Jak navrhovat obvody výkonového zesilovače MOSFET - vysvětleny parametry

V tomto příspěvku diskutujeme různé parametry, které je třeba vzít v úvahu při navrhování obvodu výkonového zesilovače MOSFET. Rovněž analyzujeme rozdíl mezi bipolárními tranzistory (BJT) a charakteristikami MOSFET a chápeme, proč jsou MOSFETy vhodnější a efektivnější pro aplikace výkonových zesilovačů.

Přispěl Daniel Schultz

Přehled

Při navrhování výkonového zesilovače se uvažuje v rozsahu 10 až 20 wattů , jsou obvykle upřednostňovány designy založené na integrovaných obvodech nebo IC kvůli jejich elegantní velikosti a nízkému počtu komponent.

Pro vyšší rozsahy výstupního výkonu je však diskrétní konfigurace považována za mnohem lepší volbu, protože nabízí vyšší účinnost a flexibilitu pro návrháře, pokud jde o výběr výstupního výkonu.

Dříve výkonové zesilovače využívající diskrétní části závisely na bipolárních tranzistorech nebo BJT. S příchodem sofistikované MOSFETy , BJT byly pomalu nahrazovány těmito pokročilými MOSFETy pro dosažení extrémně vysokého výstupního výkonu a úžasně omezeného prostoru a zmenšených PCB.

Přestože MOSFETy mohou vypadat přehnaně při navrhování středně velkých výkonových zesilovačů, lze je efektivně použít pro jakoukoli specifikaci velikosti a výkonového zesilovače.

Nevýhody použití BJT ve výkonových zesilovačích

Přestože bipolární zařízení fungují ve špičkových zvukových výkonových zesilovačích extrémně dobře, mají několik nevýhod, které ve skutečnosti vedly k zavedení pokročilých zařízení, jako jsou MOSFETy.

Snad největší nevýhodou bipolárních tranzistorů ve výstupních fázích třídy B je jev označovaný jako situace uprchlíka.

BJT obsahují kladný teplotní koeficient, což konkrétně vede k jevu zvanému tepelný útěk, který způsobuje potenciální poškození výkonových BJT v důsledku přehřátí.

Na obrázku vlevo je ukázáno základní nastavení standardního budiče třídy B a koncového stupně, využívající TR1 jako běžný budicí stupeň emitoru a Tr2 spolu s Tr3 jako doplňkový výstupní stupeň sledovače emitoru.

Porovnání konfigurace výstupní fáze zesilovače BJT vs MOSFET

Funkce výstupní fáze zesilovače

Pro návrh funkčního výkonového zesilovače je důležité správně nakonfigurovat jeho koncový stupeň.

Cílem výstupního stupně je především zajistit proudové zesílení (zisk napětí nezůstává větší než jednota), aby obvod mohl dodávat vysoké výstupní proudy nezbytné pro řízení reproduktoru při vyšší hlasitosti.

1. S odkazem na BJT diagram na levé straně výše, Tr2 funguje jako zdroj výstupního proudu během kladných výstupních cyklů, zatímco Tr3 dodává výstupní proud během záporných výstupních polovičních cyklů.
2. Základní zatížení kolektoru pro stupeň budiče BJT je navrženo se zdrojem konstantního proudu, který poskytuje vylepšenou linearitu na rozdíl od účinků dosažených jednoduchým zatěžovacím odporem.
3. K tomu dochází v důsledku rozdílů v zisku (a doprovodném zkreslení), ke kterým dochází vždy, když BJT pracuje v širokém rozsahu kolektorových proudů.
4. Použití zátěžového rezistoru uvnitř společného stupně emitoru s velkými výkyvy výstupního napětí může nepochybně vyvolat extrémně velký rozsah proudu kolektoru a velká zkreslení.
5. Aplikace konstantní proudové zátěže se zcela nezbaví zkreslení, protože napětí kolektoru přirozeně kolísá a zisk tranzistoru může do určité míry záviset na napětí kolektoru.
6. Protože však kolísání zisku v důsledku kolísání napětí kolektoru bývá poměrně malé, je docela dosažitelné nízké zkreslení mnohem nižší než 1 procento.
7. Předpěťový obvod připojený mezi základnami výstupních tranzistorů je nezbytný k tomu, aby se výstupní tranzistory dostaly do polohy, kde jsou právě na prahové hodnotě vodivosti.
8. Pokud se tak nestane, malé odchylky v kolektorovém napětí Tr1 nemusí být schopny dostat výstupní tranzistory do vedení a nemusí umožňovat jakékoli zlepšení výstupního napětí!
9. Vyšší variace napětí na kolektoru Tr1 by mohly generovat odpovídající změny výstupního napětí, ale to by pravděpodobně zmeškalo počáteční a koncovou část každého polovičního cyklu frekvence, což by vedlo k vážnému „zkříženému zkreslení“, jak se obvykle označuje.

Problém zkříženého zkreslení

I když se výstupní tranzistory dostanou na prahovou hodnotu vodivosti, neodstraní zkřížené zkreslení úplně, protože výstupní zařízení vykazují relativně malé množství zisku, zatímco fungují při snížených kolektorových proudech.

To poskytuje střední, ale nežádoucí druh zkreslení výhybky. Negativní zpětná vazba by mohla být použita k přirozenému překonání zkříženého zkreslení, ale k dosažení vynikajících výsledků je ve skutečnosti nezbytné použít přiměřeně vysoké klidové zkreslení nad výstupními tranzistory.

Právě tento velký zkreslený proud způsobuje komplikace s tepelným útěkem.

Předpínací proud způsobuje zahřívání výstupních tranzistorů a kvůli jejich kladnému teplotnímu koeficientu to způsobí zvýšení předpěťového proudu, generování ještě většího tepla a výsledné další zvýšení předpětí.

Tato pozitivní zpětná vazba tedy dodává postupný nárůst zkreslení, dokud se výstupní tranzistory příliš nezahřejí a nakonec nebudou spáleny.

Ve snaze chránit proti tomuto je zkreslení obvodu usnadněno zabudovaným systémem snímání teploty, který zpomaluje zkreslení v případě, že je detekována vyšší teplota.

Proto, když se výstupní tranzistor zahřívá, je zkreslený obvod ovlivňován generovaným teplem, které to detekuje a zastaví jakýkoli následný vzestup zkresleného proudu. V praxi nemusí být stabilizace zkreslení ideální a můžete najít malé odchylky, avšak správně nakonfigurovaný obvod může normálně vykazovat dostatečně dostatečně stabilní zkreslení.

Proč MOSFET fungují ve výkonových zesilovačích efektivněji než BJT

V následující diskusi se pokusíme pochopit, proč MOSFETy fungují lépe v konstrukcích výkonových zesilovačů ve srovnání s BJT.

Podobně jako BJT, pokud jsou použity ve výstupním stupni třídy B, MOSFET také vyžadují a předpětí překonat zkreslení crossoveru. Vzhledem k tomu, že výkonové MOSFETy mají záporný teplotní koeficient při proudech blízkých 100 miliampérů nebo více (a mírný kladný teplotní koeficient v nižších proudech), umožňuje méně komplikovaný budič třídy B a výstupní stupeň, jak ukazuje následující obrázek .

Tepelně stabilizovaný předpínací obvod by mohl být nahrazen rezistorem, protože teplotní charakteristiky výkonových MOSFETů obsahují zabudovanou tepelnou regulaci předpjatého proudu kolem 100 miliampérů (což je přibližně nejvhodnější předpěťový proud).

Další výzvou u BJT je poměrně nízký proudový zisk pouze 20 až 50. To může být pro zesilovače středního a vysokého výkonu zcela nedostatečné. Z tohoto důvodu vyžaduje extrémně výkonnou fázi ovladače. Typickým přístupem k řešení tohoto problému je využití a Darlingtonské páry nebo ekvivalentní konstrukce zajišťující přiměřeně vysoký proudový zisk, takže umožňuje použití stupně budiče s nízkým výkonem.

Napájejte MOSFETy, jako každý FET zařízení , bývají spíše napěťovými než proudovými.

Vstupní impedance výkonového MOSFETu je obvykle velmi vysoká, což umožňuje zanedbatelný odběr vstupního proudu s nízkými pracovními frekvencemi. Při vysokých pracovních frekvencích je však vstupní impedance mnohem nižší kvůli relativně vysoké vstupní kapacitě přibližně 500 pf.

Dokonce i při této vysoké vstupní kapacitě se pracovní proud sotva 10 miliampérů stane dostatečně silným ve fázi budiče, i když špičkový výstupní proud by mohl být zhruba tisíckrát větší než toto množství.

Dalším problémem u bipolárních napájecích zařízení (BJT) je jejich poněkud pomalý spínací čas. To má tendenci vytvářet celou řadu problémů, například zkreslení vyvolané zabitím.

To je případ, kdy silný vysokofrekvenční signál může vyžadovat spínací výstupní napětí řekněme 2 volty za mikrosekundu, zatímco výstupní stupeň BJT může případně umožnit rychlost přeběhu pouze voltu za mikrosekundu. Přirozeně bude výstup usilovat o slušnou reprodukci vstupního signálu, což povede k nevyhnutelnému zkreslení.

Nižší rychlost přeběhu může zesilovači také poskytnout nežádoucí šířku pásma výkonu, přičemž nejvyšší dosažitelný výkon výrazně klesá při vyšších zvukových frekvencích.

Fázová prodleva a oscilace

Dalším problémem je fázové zpoždění, ke kterému dochází prostřednictvím výstupního stupně zesilovače s vysokými frekvencemi, a které by mohlo způsobit, že se zpětná vazba přes systém negativní zpětné vazby změní na pozitivní místo negativní při extrémně vysokých frekvencích.

Pokud má zesilovač dostatečný zisk na takových frekvencích, může zesilovač přejít do oscilačního režimu a bude stále patrný nedostatek stability, i když zesílení obvodu není dostatečné pro spuštění oscilace.

Tento problém lze napravit přidáním prvků k vyřazení vysokofrekvenční odezvy obvodu a začleněním prvků fázové kompenzace. Tyto úvahy však snižují účinnost zesilovače při vysokých frekvencích vstupního signálu.

MOSFETy jsou rychlejší než BJT

Při návrhu výkonového zesilovače si musíme pamatovat, že rychlost přepínání výkonových MOSFETů je obecně asi 50 až 100krát rychlejší než BJT. Komplikace s nižší vysokofrekvenční funkčností lze proto snadno překonat použitím MOSFET namísto BJT.

Je skutečně možné vytvářet konfigurace bez jakýchkoli kmitočtová nebo fázová kompenzace Díly si stále zachovávají vynikající stabilitu a zahrnují úroveň výkonu, která je zachována pro frekvence daleko přesahující vysokofrekvenční zvukový limit.

Ještě dalším problémem s bipolárními výkonovými tranzistory je sekundární porucha. Jedná se o druh specifického tepelného útěku, který v zařízení vytváří „horkou zónu“, což má za následek zkrat přes jeho kolíky kolektoru / emitoru.

Aby se to nestalo, musí být BJT provozován výhradně uvnitř specifických rozsahů proudu a napětí kolektoru. Každému obvod audio zesilovače tato situace obvykle znamená, že výstupní tranzistory jsou nuceny pracovat dobře uvnitř svých tepelných omezení a optimální výstupní výkon získatelný z výkonových BJT je tak významně snížen, mnohem nižší, než jejich nejvyšší hodnoty rozptylu ve skutečnosti umožňují.

Díky Záporný teplotní koeficient MOSFETu při vysokých odtokových proudech tato zařízení nemají problémy se sekundárním selháním. U MOSFETů jsou maximální přípustné hodnoty odtokového proudu a odtokového napětí prakticky jen omezeny jejich funkcí rozptylu tepla. Proto se tato zařízení stávají zvláště vhodnými pro aplikace s vysokým výkonem zesilovače zvuku.

Nevýhody MOSFET

Navzdory výše uvedeným skutečnostem má MOSFET také několik nevýhod, které jsou relativně menší a nevýznamné. Zpočátku byly MOSFETy velmi drahé ve srovnání s odpovídajícími bipolárními tranzistory. Rozdíl v ceně se však v dnešní době mnohem zmenšil Když vezmeme v úvahu skutečnost, že MOSFET umožňují mnohem jednodušší složité obvody a nepřímé výrazné snížení nákladů, činí protějšek BJT docela triviální i při jeho nízké ceně štítek.

Výkonové MOSFETy se často vyznačují zvýšeným výkonem zkreslení otevřené smyčky než BJT. Díky svému vysokému zisku a rychlým rychlostem přepínání však výkonové MOSFETy umožňují použití vysoké úrovně negativní zpětné vazby napříč celým frekvenčním spektrem zvuku, což nabízí bezkonkurenční zkreslení uzavřené smyčky účinnost.

Další nevýhodou výkonových MOSFETů je jejich nižší účinnost ve srovnání s BJT při použití ve výstupních stupních standardního zesilovače. Důvodem je vysoce výkonný sledovací stupeň emitoru, který generuje pokles napětí mezi vstupem a výstupem kolem 1 voltu, i když na vstupu / výstupu zdroje sledovacího stupně dochází ke ztrátě několika voltů. K vyřešení tohoto problému není snadný přístup, zdá se však, že jde o malé snížení účinnosti, které by nemělo být bráno v úvahu a mohlo by být ignorováno.

Porozumění praktickému designu zesilovače MOSFET

Na následujícím obrázku je funkční schéma Zesilovač MOSFET s výkonem 35 W obvod. Kromě aplikace MOSFET ve výstupní fázi zesilovače vše v podstatě vypadá jako velmi běžný design zesilovače MOSFET.

• Tr1 je vybaven jako společný vstupní stupeň emitoru , přímo připojený ke společnému stupni ovladače emitoru Tr3. Oba tyto stupně nabízejí celkový zisk napětí zesilovače a zahrnují extrémně velký celkový zisk.
• Tr2 spolu s připojenými částmi vytváří jednoduchý generátor konstantního proudu, který má mezní výstupní proud 10 miliampérů. To funguje jako hlavní zatížení kolektoru pro Tr3.
• Pro stanovení správného se používá R10 klidový zkreslený proud prostřednictvím výstupních tranzistorů a jak již bylo zmíněno dříve, tepelná stabilizace zkresleného proudu není ve skutečnosti v zkresleném obvodu provedena, ale spíše je dodávána samotnými výstupními zařízeními.
• R8 přináší prakticky 100% negativní zpětná vazba od výstupu zesilovače k ​​emitoru Tr1, což umožňuje obvodu jen přibližně jednotný zisk napětí.
• Rezistory R1, R2 a R4 fungují jako síť děliče potenciálů pro předpětí vstupního stupně zesilovače a následně i výstupu zhruba na polovinu napájecího napětí. To umožňuje nejvyšší dosažitelnou výstupní úroveň před oříznutím a zahájením kritického zkreslení.
• R1 a C2 se používají jako filtrační obvod, který ruší kmitočet bzučení a další formy potenciálních zvuků na napájecích vedeních od vstupu do vstupu zesilovače přes zkreslený obvod.
• R3 a C5 fungují jako RF filtr což zabraňuje rušení vysokofrekvenčních signálů přímo ze vstupu na výstup a způsobuje slyšitelné poruchy. C4 také pomáhá řešit stejný problém efektivním rozvinutím vysokofrekvenční odezvy zesilovače přes horní mez frekvence zvuku.
• Aby bylo zajištěno, že zesilovač získá dobrý napěťový zisk na slyšitelných frekvencích, je nutné to udělat oddělte negativní zpětnou vazbu do určité míry.
• C7 plní roli oddělovací kondenzátor , zatímco rezistor R6 omezuje množství zpětné vazby, která je vyčištěna.
• Okruh zisk napětí je přibližně určeno vydělením R8 na R6, nebo přibližně 20krát (26 dB) s přiřazenými hodnotami dílů.
• Maximální výstupní napětí zesilovače bude 16 voltů RMS, což umožňuje vstupní citlivost zhruba kolem 777 mV RMS pro dosažení plného výkonu. Vstupní impedance může být více než 20k.
• C3 a C8 jsou použity jako vstupní a výstupní spojovací kondenzátory. C1 umožňuje oddělení pro napájecí DC.
• R11 a C9 slouží výhradně k usnadnění a řízení stability zesilovače tím, že fungují jako populární Síť Zobel , které se často nacházejí kolem výstupních stupňů většiny návrhů polovodičových výkonových zesilovačů.

Analýza výkonu

Zdá se, že prototypový zesilovač funguje neuvěřitelně dobře, konkrétně jen tehdy, když si všimneme poměrně jednoduchého designu jednotky. Zobrazený designový obvod zesilovače MOSFET bude šťastně vydávat 35 W RMS do zátěže 8 ohmů.

• The Celkové harmonické zkreslení nebude vyšší než přibližně 0,05%. Prototyp byl analyzován pouze pro signální frekvence kolem 1 kHz.
• Nicméně okruh je zisk otevřené smyčky Bylo zjištěno, že je prakticky konstantní v celém frekvenčním rozsahu zvuku.
• The frekvenční odezva uzavřené smyčky byla měřena při -2 dB s přibližně 20 Hz a 22 kHz signály.
• Zesilovač odstup signálu od šumu (bez připojeného reproduktoru) byla vyšší než 80 dB, i když ve skutečnosti může existovat možnost malého množství ruce hučení z napájecího zdroje, který je detekován na reproduktorech, ale úroveň může být za normálních podmínek příliš nízká, aby bylo slyšet

Zdroj napájení

Obrázek výše ukazuje vhodně nakonfigurovaný napájecí zdroj pro design zesilovače MOSFET s výkonem 35 W. Napájecí zdroj může být dostatečně výkonný, aby zvládl mono nebo stereo model jednotky.

Napájení je ve skutečnosti tvořeno účinným párem push-pull usměrňovačů a vyhlazovacích obvodů, které mají své výstupy zapojené do série, aby poskytly celkové výstupní napětí odpovídající dvojnásobku potenciálu aplikovaného jednotlivým usměrňovačem a kapacitním filtračním obvodem.

Diody D4, D6 a C10 tvoří jednu konkrétní část napájecího zdroje, zatímco druhá část je dodávána pomocí D3, D5 a C11. Každý z nich nabízí mírně pod 40 voltů bez připojené zátěže a celkové napětí 80 V bez zátěže.

Tato hodnota může klesnout na přibližně 77 voltů, když je zesilovač načten stereofonním vstupním signálem v klidovém stavu v provozu, a na pouhých 60 voltů, když jsou dva kanály zesilovače provozovány na plný nebo maximální výkon.

Konstrukční tipy

Ideální uspořádání desek plošných spojů pro 35 W zesilovač MOSFET je znázorněno na obrázcích níže.

To je zamýšleno pro jeden kanál zesilovacího obvodu, takže je přirozeně nutné sestavit dvě takové desky, když je stereo zesilovač nezbytný. Výstupní tranzistory rozhodně nejsou namontovány na desce plošných spojů, spíše než u velkého žebrovaného typu.

Není nutné používat slídovou izolační sadu pro tranzistory při jejich upevňování na chladiči. Důvodem je, že zdroje MOSFET jsou přímo připojeny k jejich kovovým výstupkům a tyto kolíky zdroje musí být i tak navzájem propojeny.

Protože však nejsou izolovány od chladiče, může být skutečně důležité zajistit, aby chladiče nepřijely do elektrického kontaktu s různými jinými částmi zesilovače.

U stereofonní implementace by také nemělo být dovoleno, aby se jednotlivé chladiče použité pro pár zesilovačů dostaly do vzájemné elektrické blízkosti. K připojení výstupních tranzistorů k desce plošných spojů vždy používejte kratší vodiče maximálně přibližně 50 mm.

To je zvláště důležité pro vodiče, které se spojují s hradlovými svorkami výstupních MOSFETů. Vzhledem k tomu, že výkonové MOSFETy mají vysoký zisk při vysokých frekvencích, delší vodiče mohou vážně ovlivnit odezvu stability zesilovače nebo dokonce spustit vysokofrekvenční oscilaci, což může způsobit trvalé poškození výkonových MOSFETů.

Z praktického hlediska však pravděpodobně nenajdete žádné potíže při přípravě návrhu, abyste zajistili, že tyto vodiče budou účinně drženy kratší. Může být důležité si uvědomit, že C9 a R11 jsou namontovány mimo desku plošných spojů a jsou jednoduše zapojeny do série přes výstupní zásuvku.

Tipy pro konstrukci napájecího zdroje

Obvod napájecího zdroje je sestaven použitím zapojení typu point-to-point, jak je uvedeno na následujícím obrázku.

Ve skutečnosti to vypadá docela jasně, přesto je zajištěno, že kondenzátory C10 a C11 oba typy sestávají z fiktivní značky. V případě, že nejsou, může být zásadní použít tag-strip pro povolení několika portů připojení. Pájecí štítek je připevněn k jednomu konkrétnímu montážnímu šroubu T1, který nabízí bod připojení šasi pro síťový zemnicí vodič střídavého proudu.

Úpravy a nastavení

1. Nezapomeňte důkladně prozkoumat zapojení před zapnutím napájení, protože chyby v zapojení mohou způsobit nákladné zničení a mohou být jistě nebezpečné.
2. Před zapnutím obvodu seřiďte R10, abyste získali minimální odpor (otáčejte proti směru hodinových ručiček).
3. Když je FS1 na okamžik vyjmutý a multimetr fixovaný na měření 500mA FSD připojený přes držák pojistky, musí být na měřiči viditelný údaj kolem 20mA, když je zesilovač zapnutý (to může být 40mA, když je použito dvoukanálové stereo).
4. V případě, že zjistíte, že měřicí přístroj je v zásadě odlišný od tohoto, okamžitě vypněte napájení a znovu zkontrolujte celé zapojení. Naopak, pokud je vše v pořádku, pomalu přesuňte R10, abyste maximalizovali odečet měřiče až na hodnotu 100 mA.
5. Pokud je požadován stereofonní zesilovač, musí být R10 napříč oběma kanály vyladěn, aby se proud odebral až do 120 mA, pak musí být R10 ve 2. kanálu jemně doladěn, aby se zvýšila spotřeba proudu na 200 mA. Jakmile jsou tyto splněny, je váš zesilovač MOSFET připraven k použití.
6. Při nastavování zesilovače buďte velmi opatrní, abyste se nedotkli žádného síťového připojení.
7. Veškeré nekryté kabelové nebo kabelové přípojky, které mohou být na potenciálu střídavého proudu, by měly být před připojením zařízení k elektrické síti řádně izolovány.
8. Není třeba říkat, že stejně jako u všech obvodů napájených střídavým proudem by měl být uzavřen v robustní skříni, kterou lze odšroubovat pouze pomocí speciálního šroubováku a jiné sady nástrojů, aby bylo zajištěno, že neexistují žádné rychlé prostředky k dosažení nebezpečného síťové vedení a nehody jsou bezpečně eliminovány.

Seznam dílů pro výkonový zesilovač MOSFET 35 W

120W MOSFET zesilovač aplikační obvod

V závislosti na specifikacích napájení, praktické 120 wattový zesilovač MOSFET obvod je schopen nabídnout výstupní výkon v rozsahu přibližně 50 a 120 W RMS do 8 ohmového reproduktoru.

Tento design také zahrnuje MOSFETy ve výstupní fázi, aby poskytly vynikající úroveň celkového výkonu i při velké jednoduchosti obvodu

Celkové harmonické zkreslení zesilovače není větší než 0,05%, ale pouze v případě, že obvod není přetížen a poměr signálu k šumu je lepší než 100 dB.

Porozumění fázím zesilovače MOSFET

Jak je uvedeno výše, tento obvod je navržen s odkazem na rozložení Hitachi. Na rozdíl od posledního provedení tento obvod využívá stejnosměrné propojení reproduktoru a obsahuje dvojité vyvážené napájení se středním 0 V a uzemňovací lištou.

Toto vylepšení zbavuje závislosti na velkých výstupních vazebních kondenzátorech i nízkého výkonu při nízkofrekvenčním výkonu, který tento kondenzátor generuje. Kromě toho toto uspořádání také umožňuje obvodu slušnou schopnost odmítnutí zvlnění napájení.

Kromě funkce spojování stejnosměrným proudem se návrh obvodu jeví velmi odlišně od designu použitého v dřívějším návrhu. Zde vstupní i budicí stupně obsahují diferenciální zesilovače.

Vstupní stupeň je konfigurován pomocí Tr1 a Tr2, zatímco stupeň ovladače je závislý na Tr3 a Tr4.

Tranzistor Tr5 je konfigurován jako zatížení kolektoru konstantního proudu pro Tr4. Cesta signálu pomocí zesilovače začíná pomocí vstupního vazebního kondenzátoru C1 spolu s RF filtrem R1 / C4. R2 se používá pro předpětí vstupu zesilovače na centrální 0V napájecí trati.

Tr1 je zapojen jako efektivní a zesilovač společného emitoru který má svůj výstup přímo připojený k Tr4, který se používá jako společný stupeň ovladače emitoru. Od této fáze je zvukový signál spojen s Tr6 a Tr7, které jsou upraveny jako doplňkový výstupní stupeň sledovače zdroje.

The negativní zpětná vazba je extrahován z výstupu zesilovače a spojen se základnou Tr2 a navzdory skutečnosti, že nedochází k inverzi signálu přes základnu Tr1 na výstup zesilovače, existuje inverze přes základnu Tr2 a výstup. Je to proto, že Tr2 fungující jako sledovač emitoru dokonale řídí emitor Tr1.

Když je na emitor Tr1 přiveden vstupní signál, tranzistory úspěšně fungují jako a společný základní stupeň . Proto, i když inverze neprobíhá pomocí Tr1 a Tr2, inverze se děje prostřednictvím Tr4.

K fázové změně nedochází ani přes výstupní stupeň, což znamená, že zesilovač a základna Tr2 mají sklon k provádění požadované požadované negativní zpětné vazby mimo fázi. Hodnoty R6 a R7, jak je navrženo v diagramu, poskytují napěťový zisk přibližně 28krát.

Jak jsme se dozvěděli z našich předchozích diskusí, malou nevýhodou výkonových MOSFETů je to, že se stanou méně efektivními než BJT, když jsou zapojeny přes tradiční výstupní stupeň třídy B. Relativní účinnost výkonových MOSFETů se také velmi zhoršuje u obvodů s vysokým výkonem, které vyžadují vysoké napětí brány / zdroje pro vysoké proudy zdroje.

Lze předpokládat, že maximální výkyv výstupního napětí se rovná napájecímu napětí minus maximální brána do zdrojového napětí jednotlivého tranzistoru, což rozhodně umožňuje výkyv výstupního napětí, který může být podstatně nižší než použité napájecí napětí.

Přímým prostředkem k dosažení vyšší účinnosti by bylo v zásadě začlenit několik podobných MOSFETů připojených paralelně přes každý z výstupních tranzistorů. Nejvyšší množství proudu zpracovaného každým výstupním MOSFETem bude poté zhruba sníženo na polovinu a maximální napětí zdroje na hradle každého MOSFETu bude odpovídajícím způsobem sníženo (spolu s přiměřeným nárůstem výkyvu výstupního napětí zesilovače).

Podobný přístup však nefunguje, když je aplikován na bipolární zařízení, a to je v zásadě způsobeno jejich kladný teplotní koeficient charakteristiky. Pokud jeden konkrétní výstup BJT začne odebírat nadměrný proud než druhý (protože žádné dva tranzistory nebudou mít přesně stejnou charakteristiku), jedno zařízení začne být horší než druhé.

Tato zvýšená teplota způsobí snížení prahového napětí emitoru / základny BJT a ve výsledku začne spotřebovávat mnohem větší část výstupního proudu. Situace pak způsobí, že tranzistor se zahřeje, a tento proces pokračuje nekonečně, dokud jeden z výstupních tranzistorů nezačne zpracovávat veškerou zátěž, zatímco druhý zůstane neaktivní.

Tento druh problému nelze u výkonových MOSFETů vidět kvůli jejich negativnímu teplotnímu koeficientu. Když se jeden MOSFET začne ohřívat, kvůli jeho negativnímu teplotnímu koeficientu začne zvyšující se teplo omezovat tok proudu jeho odtokem / zdrojem.

To posune přebytečný proud směrem k druhému MOSFETu, který se nyní začíná zahřívat, a docela podobně teplo způsobí, že se proud skrz něj úměrně sníží.

Situace vytváří vyvážený podíl proudu a rozptyl napříč zařízeními, díky čemuž zesilovač pracuje mnohem efektivněji a spolehlivěji. Tento jev také umožňuje MOSFETy, které mají být připojeny paralelně jednoduše spojením brány, zdroje a odtoku vede bez velkých výpočtů a obav.

Napájecí zdroj pro 120 W zesilovač MOSFET

Vhodně navržený napájecí obvod pro 120 W zesilovač MOSFET je uveden výše. To vypadá podobně jako napájecí obvod pro naši dřívější konstrukci.

Jediný rozdíl spočíval v tom, že napájení transformátoru ze středu transformátoru na křižovatce dvou vyhlazovacích kondenzátorů bylo zpočátku ignorováno. V tomto příkladu je to zvyklé na zajištění středního 0V uzemnění, zatímco zemní síť se také připojí na tomto spoji místo na zápornou napájecí lištu.

Pojistky najdete instalované přes kladnou i zápornou lištu. Výstupní výkon dodávaný zesilovačem do značné míry závisí na specifikacích síťového transformátoru. Pro většinu požadavků by měl být toroidní síťový transformátor 35 - 0 - 35 voltů 160 VA skutečně dostačující.

Li stereofonní provoz je upřednostňováno, bude nutné vyměnit transformátor za těžší transformátor 300 VA. Alternativně lze izolované napájecí zdroje postavit pomocí transformátoru 160 VA pro každý kanál.

To umožňuje napájecí napětí přibližně 50 V za klidových podmínek, i když při plném zatížení může tato úroveň klesnout na mnohem nižší úroveň. To umožňuje získání výkonu až kolem 70 W RMS prostřednictvím reproduktorů s hodnocením 8 ohmů.

Klíčovým bodem, který je třeba poznamenat, je, že diody 1N5402 používané v můstkovém usměrňovači mají maximální tolerovatelný proudový proud 3 ampéry. To může být dostatečné pro jednokanálový zesilovač, ale to nemusí stačit pro stereofonní verzi. U stereofonní verze musí být diody nahrazeny 6 zesilovacími diodami nebo 6A4 diodami.

Uspořádání desek plošných spojů

Najdete plnohodnotnou desku plošných spojů pro sestavení vlastního 120wattového obvodu zesilovače MOSFET. Uvedená 4 zařízení MOSFET by měla být připojena k velkým žebrovaným chladičům, které musí být dimenzovány na minimálně 4,5 stupně Celsia na watt.

Bezpečnostní opatření ohledně elektroinstalace

• Dbejte na to, aby byly vývody MOSFET co nejkratší, což nesmí být delší než přibližně 50 mm.
• Chcete-li je uchovat o něco déle, nezapomeňte do brány každého z MOSFETů přidat rezistor s nízkou hodnotou (může být 50 ohm 1/4 watt).
• Tento rezistor bude reagovat na vstupní kapacitu MOSFETu a bude se chovat jako dolní propust, což zajistí lepší frekvenční stabilitu vysokofrekvenčního signálu.
• U vysokofrekvenčních vstupních signálů však tyto odpory mohou mít určitý vliv na výstupní výkon, ale to může být ve skutečnosti příliš malé a těžko patrné.
• Tranzistor Tr6 se ve skutečnosti skládá ze dvou n-kanálových MOSFETů zapojených paralelně, totéž platí pro Tr7, který má také několik paralelních M-kanálů p-kanálu.
• K implementaci tohoto paralelního připojení se brána, odtok, zdroj příslušných párů MOSFET jednoduše spojí navzájem, to je vše tak jednoduché.
• Pamatujte také, že kondenzátor C8 a odpor R13 jsou instalovány přímo na výstupní zásuvku a nejsou smontovány na desce plošných spojů.
• Snad nejúčinnější metodou budování napájecího zdroje je pevné zapojení, stejně jako u napájecího zdroje, jako u předchozího zesilovače. Zapojení je téměř stejné jako u tohoto předchozího obvodu.

Úpravy a nastavení

1. Před zapnutím dokončeného obvodu zesilovače nezapomeňte několikrát pečlivě zkontrolovat všechny kabely.
2. Konkrétně zkontrolujte kabeláž napájecího zdroje a příslušná propojení napříč výstupními výkonovými MOSFETy.
3. Poruchy kolem těchto spojení by mohly rychle vést k trvalému poškození zesilovací jednotky.
4. Před zapnutím dokončené desky budete také muset provést několik předchozích úprav.
5. Začněte otočením předvolby R11 zcela proti směru hodinových ručiček a zpočátku nepřipojujte k výstupu jednotky reproduktor.
6. Dále namísto reproduktoru připojte sondy multimetru (nastavené na rozsah nízkého napětí DC) přes výstupní body zesilovače a ujistěte se, že ukazuje, že je k dispozici nízké klidové výstupní napětí.
7. Můžete zjistit, že měřič ukazuje zlomkové napětí nebo nemusí být vůbec žádné, což je také v pořádku.
8. Pokud je měřičem indikováno velké stejnosměrné napětí, musíte okamžitě vypnout zesilovač a znovu zkontrolovat případné chyby v zapojení.

Závěr

Ve výše uvedeném článku jsme komplexně diskutovali o mnoha parametrech, které hrají klíčovou roli při zajišťování správného a optimálního fungování výkonového zesilovače.

Všechny tyto parametry jsou standardní, a proto je lze efektivně použít a použít při navrhování libovolného obvodu výkonového zesilovače MOSFET bez ohledu na výkon a specifikace napětí.

Různé charakteristiky podrobně týkající se zařízení BJT a MOSFET mohou konstruktér použít k implementaci nebo přizpůsobení požadovaného obvodu výkonového zesilovače.