In dit bericht bespreken we verschillende parameters waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van een MOSFET-vermogensversterkerschakeling. We analyseren ook het verschil tussen bipolaire junctie-transistors (BJT) en MOSFET-kenmerken en begrijpen waarom MOSFETS geschikter en efficiënter zijn voor eindversterkertoepassingen.

Bijgedragen door Daniel Schultz

Overzicht

Bij het ontwerpen van een eindversterker wordt rekening gehouden met het bereik van 10 tot 20 watt , hebben op geïntegreerde schakelingen of IC gebaseerde ontwerpen normaal gesproken de voorkeur vanwege hun slanke formaat en het lage aantal componenten.

Voor hogere vermogensafgiftebereiken wordt een discrete configuratie echter als een veel betere keuze beschouwd, omdat ze de ontwerper een hogere efficiëntie en flexibiliteit bieden met betrekking tot de keuze van het uitgangsvermogen.

Voorheen waren eindversterkers die afzonderlijke onderdelen gebruikten, afhankelijk van bipolaire transistors of de BJT's. Met de komst van geavanceerde MOSFET's , Werden BJT's langzaam vervangen door deze geavanceerde MOSFET's voor het bereiken van een extreem hoog uitgangsvermogen en verbazingwekkend beperkte ruimte en verkleinde PCB's.

Hoewel MOSFET's misschien een overkill lijken voor het ontwerpen van middelgrote eindversterkers, kunnen deze effectief worden toegepast voor elke grootte en vermogensversterkerspecificaties.

Nadelen van het gebruik van BJT in eindversterkers

Hoewel bipolaire apparaten buitengewoon goed werken in hoogwaardige audiovermogensversterkers, hebben ze een paar nadelen die in feite hebben geleid tot de introductie van geavanceerde apparaten zoals MOSFET's.

Misschien wel het grootste nadeel van bipolaire transistors in Klasse B-eindtrappen is het fenomeen dat wordt aangeduid als de weggelopen situatie.

BJT's hebben een positieve temperatuurcoëfficiënt en dit geeft specifiek aanleiding tot een fenomeen dat thermische uitbarsting wordt genoemd, wat een mogelijke schade aan de krachtige BJT's veroorzaakt door oververhitting.

De bovenstaande afbeelding aan de linkerkant toont de essentiële opstelling van een standaard Klasse B-driver en eindtrap, waarbij TR1 wordt gebruikt als een gemeenschappelijke emitter-driver-trap en Tr2 samen met Tr3 als de complementaire emitter-volger-uitgangstrap.

Vergelijking van BJT versus MOSFET Amplifier Output Stage Configuration

“bode-plot voor hoogdoorlaatfilter ”

Functie van versterker-eindtrap

Om een werkende eindversterker te ontwerpen, is het belangrijk om de eindtrap correct te configureren.

Het doel van de eindtrap is in de eerste plaats het leveren van stroomversterking (de spanningsversterking blijft niet meer dan één), zodat het circuit de hoge uitgangsstromen kan leveren die essentieel zijn voor het aansturen van een luidspreker op een hoger volumeniveau.

Verwijzend naar het linker BJT-diagram hierboven, werkt Tr2 als een uitgangsstroombron tijdens de positieve uitgangscycli, terwijl Tr3 de uitgangsstroom levert tijdens de negatieve uitgangshalfcycli.
De basiscollectorbelasting voor een BJT-drivertrap is ontworpen met een constante stroombron, die een verbeterde lineariteit biedt in tegenstelling tot de effecten die worden bereikt met een eenvoudige belastingsweerstand.
Dit komt door verschillen in versterking (en bijbehorende vervorming) die optreden wanneer een BJT werkt binnen een breed bereik van collectorstromen.
Het toepassen van een belastingsweerstand in een gemeenschappelijke emittertrap met grote uitgangsspanningsschommelingen kan ongetwijfeld een extreem groot collectorstroombereik en grote vervormingen veroorzaken.
Het aanleggen van een constante stroombelasting lost de vervorming niet helemaal op, omdat de collectorspanning van nature fluctueert en de transistorversterking tot op zekere hoogte afhankelijk kan zijn van de collectorspanning.
Niettemin, aangezien schommelingen in de versterking als gevolg van variaties in de collectorspanning vrij klein zijn, is een lage vervorming veel lager dan 1 procent redelijk haalbaar.
Het biascircuit dat is aangesloten tussen de bases van de uitgangstransistors is nodig om de uitgangstransistors naar de positie te brengen waar ze zich net op de geleidende drempel bevinden.
Als dit niet gebeurt, kunnen kleine variaties in de collectorspanning van Tr1 de uitgangstransistors mogelijk niet in geleiding brengen en is er geen enkele verbetering van de uitgangsspanning mogelijk!
Hogere spanningsvariaties bij de Tr1-collector kunnen overeenkomstige veranderingen in de uitgangsspanning genereren, maar dit zou waarschijnlijk de start- en eindgedeelten van elke halve frequentie van de frequentie overslaan, wat aanleiding zou geven tot ernstige 'crossover-vervorming' zoals het normaal wordt genoemd.

Crossover-vervorming probleem

Zelfs als de uitgangstransistors naar de geleidingsdrempel worden gebracht, wordt de crossover-vervorming niet volledig verwijderd, aangezien de uitgangsapparaten relatief kleine hoeveelheden versterking vertonen terwijl ze werken bij verminderde collectorstromen.

Dit geeft een gematigde maar ongewenste crossover-vervorming. Negatieve feedback zou kunnen worden gebruikt om crossover-vervorming op natuurlijke wijze te verslaan, maar om uitstekende resultaten te bereiken is het eigenlijk essentieel om een redelijk hoge rustvoorspanning over de uitgangstransistors te gebruiken.

Het is deze grote instelstroom die complicaties veroorzaakt bij thermische overstroom.

De instelstroom veroorzaakt opwarming van de uitgangstransistoren, en vanwege hun positieve temperatuurcoëfficiënt veroorzaakt dit een toename van de instelstroom, waardoor nog meer warmte wordt opgewekt en een resulterende verdere verhoging van de instelstroom.

Deze positieve terugkoppeling zorgt dus voor een geleidelijke toename van de voorspanning totdat de uitgangstransistoren te heet worden en uiteindelijk worden verbrand.

In een poging om hiertegen te beschermen, wordt het biascircuit gefaciliteerd met een ingebouwd temperatuurmeetsysteem, dat de bias vertraagt in het geval een hogere temperatuur wordt gedetecteerd.

Daarom, als de uitgangstransistor opwarmt, wordt het biascircuit beïnvloed door de gegenereerde warmte, die dit detecteert en elke daaruit voortvloeiende toename van de biasstroom stopt. In de praktijk is de bias-stabilisatie misschien niet ideaal en u zult misschien kleine variaties aantreffen, maar een correct geconfigureerd circuit kan normaal gesproken een voldoende voldoende bias-stabiliteit vertonen.

Waarom MOSFET's efficiënter werken dan BJT's in eindversterkers

In de volgende discussie zullen we proberen te begrijpen waarom MOSFET's beter werken in eindversterkerontwerpen, vergeleken met BJT's.

Net als bij BJT's, vereisen MOSFET's, indien gebruikt in een Klasse B-eindtrap, ook een vooringenomenheid om crossover-vervorming te overwinnen. Dat gezegd hebbende, omdat vermogens-MOSFET's een negatieve temperatuurcoëfficiënt hebben bij stromen van bijna 100 milliampère of meer (en een lichte positieve temperatuurcoëfficiënt bij lagere stromen), is een minder gecompliceerde Klasse B-driver en eindtrap mogelijk, zoals aangetoond in de volgende afbeelding .

Het thermisch gestabiliseerde bias-circuit zou kunnen worden vervangen door een weerstand omdat de temperatuurkenmerken van vermogens-MOSFET's een ingebouwde thermische regeling van de bias-stroom op ongeveer 100 milliampère bevatten (wat ongeveer de meest geschikte bias-stroom is).

Een extra uitdaging voor BJT's is de vrij lage stroomversterking van slechts 20 tot 50. Dit kan nogal onvoldoende zijn voor versterkers met gemiddeld en hoog vermogen. Hierdoor is een extreem krachtige driverfase vereist. De typische benadering om dit probleem op te lossen is om gebruik te maken van een Darlington-paren of een gelijkwaardig ontwerp om een voldoende hoge stroomversterking te verschaffen, zodat het de toepassing van een laagvermogen aandrijftrap mogelijk maakt.

Power MOSFET's, net als alle andere FET-apparaat , hebben de neiging om op spanning werkende apparaten te zijn in plaats van op stroom te werken.

De ingangsimpedantie van een vermogens-MOSFET is doorgaans erg hoog, waardoor een verwaarloosbare ingangsstroom met lage werkfrequenties mogelijk is. Bij hoge werkfrequenties is de ingangsimpedantie echter een stuk lager vanwege de relatief hoge ingangscapaciteit van ongeveer 500 pf.

Zelfs met deze hoge ingangscapaciteit wordt een werkstroom van nauwelijks 10 milliampère net genoeg door de drivertrap, hoewel de piekuitgangsstroom ongeveer duizend keer deze hoeveelheid zou kunnen zijn.

Een bijkomend probleem met bipolaire vermogensapparaten (BJT) is hun ietwat trage schakeltijd. Dit heeft de neiging om een verscheidenheid aan problemen te creëren, zoals door zwenking veroorzaakte vervorming.

Dit is wanneer een krachtig hoogfrequent signaal een schakeluitgangsspanning zou kunnen vragen van laten we zeggen 2 volt per microseconde, terwijl de BJT-eindtrap mogelijk een zwenksnelheid van slechts een volt per microseconde toelaat. Uiteraard zal de output moeite hebben om een fatsoenlijke weergave van het inputsignaal te leveren, wat leidt tot een onvermijdelijke vervorming.

Een inferieure slew rate kan een versterker ook een ongewenste vermogensbandbreedte geven, waarbij het hoogst haalbare uitgangsvermogen aanzienlijk daalt bij hogere audiofrequenties.

Fasevertraging en trillingen

Een ander punt van zorg is de fasevertraging die plaatsvindt via de eindtrap van de versterker met hoge frequenties, en die ertoe zou kunnen leiden dat de feedback over het negatieve feedbacksysteem positief wordt in plaats van negatief bij extreem hoge frequenties.

Mocht de versterker bij dergelijke frequenties voldoende versterking hebben, dan kan de versterker in een oscillerende modus gaan en zal gebrek aan stabiliteit merkbaar blijven, zelfs als de versterking van het circuit niet voldoende is om een oscillatie teweeg te brengen.

Dit probleem zou kunnen worden gecorrigeerd door elementen toe te voegen om de hoge frequentierespons van het circuit af te rollen en door fasecompensatie-elementen op te nemen. Deze overwegingen verminderen echter de efficiëntie van de versterker bij hoge invoersignaalfrequenties.

MOSFET's zijn sneller dan BJT's

Bij het ontwerpen van een eindversterker moeten we niet vergeten dat de schakelsnelheid van vermogens-MOSFET's is over het algemeen ongeveer 50 tot 100 keer sneller dan een BJT. Daarom kunnen complicaties met inferieure hoogfrequente functionaliteit gemakkelijk worden overwonnen door MOSFET's te gebruiken in plaats van BJT's.

Het is eigenlijk mogelijk om configuraties te maken zonder enige frequentie- of fasecompensatie onderdelen behouden nog steeds een uitstekende stabiliteit en bevatten een prestatieniveau dat behouden blijft voor frequenties die ver voorbij de limiet voor hoogfrequente audio liggen.

Nog een andere moeilijkheid die men ondervindt bij bipolaire vermogenstransistors is een secundaire storing. Dit verwijst naar een soort specifieke thermische wegloper die een 'hete zone' in het apparaat creëert, wat resulteert in een kortsluiting tussen de collector / emitterpinnen.

Om ervoor te zorgen dat dit niet gebeurt, moet de BJT uitsluitend worden gebruikt binnen specifieke bereiken van collectorstroom en spanning. Aan iedereen audioversterker circuit deze situatie houdt gewoonlijk in dat de uitgangstransistors gedwongen worden om goed te werken binnen hun thermische beperkingen, en dat het optimale uitgangsvermogen dat kan worden verkregen uit de BJT's aanzienlijk wordt verminderd, veel lager dan hun hoogste dissipatiewaarden feitelijk toelaten.

Dankzij MOSFET's negatieve temperatuurcoëfficiënt bij hoge afvoerstromen hebben deze apparaten geen problemen met secundaire uitval. Voor MOSFET's worden de maximaal toegestane afvoerstroom- en afvoervoltage-specificaties praktisch alleen beperkt door hun warmteafvoerfunctionaliteit. Daarom worden deze apparaten bijzonder geschikt voor audioversterkertoepassingen met een hoog vermogen.

MOSFET-nadelen

Ondanks de bovenstaande feiten heeft MOSFET ook enkele nadelen, die relatief minder in aantal en onbeduidend zijn. Aanvankelijk waren MOSFET's erg duur in vergelijking met bijpassende bipolaire transistors. Het verschil in kosten is tegenwoordig echter een stuk kleiner geworden.Als we bedenken dat MOSFET's het mogelijk maken dat complexe schakelingen veel eenvoudiger worden en een indirecte aanzienlijke verlaging van de kosten, maakt de BJT-tegenhanger vrij triviaal, zelfs met zijn lage kosten label.

Power MOSFET's hebben vaak een verhoogde open lus vervorming dan BJT's. Vanwege hun hoge versterking en hoge schakelsnelheden maken power MOSFET's echter het gebruik van een hoog niveau van negatieve feedback over het hele audiofrequentiespectrum mogelijk, wat een ongeëvenaarde gesloten lusvervorming efficiëntie.

Een bijkomend nadeel van vermogens-MOSFET's is hun lagere ef ﬁ ciëntie in vergelijking met BJT's wanneer ze worden gebruikt in de eindtrappen van een standaardversterker. De reden hierachter is een hoogvermogen-emittervolger-trap die een spanningsval genereert zo hoog als ongeveer 1 volt tussen de ingang en uitgang, hoewel er een verlies is van enkele volt over de ingang / uitgang van een source-volger-trap. Er is geen gemakkelijke aanpak om dit probleem op te lossen, maar dit lijkt een kleine vermindering van de ef ﬁ ciëntie te zijn, waarmee geen rekening mag worden gehouden en die kan worden genegeerd.

Inzicht in een praktisch MOSFET-versterkerontwerp

Figuur hieronder toont het schakelschema van een functioneel 35 watt MOSFET-versterker circuit. Behalve de toepassing van de MOSFET in de eindtrap van de versterker, ziet alles er in feite uit als een heel gewoon MOSFET-versterkerontwerp.

Tr1 is opgetuigd als een gemeenschappelijke emitter-ingangstrap , direct verbonden met de Tr3 common emitter driver stage. Beide trappen bieden de totale spanningsversterking van de versterker en omvatten een extreem grote totale versterking.
Tr2 vormt samen met de bijbehorende onderdelen een eenvoudige constante stroomgenerator met een marginale uitgangsstroom van 10 milliampère. Dit werkt als de hoofdcollectorbelasting voor Tr3.
R10 wordt gebruikt om het juiste vast te stellen rust bias stroom via de uitgangstransistors, en zoals eerder besproken, wordt de thermische stabilisatie voor de instelstroom niet echt bereikt in het instelcircuit, maar wordt deze geleverd door de uitgangsapparaten zelf.
R8 levert praktisch 100% negatieve feedback van de versterkeruitgang naar de Tr1-emitter, waardoor het circuit net rond een spanningsversterking van één staat.
Weerstanden R1, R2 en R4 werken als een potentiaalverdelingsnetwerk om de ingangstrap van de versterker, en dus ook de uitgang, voor te spannen tot ongeveer de helft van de voedingsspanning. Dit maakt het hoogst haalbare uitvoerniveau mogelijk vóór het knippen en het begin van kritische vervorming.
R1 en C2 worden gebruikt als een filtercircuit dat de bromfrequentie en andere vormen van potentiële ruis op de toevoerleidingen annuleert die de versterkeringang via het biascircuit binnenkomen.
R3 en C5 werken als een RF-filter wat voorkomt dat RF-signalen rechtstreeks van ingang naar uitgang breken, waardoor hoorbare storingen ontstaan. C4 helpt ook om hetzelfde probleem op te lossen door de hoge frequentierespons van de versterker effectief over de bovenste audiofrequentielimiet te laten rollen.
Om ervoor te zorgen dat de versterker een goede spanningsversterking krijgt bij hoorbare frequenties, wordt het essentieel om ontkoppel de negatieve feedback tot op zekere hoogte.
C7 vervult de rol van de ontkoppelingscondensator , terwijl de R6-weerstand de hoeveelheid feedback beperkt die wordt opgeruimd.
Het circuit spanningsversterking wordt ongeveer bepaald door R8 te delen door R6, of ongeveer 20 keer (26dB) met de toegewezen partwaarden.
De maximale uitgangsspanning van de versterker is 16 volt RMS, wat een ingangsgevoeligheid van ongeveer 777 mV RMS mogelijk maakt om een volledige output te bereiken. De ingangsimpedantie kan meer dan 20k bedragen.
C3 en C8 worden gebruikt als respectievelijk de ingangs- en uitgangskoppelcondensatoren. C1 maakt ontkoppeling voor de voedings-DC mogelijk.
R11 en C9 dienen uitsluitend om de stabiliteit van de versterker te vergemakkelijken en te regelen, door te werken zoals de populaire Zobel-netwerk , die vaak worden aangetroffen rond de uitgangstrappen van de meeste ontwerpen van halfgeleidervermogensversterkers.

Prestatie analyse

De prototype versterker lijkt ongelooflijk goed te presteren, zeker als we het vrij eenvoudige ontwerp van het apparaat opmerken. Het getoonde ontwerpcircuit van de MOSFET-versterker zal met plezier een 35 watt RMS uitvoeren bij een belasting van 8 ohm.

De totale harmonische vervorming zal niet meer zijn dan ongeveer 0,05%. Het prototype werd alleen geanalyseerd op signaalfrequenties rond 1 kHz.
Maar het circuit is open lusversterking bleek praktisch constant te zijn binnen het gehele audiofrequentiebereik.
De frequentiebereik met gesloten lus werd gemeten op -2 dB met signalen van ongeveer 20 Hz en 22 kHz.
De versterker signaal - ruis verhouding (zonder dat er een luidspreker is aangesloten) hoger was geweest dan de waarde van 80 dB, hoewel er in werkelijkheid een kleine hoeveelheid handen zoemen van de stroomtoevoer die op de luidsprekers wordt gedetecteerd, maar het niveau kan onder normale omstandigheden te laag zijn om te horen.

Stroomvoorziening

De bovenstaande afbeelding toont een correct geconfigureerde voeding voor het 35 watt MOSFET-versterkerontwerp. De voeding kan voldoende krachtig zijn om een mono- of stereomodel van het apparaat aan te kunnen.

De stroomtoevoer bestaat in feite uit een paar efficiënte gelijkrichters en afvlakschakelingen waarvan de uitgangen in serie zijn aangesloten om een totale uitgangsspanning te leveren die overeenkomt met tweemaal de potentiaal die wordt aangelegd door een individuele gelijkrichter en een capacitief filtercircuit.

Diodes D4, D6 en C10 vormen een bepaald deel van de voeding, terwijl het tweede deel wordt geleverd door D3, D5 en C11. Elk van deze biedt iets minder dan 40 volt zonder aangesloten belasting, en een totale spanning van 80 V onbelast.

Deze waarde kan dalen tot ongeveer 77 volt wanneer de versterker wordt belast door een stereo-ingangssignaal met een operationele rusttoestand, en tot ongeveer 60 volt wanneer twee versterkerkanalen op vol of maximaal vermogen werken.

Constructietips

Een ideale printplaatlayout voor de 35 watt MOSFET-versterker wordt in de onderstaande figuren getoond.

Dit is bedoeld voor één kanaal van het versterkercircuit, dus natuurlijk moeten er twee van dergelijke kaarten worden gemonteerd wanneer een stereoversterker nodig is. De uitgangstransistors zijn zeker niet op de print gemonteerd, eerder over een type met grote vinnen.

Het is niet nodig om een mica-isolatiekit voor de transistors te gebruiken terwijl u ze op het koellichaam bevestigt. Dit komt omdat de MOSFET-bronnen rechtstreeks zijn verbonden met hun metalen lipjes, en deze bronpinnen moeten hoe dan ook met elkaar verbonden blijven.

Omdat ze echter niet geïsoleerd zijn van het koellichaam, kan het echt van vitaal belang zijn om ervoor te zorgen dat de koellichamen niet in elektrisch contact komen met verschillende andere delen van de versterker.

Voor een stereo-implementatie mogen de individuele koellichamen die worden gebruikt voor de twee versterkers niet in elektrische nabijheid van elkaar komen. Gebruik altijd kortere kabels van maximaal ongeveer 50 mm om de uitgangstransistors aan te sluiten op de printplaat.

Dit is met name cruciaal voor de leads die verbinding maken met de gate-aansluitingen van de output-MOSFET's. Vanwege het feit dat Power MOSFET's een hoge versterking hebben bij hoge frequenties, kunnen langere kabels de stabiliteitsrespons van de versterker ernstig beïnvloeden of zelfs een RF-oscillatie veroorzaken die op zijn beurt een permanente schade aan de vermogens-MOSFET's kan veroorzaken.

Dat gezegd hebbende, zult u praktisch nauwelijks problemen ondervinden bij het voorbereiden van het ontwerp om ervoor te zorgen dat deze kabels effectief korter worden gehouden. Het kan belangrijk zijn op te merken dat C9 en R11 buiten de printplaat zijn gemonteerd en eenvoudig in serie over de uitgangsbus zijn geschakeld.

Bouwtips voor stroomvoorziening

Het voedingscircuit wordt gebouwd door een punt-naar-punt bedrading toe te passen, zoals aangegeven in de onderstaande afbeelding.

Dit ziet er eigenlijk vrij vanzelfsprekend uit, maar er wordt voor gezorgd dat de condensatoren C10 en C11 beide typen bestaan uit een dummy-tag. Als ze dat niet zijn, kan het cruciaal zijn om een tag-strip te gebruiken om een paar verbindingspoorten mogelijk te maken. Een soldeer-tag wordt geklemd op een bepaalde montagebout van T1, die een chassisaansluitpunt biedt voor de AC-aardingskabel.

Aanpassing en instellingen

Zorg ervoor dat u de bedradingsaansluitingen grondig onderzoekt voordat u de voeding inschakelt, omdat bedradingsfouten kunnen leiden tot kostbare vernietiging en zeker gevaarlijk kunnen zijn.
Voordat u het circuit inschakelt, moet u R10 trimmen om minimale weerstand te krijgen (volledig tegen de klok in draaien).
Met FS1 tijdelijk verwijderd en een multimeter bevestigd om 500mA FSD te meten bevestigd over de zekeringhouder, moet een aflezing van ongeveer 20mA op de meter worden gezien terwijl de versterker is ingeschakeld (dit kan 40mA zijn wanneer tweekanaals stereo wordt gebruikt).
Als u merkt dat de meterstand hier aanzienlijk anders uitziet, schakel dan onmiddellijk de stroom uit en onderzoek de hele bedrading opnieuw. Integendeel, als alles goed is, beweeg R10 dan langzaam om de meterstand te maximaliseren tot een waarde van 100mA.
Als een stereoversterker gewenst is, moet R10 over beide kanalen worden getweakt om de stroomopname tot 120mA te krijgen, en vervolgens moet R10 in het 2e kanaal worden verfijnd om het huidige gebruik tot 200mA te verhogen. Zodra deze zijn voltooid, is uw MOSFET-versterker klaar voor gebruik.
Let er goed op dat u geen van de netstroomaansluitingen aanraakt tijdens het opstellen van de versterker.
Alle onbedekte bedrading of kabelverbindingen die zich mogelijk op het AC-netpotentiaal bevinden, moeten goed worden geïsoleerd voordat het apparaat op de netvoeding wordt aangesloten.
Het behoeft geen betoog dat, zoals bij elk wisselstroomcircuit, het moet worden ingesloten in een stevige kast die alleen kan worden losgeschroefd met behulp van een speciale schroevendraaier en een andere set instrumenten, om ervoor te zorgen dat er geen snelle middelen zijn om het gevaarlijke netstroombedrading en ongevallen worden veilig geëlimineerd.

Onderdelenlijst voor de 35 watt MOSFET-eindversterker

120W MOSFET-versterkerapplicatiecircuit

Afhankelijk van de specificaties van de stroomvoorziening, is het praktisch MOSFET-versterker van 120 watt circuit is in staat om een uitgangsvermogen in het bereik van ongeveer 50 en 120 watt RMS aan te bieden aan een 8 ohm luidspreker.

Dit ontwerp bevat ook MOSFET's in de eindtrap om een superieur niveau van algehele prestaties te bieden, zelfs met de grote eenvoud van het circuit

De totale harmonische vervorming van de versterker is niet meer dan 0,05%, maar alleen als het circuit niet overbelast is en de signaal-ruisverhouding hoger is dan 100dB.

“12v acculadercircuit met automatische uitschakeling ”

Inzicht in MOSFET-versterkerstadia

Zoals hierboven getoond, is dit circuit ontworpen met verwijzing naar een Hitachi-lay-out. In tegenstelling tot het laatste ontwerp, maakt dit circuit gebruik van DC-koppeling voor de luidspreker en bevat het een dubbele gebalanceerde voeding met een middelste 0V en een aardrail.

Deze verbetering maakt een einde aan de afhankelijkheid van grote uitgangskoppelcondensatoren, evenals de onderprestatie bij lage frequentieprestaties die deze condensator genereert. Bovendien geeft deze lay-out het circuit ook een behoorlijke afwijzing van de voedingsrimpel.

Afgezien van de DC-koppelingsfunctie, lijkt het circuitontwerp behoorlijk verschillend van dat dat in het eerdere ontwerp werd gebruikt. Hier zijn zowel de ingangs- als de drivertrap voorzien van differentiële versterkers.

De ingangstrap wordt geconfigureerd met Tr1 en Tr2, terwijl de driverfase afhankelijk is van Tr3 en Tr4.

Transistor Tr5 is geconfigureerd als een constante huidige collectorbelasting voor Tr4. Het signaalpad door middel van de versterker begint met behulp van de ingangskoppelcondensator C1, samen met het RF-filter R1 / C4. R2 wordt gebruikt voor het voorspannen van de ingang van de versterker op het centrale 0V-voedingsspoor.

Tr1 is bedraad als een efficiënte a gemeenschappelijke emitterversterker waarvan de uitgang rechtstreeks is verbonden met Tr4, die wordt toegepast als een gemeenschappelijke emitter-driverfase. Vanaf deze fase is het audiosignaal gekoppeld aan Tr6 en Tr7 die zijn opgetuigd als complementaire source-follower-eindtrap.

De negatieve feedback wordt gewonnen uit de versterkeruitgang en verbonden met de Tr2-basis, en ondanks het feit dat er geen signaalinversie is via de Tr1-basis naar de uitgang van de versterker, bestaat er wel een inversie over de Tr2-basis en de uitgang. Het is omdat Tr2 werkt als een emittervolger perfect de emitter van Tr1 aandrijft.

Wanneer een ingangssignaal wordt toegevoerd aan de Tr1-zender, werken de transistors met succes als een gemeenschappelijke basisfase Daarom, hoewel de inversie niet plaatsvindt door middel van Tr1 en Tr2, vindt inversie wel plaats via Tr4.

Faseverandering vindt ook niet plaats via de eindtrap, wat betekent dat de versterker en de Tr2-basis de neiging hebben om uit fase te zijn om de vereiste vereiste tegenkoppeling uit te voeren. De R6- en R7-waarden zoals voorgesteld in het diagram leveren een spanningsversterking op van ongeveer 28 keer.

Zoals we uit onze eerdere discussies hebben geleerd, is een klein nadeel van vermogens-MOSFET's dat ze minder ef ﬁ ciënt worden dan BJT's wanneer ze worden bedraad via de traditionele Klasse B-eindtrap. Ook wordt de relatieve ef ﬁ ciëntie van vermogens-MOSFET's nogal slecht bij circuits met een hoog vermogen die vereisen dat de gate / source-spanning verschillende spanningen heeft voor hoge source-stromen.

De maximale swing van de uitgangsspanning kan worden aangenomen gelijk te zijn aan de voedingsspanning minus de maximale gate-to-source-spanning van de individuele transistor, en dit maakt zeker een swing van de uitgangsspanning mogelijk die aanzienlijk lager kan zijn dan de toegepaste voedingsspanning.

Een eenvoudige manier om een hogere efficiëntie te verkrijgen, zou zijn om in feite een paar vergelijkbare MOSFET's op te nemen die parallel over elk van de uitgangstransistors zijn aangesloten. De hoogste hoeveelheid stroom die door elke output-MOSFET wordt verwerkt, wordt dan ongeveer gehalveerd en de maximale source-to-gate-spanning van elke MOSFET wordt op de juiste manier verlaagd (samen met een evenredige toename van de uitgangsspanning van de versterker).

Een vergelijkbare benadering werkt echter niet wanneer deze wordt toegepast op bipolaire apparaten, en dit is hoofdzakelijk te wijten aan hun positieve temperatuurcoëfficiënt kenmerken. Als een bepaalde output-BJT overmatige stroom begint te trekken dan de andere (omdat geen twee transistors exact dezelfde karakteristiek hebben), begint het ene apparaat warmer te worden dan het andere.

Deze verhoogde temperatuur zorgt ervoor dat de emitter / basis drempelspanning van de BJT wordt verlaagd, en als gevolg daarvan begint het een veel groter deel van de uitgangsstroom te verbruiken. De situatie zorgt er dan voor dat de transistor heter wordt, en dit proces gaat oneindig door totdat een van de uitgangstransistors alle belasting begint te verwerken, terwijl de andere inactief blijft.

Dit soort problemen kan niet worden gezien met vermogens-MOSFET's vanwege hun negatieve temperatuurcoëfficiënt. Wanneer een MOSFET heter begint te worden, begint de toenemende warmte vanwege zijn negatieve temperatuurcoëfficiënt de stroom door zijn afvoer / bron te beperken.

Dit verschuift de overtollige stroom naar de andere MOSFET, die nu heter begint te worden, en op dezelfde manier zorgt de warmte ervoor dat de stroom erdoorheen proportioneel afneemt.

De situatie zorgt voor een gebalanceerde stroomverdeling en dissipatie over de apparaten, waardoor de versterker veel efficiënt en betrouwbaar werkt. Dit fenomeen maakt het ook mogelijk MOSFET's die parallel moeten worden aangesloten simpelweg door poort-, bron- en afvoerleidingen met elkaar te verbinden zonder veel berekeningen of zorgen.

Voeding voor 120 watt MOSFET-versterker

Een geschikt ontworpen stroomvoorzieningscircuit voor de 120 watt MOSFET-versterker is hierboven aangegeven. Dit lijkt veel op het voedingscircuit voor ons eerdere ontwerp.

Het enige verschil was dat de voeding van de centrale aftakking van de transformator op het kruispunt van de twee afvlakcondensatoren aanvankelijk buiten beschouwing werd gelaten. Voor het huidige voorbeeld is dit de gewoonte om de middelste 0V aarding te verzorgen, terwijl ook de netaarde op dit knooppunt aansluit in plaats van op de negatieve voedingsrail.

Er zijn zekeringen geïnstalleerd over zowel de positieve als de negatieve rails. Het vermogen dat door de versterker wordt geleverd, is grotendeels afhankelijk van de specificaties van de nettransformator. Voor de meeste eisen zou een 35 - 0 - 35 volt 160VA ringkerntransformator eigenlijk voldoende moeten zijn.

Als stereo werking heeft de voorkeur, dan zal de transformator vervangen moeten worden door een zwaardere 300 VA transformator. Als alternatief kunnen geïsoleerde voedingseenheden worden gebouwd met elk een transformator van 160 VA voor elk kanaal.

Dit maakt een voedingsspanning van ongeveer 50 V mogelijk onder rustige omstandigheden, hoewel dit niveau bij volledige belasting naar een veel lager niveau kan dalen. Hierdoor kan een output van maximaal ongeveer 70 watt RMS worden verkregen via luidsprekers van 8 ohm.

Een cruciaal punt om op te merken is dat de 1N5402-diodes die in de bruggelijkrichter worden gebruikt een maximaal toelaatbare stroomsterkte van 3 ampère hebben. Dit kan voldoende zijn voor een enkelkanaals versterker, maar dit is misschien niet voldoende voor een stereoversie. Voor een stereoversie moeten de diodes worden vervangen door diodes van 6 ampère of een diode van 6A4.

PCB-indelingen

U kunt een volwaardige PCB vinden om uw eigen 120 watt MOSFET-versterkercircuit te bouwen. De aangegeven 4 MOSFET-apparaten moeten worden aangesloten met koellichamen met grote ribben, die een nominaal vermogen moeten hebben van minimaal 4,5 graden Celsius per watt.

Voorzorgsmaatregelen voor bedrading

Zorg ervoor dat de MOSFET-pinout-aansluitingen zo kort mogelijk zijn, deze mogen niet langer zijn dan ongeveer 50 mm.
Als je ze iets langer wilt houden, zorg er dan voor dat je een lage weerstand toevoegt (kan 50 ohm 1/4 watt zijn) bij de poort van elk van de MOSFET's.
Deze weerstand reageert met de ingangscapaciteit van de MOSFET en werkt als een laagdoorlaatfilter, wat zorgt voor een betere frequentiestabiliteit voor de hoogfrequente signaalingang.
Bij hoogfrequente ingangssignalen kunnen deze weerstanden echter enige invloed hebben op de uitvoerprestaties, maar dit kan eigenlijk te klein zijn en nauwelijks merkbaar.
De transistor Tr6 bestaat eigenlijk uit twee n-kanaals MOSFET's die parallel zijn geschakeld, hetzelfde geldt voor Tr7, die ook een paar p-kanaals MOSFET's parallel heeft.
Om deze parallelle verbinding te implementeren, worden de gate, drain, source van de respectieve MOSFET-paren eenvoudig met elkaar verbonden, meer is het zo simpel als dat.
Houd er ook rekening mee dat de condensator C8 en de weerstand R13 rechtstreeks op de uitgang zijn geïnstalleerd en niet op de printplaat.
Misschien is de meest effectieve methode om de stroomvoorziening aan te leggen, door middel van vaste bedrading, net als bij de stroomvoorziening zoals bij de vorige versterker. De bedrading is vrijwel hetzelfde als bij dit vorige circuit.

Aanpassingen en instellingen

Voordat u het voltooide versterkercircuit inschakelt, moet u alle bedrading verschillende keren zorgvuldig onderzoeken.
Controleer met name de voedingsbedrading en de relevante onderlinge verbindingen tussen de MOSFET's voor uitgangsvermogen.
Fouten rond deze aansluitingen kunnen snel leiden tot permanente schade aan de versterker.
U moet ook een paar eerdere aanpassingen uitvoeren voordat u het voltooide bord inschakelt.
Begin met het volledig tegen de klok in draaien van de R11-preset en sluit in eerste instantie geen luidspreker aan op de uitgang van het apparaat.
Sluit vervolgens, in plaats van een luidspreker, uw multimeter (ingesteld op DC-bereik met lage spanning) sondes aan op de uitgangspunten van de versterker en zorg ervoor dat deze aangeeft dat de lage rustuitgangsspanning beschikbaar is.
Het kan zijn dat de meter een fractionele spanning laat zien of helemaal geen spanning heeft, wat ook prima is.
Als de meter een hoge gelijkspanning aangeeft, moet u de versterker onmiddellijk uitschakelen en opnieuw controleren op eventuele fouten in de bedrading.

Gevolgtrekking

In het bovenstaande artikel hebben we uitgebreid ingegaan op de vele parameters die een cruciale rol spelen bij het verzekeren van de juiste en optimale werking van een eindversterker.

Al deze parameters zijn standaard en kunnen daarom effectief worden gebruikt en toegepast bij het ontwerpen van elk MOSFET-vermogensversterkercircuit, ongeacht de wattage- en spanningsspecificaties.

De verschillende kenmerken die gedetailleerd zijn met betrekking tot BJT- en MOSFET-apparaten kunnen door de ontwerper worden gebruikt om een gewenst vermogensversterkercircuit te implementeren of aan te passen.

Vorige: Op Amp-voorversterkercircuits - voor microfoons, gitaren, pick-ups, buffers Vervolg: Eenvoudig digitaal timercircuit met 2-cijferig display