Circuito amplificador de potência de 100 watts usando mosfet

O amplificador de potência faz parte da eletrônica de áudio. Ele é projetado para maximizar a magnitude da potência do sinal de entrada fornecido. Na eletrônica de som, o amplificador operacional aumenta a tensão do sinal, mas é incapaz de fornecer a corrente necessária para acionar uma carga. Neste tutorial, construiremos um circuito amplificador de potência de saída de 100 W RMS usando MOSFETs e transistores com um alto-falante de impedância de 4 Ohms conectado a ele.

Topologia de construção para amplificadores

Em um sistema de cadeia de amplificadores, o amplificador de potência é usado no último ou último estágio antes da carga. Geralmente, o sistema Amplificador de som usa a topologia abaixo mostrada no diagrama de blocos

Como você pode ver no diagrama de blocos acima, o Amplificador de potência é o último estágio que está diretamente conectado à carga. Geralmente, antes do Amplificador de potência, o sinal é corrigido usando pré-amplificadores e amplificadores de controle de tensão. Além disso, em alguns casos, onde o controle de tom é necessário, o circuito de controle de tom é adicionado antes do Amplificador de potência.

Conheça sua carga

No caso do sistema de amplificador de áudio, a carga e a capacidade de condução de carga do amplificador é um aspecto importante na construção. A principal carga de um amplificador de potência é o alto-falante. A saída do amplificador de potência depende da impedância de carga, portanto, conectar uma carga inadequada pode comprometer a eficiência do amplificador de potência e também a estabilidade.

O alto-falante é uma carga enorme que atua como uma carga indutiva e resistiva. O amplificador de potência fornece saída CA, devido a isso, a impedância do alto-falante é um fator crítico para a transferência de potência adequada.

Impedância é a resistência efetiva de um circuito eletrônico ou componente de corrente alternada, que surge dos efeitos combinados relacionados à resistência ôhmica e reatância.

Em eletrônica de áudio, diferentes tipos de alto-falantes estão disponíveis em diferentes potências com diferentes impedâncias. A impedância do alto-falante pode ser melhor compreendida usando a relação entre o fluxo de água dentro de um tubo. Pense no alto-falante como um cano de água, a água que flui pelo cano é o sinal de áudio alternado. Agora, se o diâmetro do tubo ficar maior, a água irá fluir facilmente pelo tubo, o volume de água será maior e se diminuirmos o diâmetro, menos água irá fluir pelo tubo, então o volume de água será mais baixo. O diâmetro é o efeito criado pela resistência ôhmica e reatância. Se o diâmetro do tubo ficar maior, a impedância será baixa, de modo que o alto-falante pode obter mais potência e o amplificador fornece mais cenário de transferência de potência e se a impedância ficar alta, o amplificador fornecerá menos energia ao alto-falante.

Existem diferentes opções, bem como diferentes segmentos de alto-falantes disponíveis no mercado, geralmente com 4 ohms, 8 ohms, 16 ohms e 32 ohms, dos quais alto-falantes de 4 e 8 ohms estão amplamente disponíveis a preços baratos. Além disso, precisamos entender que, um amplificador com 5 Watt, 6 Watt ou 10 Watt ou até mais é a potência RMS (Root Mean Square), entregue pelo amplificador a uma carga específica em operação contínua.

Portanto, precisamos ter cuidado com a classificação do alto-falante, classificação do amplificador, eficiência do alto-falante e impedância.

Construção de circuito amplificador de áudio simples de 100 W

Em tutoriais anteriores, fizemos amplificador de potência de 10W, amplificador de potência de 25W e amplificador de potência de 50W. Mas neste tutorial, iremos projetar um amplificador de potência de saída de 100 Watt RMS usando MOSFETs.

Na construção do amplificador de 100 watts, vários transistores e MOSFETs são usados. Vamos ver a especificação e o diagrama de pinos de importantes MOSFETs e transistores. Na etapa de amplificação do amplificador, usamos o transistor de alta tensão MPSA43. É um transistor NPN de alta tensão que atua como um amplificador. O pino do transistor NPN MPSA43 é-

Usamos dois transistores de média potência complementares MJE350 e MJE340. O MJE350 é um transistor PNP de 500 mA no encapsulamento TO-225 e o transistor de par NPN idêntico é o MJE340. O MJE340 tem a mesma especificação do MJE350, mas é um transistor de potência média NPN.

Os diagramas de pinagem para ambos são fornecidos abaixo-

No estágio final, dois Power MOSFETs IRFP244 e IRFP9240 são usados. A combinação desses dois fornece uma saída de energia de 100 Watt RMS na carga de 4 Ohms.

Componentes necessários para o circuito amplificador de potência

1. Placa Vero (pontilhada ou conectada, qualquer pessoa pode ser usada)
2. Ferro de solda
3. Fio de solda
4. Ferramenta alicate e descascador de fios
5. Fios
6. Conectores de áudio de acordo com os requisitos
7. Dissipador de calor de alumínio fino com 5 mm de espessura e 90 mm x 45 mm de dimensão.
8. Fonte de alimentação 40V Rail to Rail com saída de trilha de energia + 40V GND -40V
9. Alto-falante 4 Ohms de 100 Watts
10. Resistor 1/4 ^th Watt (39R, 390R, 1k, 1.5k, 4.7k, 15k, 22k, 33k, 47k, 150k) - 1nos.
11. Resistor 330R 1/4 ^th Watt - 3 pcs
12. 10R Resistor de 10 watts
13. 0,33R - 7 Watt - 2 pcs
14. 0,22R - 10 Watt
15. Capacitor 100nF 100V - 2 pcs
16. Capacitor 47uF 100V
17. 470pF 100V
18. 470nF 63V
19. 10pF 100V
20. Diodo 1n4002
21. IRFP244
22. IRF9240
23. MJE350
24. MJE340
25. BC546 - 2 pcs
26. MPSA43 - 3 pcs

Diagrama e explicação do circuito do amplificador de áudio de 100 W

O esquema para este amplificador de áudio de 100 watts tem alguns estágios. No início da amplificação do primeiro estágio, uma seção de filtro bloqueia ruídos de frequência indesejados. Esta seção de filtro é criada usando R3, R4 e C1, C2.

No segundo estágio do circuito, Q1 e Q2, que são transistores MPSA43, funcionam como amplificador diferencial e alimentam o sinal para o estágio de amplificação posterior.

Em seguida, a amplificação de potência é feita em dois MOSFETs, IRFP244N e IRF9240. Esses dois MOSFETs são a parte importante do circuito. Esses dois MOSFETs estão atuando como um driver push-pull (Uma topologia ou arquitetura de amplificação amplamente usada). Para acionar esses dois MOSFETs Q5 e Q7, os transistores MJE350 e MJE340 são usados. Esses dois transistores de potência fornecem corrente de porta suficiente para acionar os MOSFETs. R15 e R14 são os resistores limitadores de corrente para proteger a porta MOSFET da corrente de pico. A mesma coisa acontece com o R12 e o R13 para proteger a carga de saída do inversor de corrente de inrush. R18 é um resistor de alta potência que atua como circuito de fixação com o capacitor 100nF. R16 também fornece proteção adicional de sobrecorrente.

Testando o circuito amplificador de 100 watts

Usamos ferramentas de simulação Proteus para verificar a saída do circuito; medimos a saída no osciloscópio virtual. Você pode verificar o vídeo de demonstração completo fornecido abaixo

Estamos alimentando o circuito usando +/- 40V e o sinal senoidal de entrada é fornecido. O canal A do osciloscópio (amarelo) é conectado à saída contra carga de 4 ohms e o sinal de entrada é conectado ao canal B (azul).

Podemos ver a diferença de saída entre o sinal de entrada e a saída amplificada no vídeo: -

Além disso, verificamos a potência de saída, a potência do amplificador é altamente dependente de várias coisas, como discutido antes. É altamente dependente da impedância do alto-falante, eficiência do alto-falante, eficiência do amplificador, topologias de construção, distorções harmônicas totais, etc. Não poderíamos considerar ou calcular todos os fatores possíveis que são dependências criadas na potência do amplificador. O circuito da vida real é diferente da simulação porque muitos fatores precisam ser considerados durante a verificação ou teste da saída.

Cálculo de potência do amplificador

Usamos uma fórmula simples para calcular a potência do amplificador-

Potência do amplificador = V ² / R

Conectamos um multímetro AC na saída. A tensão CA mostrada no multímetro é a tensão CA de pico a pico.

Fornecemos sinal sinusoidal de frequência muito baixa de 25-50Hz. Como na baixa frequência, o amplificador fornecerá mais corrente à carga e o multímetro será capaz de detectar a tensão CA corretamente.

O multímetro mostrou + 20,9 V AC. Então, de acordo com a fórmula, a saída do amplificador de potência com carga de 4 Ohms é

Amplificador de Potência = 20,9 ² /4 amplificador Potência = 109,20 (mais do que aproximadamente 100W)

Coisas para lembrar ao construir um amplificador de áudio de 100 W

1. Ao construir o circuito, os MOSFETs devem ser conectados ao dissipador de calor corretamente no estágio de amplificador de potência. O dissipador de calor maior fornece um resultado melhor. O transistor de potência Q5 e Q7 precisa ser dissipado adequadamente com pequenos dissipadores de calor de alumínio em forma de U.
2. É bom usar capacitores do tipo caixa com classificação de áudio para um melhor resultado.
3. É sempre uma boa escolha usar PCB para aplicativos relacionados a áudio.
4. Faça os traços do amplificador diferencial curtos e o mais próximo possível do traço de entrada.
5. Mantenha as linhas de sinal de áudio separadas das linhas de alimentação barulhentas.
6. Cuidado com a espessura dos traços. Como este é um projeto de 100 Watts, um caminho de corrente maior é necessário, portanto, maximize a largura do traço. É melhor usar placa de cobre de 70 mícrons em layout de dupla face com vias máximas para melhor fluxo de corrente.
7. O plano de aterramento precisa ser criado em todo o circuito. Mantenha o caminho de retorno ao solo o mais curto possível.

Obtenha melhores resultados

Neste design de 100 Watts, poucas melhorias podem ser feitas para uma melhor saída.

1. Adicione um capacitor de desacoplamento de 4700uF com pelo menos 100 V de classificação na trilha de alimentação positiva e negativa.
2. Use resistores MFR de 1% para melhor estabilidade.
3. Troque o diodo 1N4002 com UF4007.
4. Mude o R11 com um potenciômetro de 1k para controlar a corrente quiescente nos MOSFETs de potência.
5. Adicione um fusível na saída, ele protegerá o circuito em overdrive de alto-falante ou condição de curto-circuito de saída.

Além disso, verifique outros circuitos de amplificadores de áudio:

• Amplificador de áudio de 40 watts usando TDA2040
• Circuito amplificador de áudio de 25 watts
• Amplificador de áudio de 10 watts usando Op-Amp
• Circuito amplificador de potência de 50 watts usando MOSFETs