 160 VA toroid hálózati transzformátornak valójában elégnek kell lennie.

Ha sztereó működés előnyös, a transzformátort ki kell cserélni egy nehezebb 300 VA transzformátorra. Alternatív megoldásként izolált tápegységeket lehet építeni minden csatornához 160VA transzformátorral.

Ez nyugalmi körülmények között megközelítőleg 50 V tápfeszültséget tesz lehetővé, bár teljes terhelésnél ez a szint sokkal alacsonyabb szintre csökkenhet. Ez lehetővé teszi körülbelül 70 watt effektív érték elérését 8 ohmos névleges hangszórókon keresztül.

Kiemelendő szempont, hogy a hídirányítóban használt 1N5402 diódák maximális tolerálható áramértéke 3 amper. Ez bőven elegendő egy egycsatornás erősítőhöz, de ez nem elegendő egy sztereó verzióhoz. Sztereó változat esetén a diódákat 6 amp diódákkal vagy 6A4 diódákkal kell kicserélni.

NYÁK-elrendezések

Megtalálható egy teljes értékű NYÁK a saját 120 wattos MOSFET erősítő áramkörének felépítéséhez. A feltüntetett 4 MOSFET eszközt nagyméretű bordás hűtőbordákkal kell felszerelni, amelyek min. 4,5 watt / Celsius fok.

A kábelezéssel kapcsolatos óvintézkedések

• Ügyeljen arra, hogy a MOSFET kivezetési termináljai a lehető legrövidebbek legyenek, amelyek hossza legfeljebb 50 mm lehet.
• Ha ennél valamivel hosszabb ideig akarja tartani őket, győződjön meg arról, hogy kis értékű ellenállást (50 ohm 1/4 watt lehet) ad hozzá az egyes MOSFET-ek kapujához.
• Ez az ellenállás reagál a MOSFET bemeneti kapacitásával, és úgy működik, mint egy aluláteresztő szűrő, jobb frekvenciastabilitást biztosítva a nagyfrekvenciás jelbemenet számára.
• Nagy frekvenciájú bemeneti jeleknél azonban ezek az ellenállások hatással lehetnek a kimeneti teljesítményre, de ez valójában túl kicsi és alig észrevehető.
• A Tr6 tranzisztor valójában két, egymással párhuzamosan összekapcsolt n-csatornás MOSFET-ből áll, ugyanez vonatkozik a Tr7-re is, amelynek szintén van pár p-csatornás MOSFET-je párhuzamosan.
• Ennek a párhuzamos kapcsolatnak a megvalósításához a megfelelő MOSFET-párok kapuját, lefolyóját, forrását egyszerűen összekapcsolják egymással, ennyire egyszerű ez.
• Kérjük, vegye figyelembe, hogy a C8 kondenzátort és az R13 ellenállást közvetlenül a kimeneti aljzatra telepítik, és nem a nyomtatott áramköri lapra szerelik.
• A tápegység kiépítésének talán leghatékonyabb módja a huzalozás, mint az előző erősítő esetében. A huzalozás nagyjából megegyezik az előző áramkörével.

Beállítások és beállítások

1. Mielőtt bekapcsolná a teljes erősítő áramkört, győződjön meg róla, hogy többször gondosan megvizsgálja a vezetékeket.
2. Konkrétan ellenőrizze a tápegység vezetékeit és a kimeneti MOSFET-ek megfelelő csatlakozásait.
3. Az ilyen csatlakozások körüli hibák gyorsan az erősítő egység maradandó károsodásához vezethetnek.
4. Ezenkívül elõbb néhány beállítást el kell végeznie, mielõtt bekapcsolja a kész táblát.
5. Kezdje az R11 előre beállított beállítás teljes forgatásával az óramutató járásával ellentétes irányba, és először ne csatlakoztasson hangszórót az egység kimenetéhez.
6. Ezután a hangszóró helyett csatlakoztassa a multiméter (alacsony feszültségű DC tartományra beállított) szondáit az erősítő kimeneti pontjaihoz, és ellenőrizze, hogy az alacsony nyugalmi kimeneti feszültség elérhető-e.
7. Előfordulhat, hogy a mérő részfeszültséget mutat, vagy egyáltalán nincs feszültség, ami szintén rendben van.
8. Abban az esetben, ha a mérő nagy egyenfeszültséget jelez, azonnal ki kell kapcsolnia az erősítőt, és újra ellenőriznie kell a vezetékezés esetleges hibáit.

Következtetés

A fenti cikkben átfogóan megvitattuk azt a sok paramétert, amelyek döntő szerepet játszanak a teljesítményerősítő helyes és optimális működésének biztosításában.

Mindezek a paraméterek szabványosak, ezért hatékonyan használhatók és alkalmazhatók a MOSFET bármely erősítő áramkörének megtervezésekor, függetlenül a teljesítménytől és a feszültség specifikációitól.

A BJT és MOSFETs eszközökre vonatkozó különböző jellemzőket a tervező felhasználhatja a kívánt teljesítményerősítő áramkör megvalósítására vagy testreszabására.