Kuinka suunnitella MOSFET-tehovahvistinpiirejä - Parametrit selitetty

Kokeile Instrumenttia Ongelmien Poistamiseksi





Tässä viestissä keskustelemme useista parametreista, jotka on otettava huomioon suunniteltaessa MOSFET-tehovahvistinpiiriä. Analysoimme myös eron bipolaaristen liitostransistoreiden (BJT) ja MOSFET-ominaisuuksien välillä ja ymmärrämme, miksi MOSFETS ovat sopivampia ja tehokkaampia tehovahvistinsovelluksiin.

Mukana Daniel Schultz



Yleiskatsaus

Suunnitellessaan tehovahvistinta pidetään alueella 10-20 wattia , integroidun piirin tai mikropiirin pohjaiset mallit ovat yleensä edullisia niiden tyylikkään koon ja pienen komponenttimäärän vuoksi.



Suuremmilla tehoalueilla erillistä kokoonpanoa pidetään kuitenkin paljon parempana vaihtoehtona, koska ne tarjoavat suunnittelijalle suuremman hyötysuhteen ja joustavuuden teholähteen valinnassa.

Aikaisemmin erillisiä osia käyttävät tehovahvistimet riippuivat bipolaarisista transistoreista tai BJT: stä. Kuitenkin kynnyksellä hienostunut MOSFET , BJT: t korvattiin hitaasti näillä edistyneillä MOSFET-laitteilla, jotta saavutettaisiin erittäin suuri teho ja hämmästyttävän rajallinen tila ja pienennettiin piirilevyjä.

Vaikka MOSFETit saattavat näyttää ylisuurilta keskisuurten tehovahvistimien suunnittelussa, niitä voidaan tehokkaasti soveltaa mihin tahansa kokoon ja tehovahvistimeen.

Haitat BJT: n käytöstä vahvistimissa

Vaikka kaksisuuntaiset laitteet toimivat erittäin hyvin huippuluokan audiotehovahvistimissa, niihin sisältyy muutamia haittoja, jotka todella johtivat edistyneiden laitteiden, kuten MOSFETien, käyttöönottoon.

Ehkä suurin kaksisuuntaisten transistoreiden haittapuoli luokan B lähtövaiheissa on ilmiö, jota kutsutaan pakenevaksi tilanteeksi.

BJT: t sisältävät positiivisen lämpötilakertoimen, ja tämä aiheuttaa nimenomaan ilmiön, jota kutsutaan lämpökäynnistykseksi, aiheuttaen ylikuumenemisen seurauksena teho-BJT: n mahdolliset vauriot.

Yläpuolella olevalla vasemmalla puolella olevassa kuvassa on esitetty vakioluokan B ohjaimen ja lähtövaiheen perusrakenne, jossa käytetään TR1: tä, kuten yhteistä lähettimen kuljettajavaihetta, ja Tr2: ta yhdessä Tr3: n kanssa täydentävänä emitterin seuraajan lähtöasteena.

BJT: n ja MOSFET-vahvistimen lähtövaiheen kokoonpanon vertailu

Vahvistimen lähtövaiheen toiminta

Toimivan tehovahvistimen suunnittelussa on tärkeää määrittää sen lähtöaste oikein.

Lähtötason tavoitteena on ensisijaisesti tarjota virranvahvistus (jännitteen vahvistus, joka pysyy korkeintaan yhtenäisyydessä), jotta piiri voi syöttää korkeat lähtövirrat, jotka ovat välttämättömiä kaiuttimen ajamiseksi korkeammalla äänenvoimakkuudella.

  1. Viitaten yllä olevaan vasemmanpuoleiseen BJT-kaavioon, Tr2 toimii kuin lähtövirtalähde positiivisten menosignaalien aikana, kun taas Tr3 syöttää lähtövirran negatiivisten lähtöjaksojen aikana.
  2. BJT-kuljettajan vaiheen peruskeräinkuormitus on suunniteltu vakiovirtalähteellä, joka tarjoaa paremman lineaarisuuden verrattuna yksinkertaisella kuormitusvastuksella saavutettuihin vaikutuksiin.
  3. Tämä johtuu eroista vahvistuksessa (ja siihen liittyvässä vääristymässä), joita tapahtuu aina, kun BJT toimii laajalla kollektorivirta-alueella.
  4. Kuormavastuksen käyttäminen yhteisessä emitterivaiheessa suurilla lähtöjännitevaihteluilla voi epäilemättä laukaista erittäin suuren kollektorivirta-alueen ja suuret vääristymät.
  5. Jatkuvan virtakuorman käyttö ei poista täysin vääristymiä, koska kollektorijännite vaihtelee luonnollisesti ja transistorin vahvistus voi jossain määrin riippua kollektorijännitteestä.
  6. Koska kollektorijännitteen vaihteluista johtuvat vahvistusvaihtelut ovat kuitenkin yleensä melko pieniä, pienet, paljon alle 1 prosentin vääristymät ovat täysin saavutettavissa.
  7. Lähtötransistorien alustojen väliin kytketty esijännitepiiri on välttämätön, jotta lähtötransistorit viedään asentoon, jossa ne ovat juuri johtavan kynnyksen kohdalla.
  8. Jos näin ei tapahdu, pienet vaihtelut Tr1: n kollektorijännitteessä eivät välttämättä pysty saamaan lähtötransistoreita johtaviksi eivätkä ne välttämättä salli minkäänlaista lähtöjännitteen parannusta!
  9. Suuremmat jännitteen vaihtelut Tr1: n kollektorissa saattavat tuottaa vastaavia muutoksia lähtöjännitteessä, mutta tämä todennäköisesti menettäisi taajuuden jokaisen puolisyklin aloitus- ja loppuosan, mikä aiheuttaisi vakavia 'jakosuodon vääristymiä', kuten normaalisti viitataan.

Crossover-vääristymäongelma

Vaikka lähtötransistorit viedään johtokynnykseen, se ei poista täysin jakosuodon vääristymiä, koska lähtölaitteiden vahvistus on suhteellisen pieni, kun ne toimivat alennetuilla kollektorivirroilla.

Tämä tarjoaa kohtuullisen mutta ei-toivotun tyyppisen jakosuodon vääristymän. Negatiivista palautetta voitaisiin hyödyntää jakosuodon vääristymien luonnollisessa torjunnassa, mutta erinomaisten tulosten saavuttamiseksi on tosiasiallisesti välttämätöntä käyttää kohtuullisen suurta lepotilaa bias lähtötransistoreihin nähden.

Juuri tämä suuri biasvirta aiheuttaa komplikaatioita termisen pakenemisen kanssa.

Esivirta aiheuttaa lähtötransistorien lämpenemisen, ja niiden positiivisen lämpötilakertoimen vuoksi tämä aiheuttaa esijännitevirran kasvun, joka tuottaa vielä enemmän lämpöä ja siitä johtuvaa lisäarvoa esijännitevirrassa.

Tämä positiivinen palaute kasvattaa siten asteittaista esijännitystä, kunnes lähtötransistorit lämpenevät ja lopulta palavat.

Pyrkimykseksi suojautua tätä vastaan ​​esijännitepiiri helpotetaan sisäänrakennetulla lämpötila-anturijärjestelmällä, joka hidastaa esijännitystä, jos korkeampi lämpötila havaitaan.

Siksi, kun lähtötransistori lämpenee, syntyvä lämpö vaikuttaa esijännitepiiriin, joka havaitsee tämän ja pysäyttää mahdollisen esijännitevirran nousun. Käytännössä esijännityksen stabilointi ei välttämättä ole ihanteellinen ja saatat löytää pieniä muunnelmia, mutta oikein konfiguroidulla piirillä voi normaalisti olla riittävän riittävä esijännityksen vakaus.

Miksi MOSFETit toimivat tehokkaammin kuin BJT: t tehovahvistimissa

Seuraavassa keskustelussa yritämme ymmärtää, miksi MOSFETit toimivat paremmin tehovahvistimissa verrattuna BJT: iin.

Samoin kuin BJT: t, jos MOSFET: t työskentelevät luokan B ulostulovaiheessa, ne vaativat myös a eteenpäin suuntautuva puolue ylittämään vääristymät. Tästä huolimatta, koska teho-MOSFET-laitteilla on negatiivinen lämpötilakerroin, joka on lähellä 100 milliampeeria tai enemmän (ja pieni positiivinen lämpötilakerroin pienemmissä virroissa), se sallii vähemmän monimutkaisen luokan B ohjaimen ja lähtöasteen, kuten seuraavassa kuvassa on esitetty .

Lämpöstabiloitu esijännitepiiri voitaisiin korvata vastuksella, koska teho-MOSFET-laitteiden lämpötilaominaisuudet sisältävät sisäänrakennetun esijännitevirran lämpösäädön noin 100 milliampeerilla (mikä on suunnilleen paras sopivin esivirta).

Lisähaaste BJT-laitteiden kanssa on melko pieni virranvahvistus, vain 20-50. Tämä voi olla melko riittämätöntä keski- ja suuritehoisille vahvistimille. Tämän vuoksi se vaatii erittäin voimakkaan kuljettajan vaiheen. Tyypillinen tapa ratkaista tämä asia on käyttää a Darlington-parit tai vastaava rakenne riittävän suuren virranvahvistuksen aikaansaamiseksi niin, että se mahdollistaa pienitehoisen kuljettajan vaiheen käyttämisen.

Teho MOSFETit, aivan kuten kaikki FET-laite , ovat yleensä jännitteellä toimivia laitteita eikä virtaa käyttäviä.

Teho-MOSFETin tuloimpedanssi on tyypillisesti erittäin korkea, mikä sallii vähäisen tulovirran ottamisen matalilla taajuuksilla. Suurilla työskentelytaajuuksilla tuloimpedanssi on kuitenkin paljon pienempi, koska suhteellisen korkea tulokapasitanssi on noin 500 pf.

Jopa tämän suuren syöttökapasitanssin ansiosta tuskin 10 milliampeerin käyttövirta tulee tarpeeksi kuljettajan vaiheen kautta, vaikka huippulähtövirta voisi olla noin tuhatkertainen tähän määrään.

Bipolaaristen voimalaitteiden (BJT) lisäongelma on niiden hieman hidas kytkentäaika. Tällä on taipumus luoda monenlaisia ​​aiheita, kuten kääntyneet vääristymät.

Tällöin voimakas suurtaajuussignaali voi vaatia kytkentälähtöjännitteen, joka on sanottava 2 volttia mikrosekunnissa, kun taas BJT-lähtövaihe voi mahdollisesti sallia vain volttin / mikrosekunnin tappionopeuden. Luonnollisesti lähtö pyrkii tuottamaan tulosignaalin kunnollisen toiston, mikä johtaa väistämättömään vääristymään.

Heikompi taajuus voi myös antaa vahvistimelle ei-toivotun tehon kaistanleveyden, jolloin suurin saavutettavissa oleva teholähtö putoaa merkittävästi korkeammilla äänitaajuuksilla.

Vaiheviive ja värähtelyt

Toinen huolenaihe on vaiheviive, joka tapahtuu vahvistimen lähtöasteen kautta korkeilla taajuuksilla ja joka saattaa aiheuttaa negatiivisen takaisinkytkentäjärjestelmän takaisinkytkennän muuttumisen positiiviseksi negatiivisen sijasta erittäin korkeilla taajuuksilla.

Jos vahvistimella on riittävä vahvistus tällaisilla taajuuksilla, vahvistin voi siirtyä värähtelymoodiin, ja vakauden puute on edelleen havaittavissa, vaikka piirin vahvistus ei ole riittävä värähtelyn laukaisemiseksi.

Tämä ongelma voitaisiin korjata lisäämällä elementtejä piirin korkean taajuuden vasteeseen ja sisällyttämällä vaiheen kompensointielementit. Nämä näkökohdat kuitenkin heikentävät vahvistimen tehokkuutta suurilla tulosignaalitaajuuksilla.

MOSFETit ovat nopeampi kuin BJT

Suunnitellessamme tehovahvistinta meidän on muistettava, että tehon MOSFETien kytkentänopeus on yleensä noin 50-100 kertaa nopeampi kuin BJT. Siksi komplikaatiot, joilla on huonompi korkeataajuuksinen toiminnallisuus, voidaan helposti voittaa käyttämällä MOSFET: iä BJT: n sijaan.

Konfigurointeja on todella mahdollista luoda ilman mitään taajuuden tai vaiheen kompensointi osat säilyttävät silti erinomaisen vakauden ja sisältävät suorituskykytason, joka säilyy taajuuksilla, jotka ylittävät huomattavasti korkean taajuuden äänirajan.

Vielä yksi vaikeus bipolaaristen tehotransistoreiden kanssa on toissijainen hajoaminen. Tämä viittaa eräänlaiseen spesifiseen lämpökäynnistykseen, joka luo laitteeseen 'kuuman vyöhykkeen', mikä johtaa oikosulkuun sen kerääjä- / emitteritappien yli.

Jotta näin ei tapahtuisi, BJT: tä on käytettävä yksinomaan kollektorivirran ja jännitteen tietyillä alueilla. Kaikille äänenvahvistinpiiri tämä tilanne tarkoittaa yleensä sitä, että lähtötransistorit pakotetaan toimimaan hyvin lämpörajoitustensa sisällä, ja teho-BJT: ltä saatavana oleva optimaalinen lähtöteho pienenee siten merkittävästi, paljon pienempi kuin niiden suurimmat haihtumisarvot tosiasiallisesti sallivat.

Kiitokset MOSFETin negatiivinen lämpötilakerroin suurilla tyhjennysvirroilla näillä laitteilla ei ole ongelmia toissijaisen hajoamisen kanssa. MOSFET-laitteiden suurinta sallittua tyhjennysvirtaa ja tyhjennysjännitteen teknisiä ominaisuuksia rajoittavat käytännössä vain niiden lämmöntuotto-toiminnot. Näin ollen nämä laitteet soveltuvat erityisen hyvin suuritehoisiin äänivahvistimiin.

MOSFETin haitat

Edellä mainituista tosiasioista huolimatta MOSFETillä on myös muutamia haittoja, jotka ovat suhteellisen vähäisiä ja merkityksettömiä. Alun perin MOSFETit olivat olleet erittäin kalliita verrattuna vastaaviin bipolaarisiin transistoreihin. Kustannusten ero on kuitenkin nykyään huomattavasti pienentynyt. Kun otetaan huomioon se tosiasia, että MOSFET-tekniikat mahdollistavat monimutkaisten piirien saamisen paljon yksinkertaisemmaksi ja epäsuorasti merkittävän alennuksen, tekee BJT-vastineesta melko vähäpätöisen jopa alhaisilla kustannuksillaan tag.

Power MOSFET -laitteissa on usein lisääntynyt avoimen silmukan vääristymä kuin BJT: t. Suuren vahvistuksen ja nopean kytkentänopeuden ansiosta teho-MOSFET-laitteet mahdollistavat kuitenkin korkean negatiivisen palautteen käytön koko äänitaajuusspektrissä, mikä tarjoaa vertaansa vailla olevaa suljetun silmukan vääristymä tehokkuus.

Teho-MOSFET-laitteisiin liittyvänä lisähaittana on niiden matalampi hyötysuhde verrattuna BJT-laitteisiin, kun niitä käytetään standardivahvistimen lähtövaiheissa. Syynä tähän on suuritehoinen emitterien seuraajavaihe, joka tuottaa jopa noin 1 voltin jännitehäviön tulon ja lähdön välillä, vaikka lähteen seuraajavaiheen tulossa / lähdössä esiintyy jonkin verran jännitteitä. Tämän ongelman ratkaisemiseen ei ole helppoa lähestymistapaa, mutta tämä näyttää olevan pieni tehokkuuden väheneminen, jota ei pidä ottaa huomioon ja joka voidaan jättää huomiotta.

Käytännöllisen MOSFET-vahvistimen suunnittelun ymmärtäminen

Alla olevassa kuvassa on toiminnallisen piirikaavio 35 watin tehoinen MOSFET-vahvistin piiri. Lukuun ottamatta MOSFETin sovellusta vahvistimen lähtövaiheessa, kaikki näyttää periaatteessa melko tavalliselta MOSFET-vahvistimen suunnittelulta.

  • Tr1 on kiinnitetty a yleinen emitterin syöttövaihe , kytketty suoraan yhteisen Tr3-emitterin ohjainvaiheeseen. Molemmat näistä vaiheista tarjoavat vahvistimen kokonaisjännitevahvistuksen ja sisältävät erittäin suuren kokonaisvahvistuksen.
  • Tr2 yhdessä siihen kiinnitettyjen osien kanssa luo yksinkertaisen vakiovirtageneraattorin, jonka marginaalinen lähtövirta on 10 milliampeeria. Tämä toimii kuten Tr3: n pääkeräinkuorma.
  • R10: tä käytetään oikean määrittämiseen lepäävä biasvirta lähtötransistoreiden kautta, ja kuten aiemmin on keskusteltu, esijännitevirran lämpöstabilaatio ei todellakaan toteudu esijännitepiirissä, vaan pikemminkin sen tuottavat lähtölaitteet itse.
  • R8 tuottaa käytännössä 100% negatiivinen palaute vahvistimen lähdöstä Tr1-emitteriin, jolloin piiri on vain yhtenäisen jännitteen vahvistuksen ympärillä.
  • Vastukset R1, R2 ja R4 toimivat kuin potentiaalijakajaverkko esijännittäen vahvistimen tuloastetta ja siten myös lähtöä noin puoleen syöttöjännitteestä. Tämä mahdollistaa korkeimman saavutettavan ulostulotason ennen leikkausta ja kriittisten vääristymien alkamisen.
  • R1: tä ja C2: ta käytetään kuten suodatinpiiri, joka kumoaa syöttöjohtojen hum-taajuuden ja muun potentiaalisen kohinan muodon pääsemästä vahvistimen tuloon esijännitepiirin kautta.
  • R3 ja C5 toimivat kuten RF-suodatin mikä estää radiosignaaleja hajoamasta suoraan tulosta ulostuloon aiheuttaen äänihäiriöitä. C4 auttaa myös ratkaisemaan saman ongelman vierittämällä vahvistimen korkean taajuuden vasteen tehokkaasti yli äänen taajuusrajan.
  • Sen varmistamiseksi, että vahvistin saa hyvän jännitevahvistuksen kuuluvilla taajuuksilla, on välttämätöntä irrota negatiivinen palaute jossain määrin.
  • C7 täyttää irrotettava kondensaattori , kun taas R6-vastus rajoittaa puhdistettavan palautteen määrää.
  • Piiri on jännitteen voitto määritetään likimäärin jakamalla R8 R6: lla tai noin 20 kertaa (26dB) määritetyille osa-arvoille.
  • Vahvistimen maksimilähtöjännite on 16 volttia RMS, mikä sallii noin 777 mV RMS: n tuloherkkyyden täyden tehon saavuttamiseksi. Tuloimpedanssi voi olla yli 20 kt.
  • C3: ta ja C8: ta käytetään vastaavasti tulo- ja lähtökytkentäkondensaattoreina. C1 mahdollistaa irrotuksen syöttöjännitteelle.
  • R11 ja C9 toimivat yksinomaan vahvistimen vakauden helpottamiseksi ja hallitsemiseksi toimimalla kuten suosittu Zobel-verkko , joita esiintyy usein useimpien puolijohdetehovahvistimien ulostulovaiheiden ympärillä.

Suorituskykyanalyysi

Prototyyppivahvistin näyttää toimivan uskomattoman hyvin, varsinkin kun huomaamme yksikön melko yksinkertaisen suunnittelun. Esitetty MOSFET-vahvistimen suunnittelupiiri tuottaa mielellään 35 watin RMS: n 8 ohmin kuormitukselle.

  • täydellinen harmoninen vääristymä ei ole yli noin 0,05%. Prototyyppi analysoitiin vain noin 1 kHz: n signaalitaajuuksien suhteen.
  • Piiri on kuitenkin avoimen silmukan vahvistus todettiin olevan käytännössä vakio koko audiotaajuusalueella.
  • suljetun piirin taajuusvaste mitattiin -2 dB: llä noin 20 Hz: n ja 22 kHz: n signaaleilla.
  • Vahvistimen signaali-kohinasuhde (ilman kaiutinta kytkettynä) oli ollut suurempi kuin 80 dB, vaikka tosiasiassa voi olla mahdollista pieni määrä kädet humisevat kaiuttimissa havaitusta virtalähteestä, mutta äänenvoimakkuus voi olla liian pieni kuullaan normaaleissa olosuhteissa.

Virtalähde

Yllä oleva kuva osoittaa asianmukaisesti konfiguroidun virtalähteen 35 watin MOSFET-vahvistinrakenteelle. Virtalähde voi olla riittävän tehokas käsittelemään yksikön mono- tai stereomallia.

Virtalähde koostuu tosiasiallisesti muutamasta tehokkaasta push-pull-tasasuuntaaja- ja tasoituspiiristä, joiden lähdöt on kytketty sarjaan antamaan kokonaislähtöjännite, joka vastaa kaksinkertaista potentiaalia, jota yksittäinen tasasuuntaaja ja kapasitiivinen suodatinpiiri käyttää.

Diodit D4, D6 ja C10 muodostavat tietyn osan virtalähteestä, kun taas toisen osan toimittavat D3, D5 ja C11. Kukin näistä tarjoaa hieman alle 40 volttia ilman kytkettyä kuormaa ja 80 V: n kokonaisjännite purettu.

Tämä arvo voi pudota noin 77 volttiin, kun vahvistin ladataan stereotulosignaalilla, jossa lepotila on toiminnassa, ja vain noin 60 volttiin, kun kahta vahvistinkanavaa käytetään täydellä tai maksimiteholla.

Rakentamisvihjeitä

Ihanteellinen piirilevyn asettelu 35 watin MOSFET-vahvistimelle on esitetty alla olevissa kuvissa.

Tämä on tarkoitettu vahvistinpiirin yhdelle kanavalle, joten luonnollisesti kaksi tällaista levyä on koottava, kun stereovahvistin on tarpeen. Lähtötransistoreita ei todellakaan ole asennettu piirilevylle, pikemminkin suurikokoisille.

Transistoreissa ei tarvitse käyttää kiilleeristyssarjaa, kun ne kiinnitetään jäähdytyselementtiin. Tämä johtuu siitä, että MOSFET-lähteet on kytketty suoraan metallikielekkeisiinsä, ja näiden lähdetappien on joka tapauksessa oltava edelleen yhteydessä toisiinsa.

Koska niitä ei kuitenkaan ole eristetty jäähdytyselementistä, voi olla todella tärkeää varmistaa, että jäähdytyselementit eivät pääse sähkökontaktiin vahvistimen muiden osien kanssa.

Stereototeutusta varten vahvistimiparin parissa käytettyjen yksittäisten jäähdytyselementtien ei myöskään pitäisi antaa päästä sähköiseen läheisyyteen toistensa kanssa. Varmista aina, että kytket lähtötransistorit piirilevyyn lyhyemmillä, enintään noin 50 mm: n johtimilla.

Tämä on erityisen tärkeää johdoille, jotka kytkeytyvät lähtö-MOSFET-porttien päätelaitteisiin. Johtuen siitä, että Power MOSFET -laitteiden vahvuus on korkea korkeilla taajuuksilla, pidemmät johtimet voivat vaikuttaa vakavasti vahvistimen vakausvasteeseen tai jopa laukaista RF-värähtelyn, mikä puolestaan ​​voi aiheuttaa pysyvän vahingon MOSFET-virtalähteille.

Tämän sanottuasi käytännössä saatat löytää tuskin mitään vaikeuksia suunnitelman valmistelussa varmistaaksesi, että näitä johtimia pidetään tehokkaasti lyhyempiä. Voi olla tärkeää huomata, että C9 ja R11 on asennettu piirilevyn ulkopuolelle ja liitetään yksinkertaisesti sarjaan lähtöpistorasian yli.

Virtalähteen rakentamisen vinkit

Virtalähde rakennetaan soveltamalla pisteestä pisteeseen johdotusta, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.

Tämä näyttää itse asiassa melko itsestään selittävältä huolimatta, on kuitenkin varmistettu, että molemmat kondensaattorit C10 ja C11 koostuvat nukkeista. Jos ne eivät ole, voi olla tärkeää käyttää tag-nauhaa muutaman yhteysportin käyttöönottamiseksi. Juotostarra kiinnitetään yhteen tiettyyn T1-kiinnityspulttiin, joka tarjoaa alustan liitäntäpisteen verkkovirran maadoitusjohdolle.

Säätö ja asetukset

  1. Varmista, että johdot on kytketty perusteellisesti ennen virran kytkemistä päälle, koska johdotusvirheet voivat aiheuttaa kalliita tuhoja ja voivat olla vaarallisia.
  2. Ennen kuin kytket virran virtalähteeseen, muista rajata R10, jotta saat mahdollisimman vähän vastusta (pyöritä täydelliseen vastapäivään).
  3. Kun FS1 otetaan hetkeksi ulos ja yleismittari on kiinnitetty mittaamaan 500mA FSD sulakepidikkeen päälle, mittarissa on oltava noin 20mA: n lukema vahvistimen ollessa päällä (tämä voi olla 40mA, kun käytetään kaksikanavaista stereoa).
  4. Jos mittarin lukema on huomattavan erilainen kuin tämä virrankatkaisu, ja tarkista koko johdotus uudelleen. Päinvastoin, jos kaikki on hyvin, siirrä hitaasti R10 maksimoidaksesi mittarin lukeman arvoon 100mA.
  5. Jos halutaan stereovahvistinta, molempien kanavien R10: tä on muutettava, jotta nykyinen virta saadaan 120 mA: iin, sitten toisen kanavan R10 on hienosäädettävä nykyisen käytön lisäämiseksi 200 mA: ksi. Kun nämä on suoritettu, MOSFET-vahvistimesi on käyttövalmis.
  6. Ole varovainen, ettet koske mihinkään verkkovirtaliitäntään, kun teet vahvistimen asetuksia.
  7. Kaikki suojaamattomat johdot tai kaapeliliitännät, jotka voivat olla verkkovirrassa, on eristettävä oikein ennen laitteen liittämistä verkkovirtaan.
  8. On sanomattakin selvää, että kuten jokaisessa vaihtovirtakäyttöisessä piirissä, se on suljettava tukevaan kaappiin, joka voidaan irrottaa vain erityisellä ruuvimeisselillä ja muilla instrumenteilla, jotta varmistetaan, ettei vaarallisiin päästy nopeasti. verkkojohdotus ja onnettomuudet eliminoidaan turvallisesti.

35 watin MOSFET-vahvistimen osaluettelo

120 W: n MOSFET-vahvistimen sovelluspiiri

Virtalähteen spesifikaatioista riippuen käytännön 120 watin MOSFET-vahvistin piiri pystyy tarjoamaan noin 50-120 watin RMS-lähtötehon 8 ohmin kaiuttimeen.

Tämä muotoilu sisältää myös MOSFETit lähtövaiheessa, jotta saavutetaan ylivoimainen yleinen suorituskyky jopa piirin suurella yksinkertaisuudella

Vahvistimen harmoninen kokonaissärö on enintään 0,05%, mutta vain silloin, kun piiriä ei ole ylikuormitettu, ja signaali-kohinasuhde on parempi kuin 100 dB.

MOSFET-vahvistimen vaiheiden ymmärtäminen

Kuten yllä on esitetty, tämä piiri on suunniteltu viittaamalla Hitachi-asetteluun. Toisin kuin viimeisin malli, tässä piirissä käytetään kaiuttimen tasavirtaliitäntää ja siinä on kaksois tasapainotettu virtalähde keskellä 0 V: n ja maadoituskiskolla.

Tämä parannus poistaa eron riippuvuudesta suurista lähtökytkentäkondensaattoreista sekä tämän kondensaattorin tuottamasta alitaajuudesta matalataajuisessa suorituskyvyssä. Lisäksi tämä asettelu sallii myös piirin kunnollisen virransyötön hylkimisominaisuuden.

DC-kytkentäominaisuuden lisäksi piirirakenne näyttää melko erilaiselta kuin aikaisemmassa suunnittelussa. Tässä sekä tulo- että ohjainvaiheessa on differentiaalivahvistimet.

Syöttöaste määritetään Tr1: llä ja Tr2: lla, kun taas kuljettajavaihe riippuu Tr3: sta ja Tr4: stä.

Transistori Tr5 on konfiguroitu kuten a jatkuva virran kerääjän kuorma Tr4: lle. Signaalireitti vahvistimen avulla alkaa käyttämällä tulokytkentäkondensaattoria C1 yhdessä RF-suodattimen R1 / C4 kanssa. R2: ta käytetään vahvistimen tulon esijännittämiseen keskitetyllä 0 V: n syöttökiskolla.

Tr1 on johdotettu tehokkaana a yleinen emitterivahvistin jonka lähtö on kytketty suoraan Tr4: ään, jota käytetään yleisenä emitteriajurivaiheena. Tästä vaiheesta eteenpäin audiosignaali kytketään Tr6: een ja Tr7: ään, jotka on kytketty täydentäväksi lähteen seuraajalähtövaiheeksi.

negatiivinen palaute on erotettu vahvistimen ulostulosta ja kytketty Tr2-kantaan, ja huolimatta tosiasiasta, että signaalia ei ole invertoitu Tr1-kannan kautta vahvistimen lähtöön, on olemassa inversio Tr2-kannan ja lähdön yli. Tämä johtuu siitä, että Tr2, joka toimii kuin emitterien seuraaja, ajaa täydellisesti Tr1: n emitteriä.

Kun tulosignaali syötetään Tr1-lähettimeen, transistorit toimivat onnistuneesti kuin a yhteinen perusvaihe . Siksi, vaikka inversiota ei tapahdu Tr1: n ja Tr2: n avulla, inversio tapahtuu kuitenkin Tr4: n kautta.

Vaihemuutosta ei myöskään tapahdu lähtöasteen kautta, mikä tarkoittaa, että vahvistin ja Tr2-kanta ovat yleensä vaiheen ulkopuolella suorittamaan vaaditun vaaditun negatiivisen palautteen. Kaaviossa ehdotetut R6- ja R7-arvot tarjoavat noin 28-kertaisen jännitevahvistuksen.

Kuten olemme oppineet aiemmista keskusteluistamme, pieni teho-MOSFET-haittapuoli on, että niistä tulee vähemmän tehokkaita kuin BJT: t, kun ne kytketään perinteisen luokan B lähtövaiheen kautta. Myös tehon MOSFET-laitteiden suhteellinen tehokkuus heikkenee melko huonosti suuritehoisissa piireissä, jotka vaativat portti- / lähdejännitteen olevan usean jännitteen suurille lähdevirroille.

Suurimman lähtöjännitteen vaihtelun voidaan olettaa olevan yhtä suuri kuin syöttöjännite miinus yksittäisen transistorin enimmäisportti lähdejännitteelle, ja tämä varmasti sallii lähtöjännitteen heilahtelun, joka voi olla merkittävästi alhaisempi kuin käytetty syöttöjännite.

Suora tapa parantaa tehokkuutta olisi sisällyttää periaatteessa pari samanlaista MOSFET-laitetta, jotka on kiinnitetty rinnakkain jokaisen lähtötransistorin poikki. Suurin kunkin lähtö-MOSFET: n käsittelemän virran määrä pienenee sitten karkeasti puoleen, ja kunkin MOSFETin enimmäislähde porttijännitteeseen pienenee asianmukaisesti (yhdessä vahvistimen lähtöjännitteen heilahtelun suhteellisen kasvun kanssa).

Samanlainen lähestymistapa ei kuitenkaan toimi sovellettaessa bipolaarisiin laitteisiin, ja tämä johtuu lähinnä niiden toiminnasta positiivinen lämpötilakerroin ominaisuudet. Jos yksi tietty lähtö BJT alkaa vetää liikaa virtaa kuin toinen (koska kahdella transistorilla ei ole täsmälleen identtisiä ominaisuuksia), yksi laite alkaa kuumentua enemmän kuin toinen.

Tämä korkeampi lämpötila saa BJT: n lähettimen / kantakynnyksen jännitteen laskemaan ja seurauksena se alkaa kuluttaa paljon suurempaa osaa lähtövirrasta. Tilanne aiheuttaa sitten transistorin kuumenemisen, ja tämä prosessi jatkuu loputtomasti, kunnes yksi lähtötransistoreista alkaa käsitellä kaikkea kuormaa, kun taas toinen pysyy passiivisena.

Tällaista ongelmaa ei voida nähdä teho-MOSFET-laitteissa niiden negatiivisen lämpötilakertoimen vuoksi. Kun yksi MOSFET alkaa lämmetä, negatiivinen lämpötilakertoimensa vuoksi kasvava lämpö alkaa rajoittaa virtaa virtauksen kautta.

Tämä siirtää ylivirran kohti toista MOSFETiä, joka nyt alkaa lämmetä, ja aivan samalla tavalla lämpö saa sen kautta kulkevan virran pienenemään suhteellisesti.

Tilanne luo tasapainoisen virtaosuuden ja hajautuksen laitteiden välillä, mikä tekee vahvistimesta tehokkaan ja luotettavan. Tämä ilmiö sallii myös MOSFETit kytketään rinnakkain yksinkertaisesti liittämällä portti, lähde ja tyhjennysjohdot yhteen ilman paljon laskelmia tai huolenaiheita.

Virtalähde 120 watin MOSFET-vahvistimelle

Asianmukaisesti suunniteltu virtalähde 120 watin MOSFET-vahvistimelle on osoitettu yllä. Tämä näyttää paljolti virransyöttöpiiriltä aikaisemmalle suunnittelulle.

Ainoa ero on se, että muuntajan keskihanan syöttö kahden tasoituskondensaattorin risteyksessä oli alun perin jätetty huomiotta. Tässä esimerkissä tämä on tottunut tarjoamaan keskimmäisen 0 V: n maasyötön, kun taas päämaadoitus myös koukussa tässä risteyksessä negatiivisen syöttökiskon sijasta.

Löydät sulakkeita asentamalla sekä positiivisen että negatiivisen kiskon. Vahvistimen toimittama teho riippuu suurelta osin verkkomuuntajan ominaisuuksista. Suurimmaksi osaksi vaatimuksia 35 - 0 - 35 voltin 160 VA: n toroidisen verkkomuuntajan pitäisi olla todella tarpeeksi.

Jos stereotoiminto on edullinen, muuntaja on korvattava painavammalla 300 VA: n muuntajalla. Vaihtoehtoisesti eristetyt teholähdeyksiköt voitaisiin rakentaa käyttämällä kutakin kanavaa varten 160 VA: n muuntajaa.

Tämä sallii noin 50 V: n syöttöjännitteen lepotiloissa, vaikka täydellä kuormituksella tämä taso voi pudota paljon alemmalle tasolle. Tämä mahdollistaa jopa noin 70 watin RMS-tehon hankkimisen 8 ohmin mitoitettujen kaiuttimien kautta.

Keskeinen huomioitava seikka on, että siltasuuntaajassa käytettyjen 1N5402-diodien suurin sallittu virran nimellisarvo on 3 ampeeria. Tämä voi olla riittävä yksikanavaiselle vahvistimelle, mutta se ei välttämättä riitä stereoversiolle. Stereoversiossa diodit on korvattava 6 ampeerin tai 6A4 diodeilla.

Piirilevyasettelut

Löydät täysimittaisen piirilevyn oman 120 watin MOSFET-vahvistinpiirin rakentamiseen. Osoitetut 4 MOSFET-laitetta tulee kiinnittää suurilla uimahyllyillä, joiden tulee olla vähintään 4,5 celsiusastetta wattia kohti.

Johdotuksen varotoimet

  • Pidä MOSFET-liitäntäliittimet mahdollisimman lyhyinä, joiden pituus saa olla enintään noin 50 mm.
  • Jos haluat pitää ne hieman pidempään kuin tämä, varmista, että lisäät matalan arvon vastuksen (voi olla 50 ohmia 1/4 wattia) kunkin MOSFET-laitteen portilla.
  • Tämä vastus reagoi MOSFETin tulokapasitanssilla ja toimii kuin alipäästösuodatin, mikä takaa paremman taajuuden vakauden korkeataajuussignaalitulolle.
  • Korkean taajuuden tulosignaaleilla nämä vastukset voivat kuitenkin vaikuttaa jonkin verran ulostulon suorituskykyyn, mutta tämä voi olla itse asiassa liian pieni ja tuskin havaittavissa.
  • Transistori Tr6 koostuu itse asiassa kahdesta n-kanavaisesta MOSFETistä, jotka on kytketty rinnakkain, sama on Tr7: llä, jolla on myös pari p-kanavan MOSFET: ää rinnakkain.
  • Tämän rinnakkaisliitännän toteuttamiseksi vastaavien MOSFET-parien portti, tyhjennys ja lähde liitetään yksinkertaisesti toisiinsa, kaikki on niin yksinkertaista.
  • Huomaa myös, että kondensaattori C8 ja vastus R13 on asennettu suoraan lähtöpistorasiaan, eikä niitä ole koottu piirilevylle.
  • Ehkä tehokkain tapa virtalähteen rakentamiseen on johdotus, kuten virtalähde, kuten edelliselle vahvistimelle. Johdotus on suunnilleen sama kuin tällä edellisellä piirillä.

Säädöt ja asetukset

  1. Ennen kuin kytket virran täydelliseen vahvistinpiiriin, tarkista jokainen johdot huolellisesti useita kertoja.
  2. Tarkista erityisesti virtalähteen johdotus ja asiaankuuluvat liitännät lähtötehon MOSFET-laitteissa.
  3. Näiden liitäntöjen viat voivat nopeasti aiheuttaa pysyviä vahinkoja vahvistinyksikölle.
  4. Lisäksi sinun on suoritettava muutama edellinen säätö, ennen kuin käynnistät valmiin kortin.
  5. Aloita kiertämällä esiasetettua R11 täysin vastapäivään, äläkä kytke kaiutinta ensin laitteen lähtöön.
  6. Liitä seuraavaksi kaiuttimen sijasta yleismittarisi (asetettu pienjännitteiselle DC-alueelle) anturit vahvistimen ulostulopisteiden yli ja varmista, että se näyttää matalan hiljaisen lähtöjännitteen olevan käytettävissä.
  7. Mittarista saattaa löytyä murto-jännite tai jännite ei ole ollenkaan, mikä on myös hieno.
  8. Jos mittari osoittaa suuren tasajännitteen, sinun on välittömästi katkaistava vahvistin ja tarkistettava mahdolliset johdotusvirheet.

Johtopäätös

Edellä olevassa artikkelissa olemme keskustelleet kattavasti monista parametreista, joilla on ratkaiseva rooli tehovahvistimen oikean ja optimaalisen toiminnan varmistamisessa.

Kaikki nämä parametrit ovat vakiona ja siksi niitä voidaan tehokkaasti käyttää ja soveltaa suunniteltaessa mitä tahansa MOSFET-tehovahvistinpiiriä tehosta ja jännitteestä riippumatta.

Suunnittelija voi käyttää BJT- ja MOSFET-laitteita koskevia yksityiskohtaisia ​​tietoja eri ominaisuuksien saavuttamiseksi tai mukauttamiseksi haluttu tehovahvistinpiiri.




Pari: Op-vahvistimen esivahvistinpiirit - mikrofonille, kitaroille, mikit, puskurit Seuraava: Yksinkertainen digitaalinen ajastinpiiri 2-numeroisella näytöllä