Circuito amplificador de potência de 50 watts usando mosfets

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 amplificador de potência de saída de 50 Watt RMS usando MOSFETs com um alto-falante de impedância de 8 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.

Na 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,para que o alto-falante possa obter mais potência e o amplificador forneça mais cenário de transferência de potência e se a impedância ficar alta, o amplificador fornecerá menos potência para o 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 amplificador simples de 50W

Em tutoriais anteriores, fizemos um amplificador de potência de 10 Watt, amplificador de potência de 25 Watt e amplificador de potência de 40 Watt. Mas neste tutorial, iremos projetar um amplificador de potência de saída de 50 Watt RMS usando MOSFETs. Em tutoriais anteriores, usamos amplificador de potência dedicado IC, TDA2040 para 25 Watt e para amplificadores de 40 Watt, mas neste projeto, usaremos MOSFETs de canal N e P de par complementar para obter a potência de saída de 50 Watt. A saída será bastante estável e o THD será mínimo. Vamos dirigir 8 ohms. Carregue com isso.

Usamos dois MOSFETs complementares amplamente populares IRF530N e IRF9530N, que estão amplamente disponíveis em lojas locais, bem como em lojas online.

Na imagem acima, o esquerdo é o IRF530N e o direito é o IRF9530N. Ambos são um pacote TO-220AB.

Esses dois MOSFETs criam operação push-pull para acionar um alto-falante de 8 Ohms e 50 Watts RMS.

Componente necessário

Para construir o circuito, precisamos dos seguintes componentes-

Placa Vero (pontilhada ou conectada, qualquer pessoa pode ser usada)
Ferro de solda
Fio de solda
Ferramenta alicate e descascador de fios
Fios
Dissipador de calor de alumínio fino com 2 mm de espessura e 50 mm x 30 mm de dimensão.
Fonte de alimentação de trilho a trilho de 35V com saída de trilha de alimentação + 35V GND -35V
Alto-falante de 8 ohms e 50 watts
Resistores (10R, 300R, 560R, 680R, 820R, 1,2k, 2,2k, 10k, 15k) - 1nos.
Resistores (2,7k, 4,7k, 47k) - 2nos.
Capacitor 100uF 63V
Capacitor 47uF 63V - 2pcs
68nF 100V
220pF 50V
Diodo 1n4002
IRF530
IRF9530
.1uH Indutor de núcleo de ar com classificação 5A
BC556 -2 pcs
BC546 - 2 pcs

Diagrama de Circuito e Explicação

O esquema para este amplificador de áudio de 50 watts tem alguns estágios. No início da amplificação, um filtro passa-baixa bloqueia o ruído de alta frequência. Este filtro passa-baixo é criado usando R1, R2 e C1. Os resistores R1 e R2 têm duas operações, primeiro é uma parte do filtro passa-baixo, segundo, é um divisor de tensão e também um limitador de corrente.

No segundo estágio do circuito, Q1 e Q2, que são transistores BC556, funcionam como um amplificador diferencial.

Em seguida, a amplificação de potência é feita em dois MOSFETs, IRF530N e IRF9530. Esses dois MOSFETs são complementares e pares combinados. Dois MOSFET têm a mesma especificação, mas um é o canal N e o outro é o canal P. Esta é uma 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, Q3 e Q4, BC546 é usado. Esses dois transistores fornecem drive de porta suficiente para os MOSFETs. R15 é um resistor de alta potência que atua como circuito de fixação com o capacitor 68nF e o indutor 1uH é adicionado para fornecer amplificação estável para o alto-falante de 8 ohms.

Testando o circuito amplificador de 50 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 +/- 35 V e o sinal senoidal de entrada é fornecido. O canal A do osciloscópio (amarelo) é conectado à saída contra carga de 8 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 + 20,1 V CA. Então, de acordo com a fórmula, a saída do amplificador de potência com carga de 8 Ohms é

Amplificador de Potência = 20,1 ² /8 Amplificador de Potência = 50,50 (50W aproximadamente)

Coisas para lembrar ao construir um amplificador de potência de 50 W

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.
É bom usar capacitores do tipo caixa com classificação de áudio para um melhor resultado.
É sempre uma boa escolha usar PCB para aplicativos relacionados a áudio.
Faça os traços do amplificador diferencial curtos e o mais próximo possível do traço de entrada.
Mantenha as linhas de sinal de áudio separadas das linhas de alimentação barulhentas.
Cuidado com a espessura dos traços. Como este é um projeto de 50 Watts, um caminho de corrente maior é necessário, portanto, maximize a largura do traço.
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 50 Watts, poucas melhorias podem ser feitas para uma melhor saída.

Adicione um capacitor de desacoplamento de 220uF com classificação de pelo menos 63 V na trilha de alimentação positiva e negativa.
Use resistores MFR de 1% para melhor estabilidade.
Troque o diodo 1N4002 com UF4007.
Mude o R13 com um potenciômetro de 1k para controlar a corrente quiescente nos MOSFETs de potência.
Use indutor toroidal em vez de núcleo de ar com 0,25uH 5A.
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