Circuito amplificador de potencia de 100 vatios con mosfet

El amplificador de potencia es parte de la electrónica de audio. Está diseñado para maximizar la magnitud de la potencia f dada la señal de entrada. En electrónica de sonido, el amplificador operacional aumenta el voltaje de la señal, pero no puede proporcionar la corriente necesaria para impulsar una carga. En este tutorial, construiremos un circuito amplificador de potencia de salida de 100 W RMS utilizando transistores y MOSFET con un altavoz de impedancia de 4 ohmios conectado.

Topología de construcción para amplificadores

En un sistema de cadena de amplificador, el amplificador de potencia se utiliza en la última o última etapa antes de la carga. Generalmente, el sistema de amplificador de sonido utiliza la siguiente topología que se muestra en el diagrama de bloques

Como puede ver en el diagrama de bloques anterior, el amplificador de potencia es la última etapa que está directamente conectada a la carga. Generalmente, antes del amplificador de potencia, la señal se corrige utilizando preamplificadores y amplificadores de control de voltaje. Además, en algunos casos, donde se necesita control de tono, el circuito de control de tono se agrega antes del amplificador de potencia.

Conoce tu carga

En el caso del sistema de amplificador de audio, la carga y la capacidad de conducción de carga del amplificador es un aspecto importante en la construcción. La carga principal de un amplificador de potencia es el altavoz. La salida del amplificador de potencia depende de la impedancia de la carga, por lo que conectar una carga inadecuada podría comprometer la eficiencia del amplificador de potencia y la estabilidad.

Loud Speaker es una carga enorme que actúa como carga inductiva y resistiva. El amplificador de potencia ofrece salida de CA, debido a esto, la impedancia del altavoz es un factor crítico para una transferencia de potencia adecuada.

La impedancia es la resistencia efectiva de un circuito o componente electrónico para corriente alterna, que surge de los efectos combinados relacionados con la resistencia óhmica y la reactancia.

En electrónica de audio, hay diferentes tipos de altavoces disponibles en diferentes potencias con diferente impedancia. La impedancia de los altavoces se puede entender mejor utilizando la relación entre el flujo de agua dentro de una tubería. Piense en el altavoz como una tubería de agua, el agua que fluye a través de la tubería es la señal de audio alterna. Ahora, si la tubería aumenta de diámetro, el agua fluirá fácilmente a través de la tubería, el volumen de agua será mayor y si disminuimos el diámetro, menos agua fluirá por la tubería, por lo que el volumen de agua será inferior. El diámetro es el efecto creado por la resistencia óhmica y la reactancia. Si la tubería aumenta de diámetro, la impedancia será baja, por lo que el altavoz puede obtener más potencia y el amplificador proporcionará más escenario de transferencia de potencia y si la impedancia aumenta, el amplificador proporcionará menos potencia al altavoz.

Hay diferentes opciones, así como diferentes segmentos de altavoces disponibles en el mercado, generalmente con 4 ohmios, 8 ohmios, 16 ohmios y 32 ohmios, de los cuales los altavoces de 4 y 8 ohmios están ampliamente disponibles a precios económicos. Además, debemos entender que, un amplificador con 5 vatios, 6 vatios o 10 vatios o incluso más es el vataje RMS (Root Mean Square), entregado por el amplificador a una carga específica en funcionamiento continuo.

Por lo tanto, debemos tener cuidado con la clasificación de los altavoces, la clasificación del amplificador, la eficiencia de los altavoces y la impedancia.

Construcción de un circuito amplificador de audio simple de 100 W

En tutoriales anteriores, hicimos un amplificador de potencia de 10 W, un amplificador de potencia de 25 W y un amplificador de potencia de 50 W. Pero en este tutorial, diseñaremos un amplificador de potencia de salida RMS de 100 vatios utilizando MOSFET.

En la construcción de un amplificador de 100 vatios, se utilizan múltiples transistores y MOSFET. Veamos la especificación y el diagrama de pines de transistores y MOSFET importantes. En la etapa de amplificación del amplificador, utilizamos el transistor de alto voltaje MPSA43. Es un transistor NPN de alto voltaje que actúa como amplificador. El pin del transistor NPN MPSA43 es-

Usamos dos transistores de potencia media complementarios MJE350 y MJE340. MJE350 es un transistor PNP de 500 mA en el paquete TO-225 y el transistor de par NPN idéntico es MJE340. MJE340 tiene la misma especificación que MJE350, pero es un transistor de potencia media NPN.

Los diagramas de pines para ambos se dan a continuación:

En la etapa final, se utilizan dos MOSFET de potencia, IRFP244 e IRFP9240. La combinación de estos dos proporciona una potencia de salida de 100 vatios RMS a través de la carga de 4 ohmios.

Componentes necesarios para el circuito del amplificador de potencia

1. Tablero Vero (con puntos o conectado se puede usar cualquiera)
2. Soldador
3. Alambre de soldar
4. Herramienta de pinza y pelacables
5. Alambres
6. Conectores de audio según requisitos
7. Disipador de calor de aluminio fino con un grosor de 5 mm y una dimensión de 90 mm x 45 mm.
8. Fuente de alimentación de carril a carril de 40 V con salida de carril de alimentación de +40 V GND -40 V
9. Altavoz de 4 ohmios y 100 vatios
10. Resistencia de 1/4 ^º vatios (39R, 390R, 1k, 1.5k, 4.7k, 15k, 22k, 33k, 47k, 150k) - 1nos.
11. 330R Resistencia 1/4 ^º vatios - 3 piezas
12. Resistencia 10R 10 Watt
13. 0.33R - 7 Watt - 2 piezas
14. 0.22R - 10 vatios
15. Condensador 100nF 100V - 2 piezas
16. Condensador 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 piezas
26. MPSA43 - 3 piezas

Diagrama y explicación del circuito del amplificador de audio de 100 W

El esquema de este amplificador de audio de 100 vatios tiene algunas etapas. Al comienzo de la amplificación de la primera etapa, una sección de filtro bloquea los ruidos de frecuencia no deseados. Esta sección de filtro se crea utilizando R3, R4 y C1, C2.

En la segunda etapa del circuito, Q1 y Q2, que son transistores MPSA43, funcionan como amplificador diferencial y alimentan la señal a la etapa de amplificación adicional.

A continuación, la amplificación de potencia se realiza a través de dos MOSFET, IRFP244N e IRF9240. Estos dos MOSFET son la parte importante del circuito. Estos dos MOSFET actúan como un controlador push-pull (una arquitectura o topología de amplificación ampliamente utilizada). Para controlar estos dos MOSFET Q5 y ​​Q7, se utilizan los transistores MJE350 y MJE340. Estos dos transistores de potencia proporcionan suficiente corriente de puerta para impulsar los MOSFET. R15 y R14 son las resistencias limitadoras de corriente para proteger la puerta MOSFET de la corriente de entrada. Lo mismo sucede con el R12 y el R13 para proteger la carga de salida del impulso de corriente de entrada. R18 es una resistencia de alto voltaje que actúa como circuito de sujeción con el condensador 100nF. R16 también proporciona protección adicional contra sobrecorriente.

Prueba del circuito del amplificador de 100 vatios

Usamos herramientas de simulación de Proteus para verificar la salida del circuito; medimos la salida en el osciloscopio virtual. Puede consultar el video de demostración completo que se muestra a continuación

Estamos alimentando el circuito usando +/- 40V y se proporciona la señal sinusoidal de entrada. El canal A (amarillo) del osciloscopio está conectado a través de la salida contra una carga de 4 ohmios y la señal de entrada está conectada a través del canal B (azul).

Podemos ver la diferencia de salida entre la señal de entrada y la salida amplificada en el video: -

Además, verificamos la potencia de salida, la potencia del amplificador depende en gran medida de varias cosas, como se discutió anteriormente. Depende en gran medida de la impedancia de los altavoces, la eficiencia de los altavoces, la eficiencia del amplificador, las topologías de construcción, las distorsiones armónicas totales, etc. No pudimos considerar ni calcular todos los posibles factores que crean dependencias en la potencia del amplificador. El circuito de la vida real es diferente a la simulación porque se deben considerar muchos factores al verificar o probar la salida.

Cálculo de potencia del amplificador

Usamos una fórmula simple para calcular la potencia del amplificador:

Potencia del amplificador = V ² / R

Conectamos un multímetro de CA a través de la salida. El voltaje de CA que se muestra en el multímetro es un voltaje de CA de pico a pico.

Proporcionamos una señal sinusoidal de muy baja frecuencia de 25-50Hz. Al igual que en baja frecuencia, el amplificador entregará más corriente a la carga y el multímetro podrá detectar el voltaje de CA correctamente.

El multímetro mostró + 20,9 V CA. Entonces, según la fórmula, la salida del amplificador de potencia a una carga de 4 ohmios es

Amplificador de Potencia = 20,9 ² /4 Amplificador de Potencia = 109,20 (más de 100 W aproximadamente)

Cosas para recordar al construir un amplificador de audio de 100w

1. Al construir el circuito, es necesario que los MOSFET estén conectados con el disipador de calor correctamente en la etapa del amplificador de potencia. El disipador de calor más grande proporciona un mejor resultado. El transistor de potencia Q5 y ​​Q7 deben disiparse correctamente con disipadores de calor de aluminio en forma de U pequeños.
2. Es bueno utilizar condensadores tipo caja con clasificación de grado de audio para obtener un mejor resultado.
3. Siempre es una buena opción utilizar PCB para aplicaciones relacionadas con audio.
4. Haga que las trazas del amplificador diferencial sean cortas y lo más cerca posible de la traza de entrada.
5. Mantenga las líneas de señal de audio separadas de las líneas eléctricas ruidosas.
6. Tenga cuidado con el grosor de las trazas. Como se trata de un diseño de 100 vatios, se requiere una ruta de corriente más grande, así que maximice el ancho de la traza. Es mejor usar una placa de cobre de 70 micrones en un diseño de doble cara con vías máximas para un mejor flujo de corriente.
7. Es necesario crear un plano de tierra a lo largo del circuito. Mantenga el camino de retorno por tierra lo más corto posible.

Obtenga mejores resultados

En este diseño de 100 vatios, se pueden realizar pocas mejoras para obtener un mejor rendimiento.

1. Agregue un condensador de desacoplamiento de 4700 uF con una clasificación de al menos 100 V en la pista de potencia positiva y negativa.
2. Utilice resistencias MFR con clasificación del 1% para una mejor estabilidad.
3. Cambie el diodo 1N4002 por UF4007.
4. Cambie el R11 con un potenciómetro de 1k para controlar la corriente de reposo a través de los MOSFET de potencia.
5. Agregue fusible a través de la salida, protegerá el circuito en caso de sobremarcha de altavoz o condición de cortocircuito de salida.

Además, verifique otros circuitos de amplificadores de audio:

• Amplificador de audio de 40 vatios con TDA2040
• Circuito amplificador de audio de 25 vatios
• Amplificador de audio de 10 vatios con amplificador operacional
• Circuito amplificador de potencia de 50 vatios con MOSFET