كيفية تصميم دوائر مضخم الطاقة MOSFET - شرح المعلمات

في هذا المنشور نناقش المعلمات المختلفة التي يجب أخذها في الاعتبار أثناء تصميم دائرة مضخم الطاقة MOSFET. نقوم أيضًا بتحليل الاختلاف بين ترانزستورات الوصلات ثنائية القطب (BJT) وخصائص MOSFET ونفهم لماذا تعد MOSFETS أكثر ملاءمة وكفاءة لتطبيقات مضخمات الطاقة.

بمساهمة دانيال شولتز

ملخص

عند تصميم مضخم الطاقة يعتبر في نطاق من 10 إلى 20 واط عادةً ما يُفضل التصميمات القائمة على الدوائر المتكاملة أو الدوائر المتكاملة نظرًا لحجمها الأنيق وعدد المكونات المنخفض.

ومع ذلك ، بالنسبة لنطاقات خرج الطاقة الأعلى ، يُعتبر التكوين المنفصل خيارًا أفضل بكثير ، نظرًا لأنها توفر كفاءة ومرونة أعلى للمصمم فيما يتعلق باختيار خرج الطاقة.

في وقت سابق ، كانت مكبرات الصوت التي تستخدم الأجزاء المنفصلة تعتمد على الترانزستورات ثنائية القطب أو BJTs. ومع ذلك ، مع ظهور MOSFETs متطورة ، تم استبدال BJTs ببطء بهذه MOSFETs المتقدمة لتحقيق خرج طاقة مرتفع للغاية ومساحة محدودة بشكل مذهل وتقليص ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

على الرغم من أن MOSFETs قد تبدو مبالغة في تصميم مضخمات طاقة متوسطة الحجم ، إلا أنه يمكن تطبيقها بشكل فعال لأي حجم ومواصفات مضخم الطاقة.

عيوب استخدام BJT في مضخمات الطاقة

على الرغم من أن الأجهزة ثنائية القطب تعمل بشكل جيد للغاية في مكبرات الصوت عالية الجودة ، إلا أنها تتضمن بعض العيوب التي أدت في الواقع إلى إدخال أجهزة متقدمة مثل MOSFETs.

ربما يكون أكبر عيب للترانزستورات ثنائية القطب في مراحل إخراج الفئة ب هو الظاهرة المشار إليها باسم الوضع الجامح.

تشتمل BJTs على معامل درجة حرارة موجب وهذا يؤدي تحديدًا إلى ظهور ظاهرة تسمى الهروب الحراري ، مما يتسبب في تلف محتمل للطاقة BJTs بسبب ارتفاع درجة الحرارة.

يُظهر الشكل الموجود على الجانب الأيسر أعلاه الإعداد الأساسي لبرنامج تشغيل قياسي من الفئة B ومرحلة الإخراج ، حيث يستخدم TR1 مثل مرحلة محرك باعث مشترك و Tr2 جنبًا إلى جنب مع Tr3 كمرحلة إخراج تكميلية لمتابع الباعث.

مقارنة BJT مقابل تكوين مرحلة إخراج مكبر الصوت MOSFET

وظيفة مرحلة خرج مكبر للصوت

لتصميم مضخم طاقة عامل ، من المهم تكوين مرحلة الإخراج بشكل صحيح.

الهدف من مرحلة الخرج هو في المقام الأول توفير تضخيم التيار (بقاء كسب الجهد ليس أكثر من الوحدة) حتى تتمكن الدائرة من تزويد التيارات عالية الخرج الضرورية لدفع مكبر الصوت في مستوى صوت أعلى.

1. بالإشارة إلى مخطط BJT على الجانب الأيسر أعلاه ، يعمل Tr2 كمصدر تيار ناتج أثناء دورات الإخراج الموجب بينما يوفر Tr3 تيار الإخراج أثناء دورات نصف الإخراج السالب.
2. تم تصميم حمل المجمع الأساسي لمرحلة تشغيل BJT بمصدر تيار مستمر ، والذي يوفر خطية محسّنة بدلاً من التأثيرات التي يتم تحقيقها باستخدام مقاوم تحميل بسيط.
3. يحدث هذا بسبب الاختلافات في الكسب (والتشويه المصاحب) الذي يحدث عندما يعمل BJT ضمن نطاق واسع من التيارات المجمعة.
4. يمكن أن يؤدي تطبيق المقاوم للحمل داخل مرحلة الباعث الشائعة مع تقلبات جهد الخرج الكبيرة إلى إطلاق نطاق تيار جامع ضخم للغاية وتشوهات كبيرة.
5. لا يؤدي تطبيق الحمل الحالي الثابت إلى التخلص تمامًا من التشويه ، لأن جهد المجمع يتقلب بشكل طبيعي ، وقد يعتمد كسب الترانزستور إلى حد ما على جهد المجمع.
6. ومع ذلك ، نظرًا لأن تقلبات الكسب بسبب تغيرات جهد المجمع تميل إلى أن تكون طفيفة إلى حد ما ، فإن التشوه المنخفض أقل بكثير من 1 في المائة يمكن تحقيقه تمامًا.
7. تعد دائرة التحيز المتصلة بين قواعد الترانزستورات الناتجة ضرورية لنقل الترانزستورات الناتجة إلى الموضع الذي تكون فيه عند عتبة التوصيل.
8. في حالة عدم حدوث ذلك ، قد لا تتمكن الاختلافات الطفيفة في جهد المجمع لـ Tr1 من توصيل ترانزستورات الإخراج وقد لا تسمح بأي نوع من التحسين في جهد الخرج!
9. قد تؤدي الاختلافات العالية للجهد في مجمع Tr1 إلى إحداث تغييرات مقابلة في جهد الخرج ، ولكن هذا من المحتمل أن يفوت أجزاء البداية والنهاية لكل نصف دورة من التردد ، مما يؤدي إلى حدوث 'تشوه متقاطع' خطير كما يشار إليه عادةً.

قضية تشويه كروس

حتى إذا تم نقل الترانزستورات الناتجة إلى عتبة التوصيل ، فإنها لا تزيل تمامًا التشوه المتقاطع نظرًا لأن أجهزة الإخراج تقدم كميات صغيرة نسبيًا من الكسب أثناء العمل في تيارات مجمعة مخفضة.

يوفر هذا نوعًا معتدلًا ولكن غير مرغوب فيه من التشويه المتقاطع. يمكن استخدام التغذية المرتدة السلبية للتغلب على تشوه التقاطع بشكل طبيعي ، ولكن لتحقيق نتائج ممتازة ، من الضروري في الواقع استخدام تحيز هادئ مرتفع بشكل معقول على ترانزستورات الإخراج.

هذا هو تيار التحيز الكبير الذي يسبب مضاعفات مع الهروب الحراري.

يتسبب تيار التحيز في تسخين الترانزستورات الناتجة ، وبسبب معامل درجة الحرارة الإيجابي ، يتسبب هذا في زيادة التيار المتحيز ، مما يؤدي إلى توليد المزيد من الحرارة وما ينتج عنه من ارتفاع إضافي في تيار التحيز.

وبالتالي ، توفر هذه التغذية الراجعة الإيجابية ارتفاعًا تدريجيًا في التحيز حتى تصبح الترانزستورات الناتجة ساخنة للغاية ويتم حرقها في النهاية.

في محاولة للحماية من هذا ، يتم تسهيل دائرة التحيز من خلال نظام استشعار درجة الحرارة المدمج ، مما يؤدي إلى إبطاء التحيز في حالة اكتشاف درجة حرارة أعلى.

لذلك ، عندما يسخن الترانزستور الناتج ، تتأثر دائرة التحيز بالحرارة المتولدة ، والتي تكتشف ذلك وتوقف أي تصاعد ناتج في تيار التحيز. من الناحية العملية ، قد لا يكون تثبيت التحيز مثاليًا وقد تجد اختلافات قليلة ، ومع ذلك ، قد تظهر الدائرة المكونة بشكل صحيح عادةً استقرارًا كافيًا بدرجة كافية للتحيز.

لماذا تعمل MOSFETs بكفاءة أكبر من BJTs في مضخمات الطاقة

سنحاول في المناقشة التالية أن نفهم سبب عمل دوائر MOSFET بشكل أفضل في تصميمات مضخمات الطاقة ، مقارنةً بـ BJT.

على غرار BJTs ، إذا تم توظيفها في مرحلة إخراج من الفئة B ، فإن MOSFETs تتطلب أيضًا التحيز إلى الأمام للتغلب على تشويه التقاطع. بعد قولي هذا ، نظرًا لأن وحدات MOSFET للطاقة تمتلك معامل درجة حرارة سالبة عند تيارات قريبة من 100 مللي أمبير أو أكثر (ومعامل درجة حرارة موجب طفيف في التيارات المنخفضة) ، فإنها تسمح بمحرك أقل تعقيدًا ومرحلة إخراج ، كما هو موضح في الشكل التالي .

يمكن استبدال دائرة التحيز المستقرة حرارياً بمقاوم لأن خصائص درجة حرارة الطاقة MOSFETs تتضمن تحكمًا حراريًا داخليًا في تيار التحيز عند حوالي 100 مللي أمبير (وهو تقريبًا تيار التحيز الأنسب).

التحدي الإضافي الذي تواجهه BJTs هو المكسب الحالي المنخفض نسبيًا من 20 إلى 50 فقط. قد يكون هذا غير كافٍ تمامًا لمضخمات الطاقة المتوسطة والعالية. نتيجة لهذا يتطلب مرحلة سائق قوية للغاية. النهج النموذجي لحل هذه المشكلة هو الاستفادة من أزواج دارلينجتون أو تصميم مكافئ لتوفير مكسب تيار مرتفع بشكل مناسب ، بحيث يسمح باستخدام مرحلة سائق منخفض الطاقة.

وحدات ترانزيستور (MOSFET) للطاقة ، تمامًا مثل أي جهاز FET ، تميل إلى أن تكون أجهزة تعمل بالجهد بدلاً من التشغيل الحالي.

عادةً ما تكون مقاومة مدخلات MOSFET للطاقة عالية جدًا مما يسمح بسحب تيار إدخال ضئيل مع ترددات عمل منخفضة. ومع ذلك ، في ترددات العمل العالية ، تكون مقاومة المدخلات أقل بكثير بسبب السعة العالية نسبيًا للمدخلات التي تبلغ حوالي 500 pf.

حتى مع هذه السعة العالية للمدخلات ، فإن تيار العمل الذي لا يكاد يصل إلى 10 مللي أمبير يصبح كافياً خلال مرحلة القيادة ، على الرغم من أن تيار الخرج الأقصى يمكن أن يكون حوالي ألف ضعف هذه الكمية.

هناك مشكلة إضافية في أجهزة الطاقة ثنائية القطب (BJT) وهي وقت التبديل البطيء إلى حد ما. يميل هذا إلى إنشاء مجموعة متنوعة من المشكلات ، مثل التشويه الناتج عن عدد كبير.

هذا هو الوقت الذي قد تتطلب فيه إشارة قوية عالية التردد تبديل جهد خرج قدره 2 فولت لكل ميكروثانية ، بينما قد تسمح مرحلة خرج BJT بمعدل كبير يبلغ فولت فقط لكل ميكروثانية. بطبيعة الحال ، سيكافح الإخراج لتقديم إعادة إنتاج جيدة لإشارة الإدخال ، مما يؤدي إلى تشويه لا مفر منه.

قد يعطي معدل الدوران الأدنى أيضًا للمضخم عرض نطاق قدرة غير مرغوب فيه ، مع انخفاض خرج القدرة الأعلى الذي يمكن تحقيقه بشكل كبير عند الترددات الصوتية الأعلى.

تأخر المرحلة والتذبذبات

مصدر قلق آخر هو تأخر الطور الذي يحدث عبر مرحلة إخراج مكبر الصوت بترددات عالية ، والذي يمكن أن يتسبب في تحول ردود الفعل عبر نظام التغذية المرتدة السلبية إلى موجبة بدلاً من سلبية عند الترددات العالية للغاية.

إذا كان للمضخم كسبًا كافيًا في مثل هذه الترددات ، فقد ينتقل مكبر الصوت إلى وضع التذبذب ، وسيظل نقص الاستقرار ملحوظًا حتى لو لم يكن كسب الدائرة كافياً لإحداث تذبذب.

يمكن تصحيح هذه المشكلة عن طريق إضافة عناصر لإيقاف استجابة التردد العالي للدائرة ، ودمج عناصر تعويض الطور. ومع ذلك ، فإن هذه الاعتبارات تقلل من كفاءة مكبر الصوت عند ترددات إشارة الدخل العالية.

MOSFETs أسرع من BJTs

أثناء تصميم مضخم طاقة ، يجب أن نتذكر أن تبديل سرعة دوائر ترانزستورات الطاقة بشكل عام أسرع بحوالي 50 إلى 100 مرة من BJTs. لذلك ، يمكن بسهولة التغلب على المضاعفات ذات الوظائف الرديئة عالية التردد عن طريق استخدام MOSFETs بدلاً من BJTs.

من الممكن بالفعل إنشاء تكوينات بدون أي تردد أو تعويض المرحلة لا تزال الأجزاء تحافظ على ثبات ممتاز ، وتتضمن مستوى أداء يتم الاحتفاظ به للترددات التي تتجاوز حد الصوت عالي التردد.

هناك صعوبة أخرى واجهتها مع ترانزستورات الطاقة ثنائية القطب وهي الانهيار الثانوي. يشير هذا إلى نوع من الهروب الحراري المحدد الذي يخلق 'منطقة ساخنة' داخل الجهاز مما ينتج عنه دائرة كهربائية قصيرة عبر دبابيس المجمع / الباعث.

لضمان عدم حدوث ذلك ، يجب تشغيل BJT حصريًا داخل نطاقات محددة من تيار المجمع والجهد. لأي دائرة تضخيم الصوت يشير هذا الموقف عادةً إلى أن الترانزستورات الناتجة تُجبر على العمل بشكل جيد داخل قيودها الحرارية ، وبالتالي يتم تقليل طاقة الإخراج المثلى التي يمكن الحصول عليها من الطاقة BJTs بشكل كبير ، وهي أقل بكثير مما تسمح به قيم التبديد القصوى.

شكرا ل معامل درجة الحرارة السلبية لـ MOSFET في التيارات عالية التصريف ، لا تواجه هذه الأجهزة مشاكل مع الانهيار الثانوي. بالنسبة إلى MOSFETs ، فإن الحد الأقصى المسموح به لمواصفات تيار التصريف والجهد التصريف محدود عمليًا فقط بوظيفة تبديد الحرارة. وبالتالي ، أصبحت هذه الأجهزة مناسبة تمامًا بشكل خاص لتطبيقات مكبرات الصوت عالية الطاقة.

عيوب MOSFET

على الرغم من الحقائق المذكورة أعلاه ، فإن MOSFET لديها أيضًا بعض العيوب ، والتي تعد أقل نسبيًا من حيث العدد وغير ذات أهمية. في البداية ، كانت الترانزستورات ثنائية القطب باهظة الثمن مقارنةً بالترانزستورات ثنائية القطب المتطابقة. ومع ذلك ، فقد أصبح الفرق في التكلفة أصغر كثيرًا في الوقت الحاضر عندما نفكر في حقيقة أن الدوائر المتكاملة متعددة المراحل (MOSFET) تجعل من الممكن للدوائر المعقدة الحصول على أبسط بكثير وتخفيض كبير غير مباشر في التكلفة ، يجعل نظير BJT تافهًا للغاية حتى مع تكلفته المنخفضة بطاقة شعار.

غالبًا ما تتميز دوائر MOSFET الطاقة بزيادة تشويه الحلقة المفتوحة من BJTs. ومع ذلك ، نظرًا لكسبها العالي وسرعات التحويل السريعة ، تسمح وحدات MOSFET للطاقة باستخدام مستوى عالٍ من ردود الفعل السلبية عبر طيف التردد الصوتي بالكامل ، مما يوفر تجربة لا مثيل لها تشويه الحلقة المغلقة نجاعة.

يتمثل العيب الإضافي المتضمن في MOSFETs للطاقة في انخفاض فعاليتها مقارنةً بـ BJTs عند استخدامها في مراحل الإخراج لمكبر الصوت القياسي. والسبب وراء ذلك هو وجود مرحلة تتبع للباعث عالي الطاقة والتي تولد انخفاضًا في الجهد يصل إلى حوالي 1 فولت بين المدخلات والمخرجات ، على الرغم من وجود فقدان بعض الفولت عبر الإدخال / الإخراج لمرحلة متابعة المصدر. لا توجد طريقة سهلة لحل هذه المشكلة ، ولكن يبدو أن هذا يمثل انخفاضًا طفيفًا في الكفاءة ، والذي لا ينبغي أخذه في الاعتبار ، ويمكن تجاهله.

فهم تصميم عملي لمكبر الصوت MOSFET

يعرض الشكل أدناه مخطط الدائرة الوظيفية 35 واط قوة موسفيت مكبر دائرة كهربائية. باستثناء تطبيق MOSFET في مرحلة إخراج مكبر الصوت ، يبدو كل شيء بشكل أساسي مثل تصميم مكبر صوت MOSFET شائع جدًا.

• تم تجهيز Tr1 باعتباره ملف مرحلة إدخال الباعث المشترك ، متصلة مباشرة بمرحلة سائق باعث مشترك Tr3. تقدم كلتا المرحلتين الكسب الكلي للجهد للمكبر ، وتتضمن ربحًا إجماليًا كبيرًا للغاية.
• يخلق Tr2 مع أجزائه المرفقة مولد تيار مستمر بسيط له تيار خرج هامشي يبلغ 10 مللي أمبير. يعمل هذا مثل حمل المجمع الرئيسي لـ Tr3.
• R10 يستخدم لتأسيس الصحيح تيار التحيز الهادئ عبر ترانزستورات الإخراج ، وكما تمت مناقشته سابقًا ، لا يتم تحقيق الاستقرار الحراري لتيار التحيز حقًا في دائرة التحيز ، بل يتم توصيله بواسطة أجهزة الإخراج نفسها.
• R8 يسلم عمليا 100٪ ردود فعل سلبية من خرج مكبر الصوت إلى باعث Tr1 ، مما يسمح للدائرة حول زيادة جهد الوحدة.
• تعمل المقاومات R1 و R2 و R4 مثل شبكة فاصل محتملة لتحيز مرحلة إدخال مكبر الصوت ، وبالتالي الناتج أيضًا ، إلى حوالي نصف جهد الإمداد تقريبًا. يتيح ذلك أعلى مستوى إخراج يمكن تحقيقه قبل القص وبدء التشويه الحرج.
• يتم استخدام R1 و C2 كدائرة ترشيح تلغي تردد همهمة وأشكال أخرى من الضوضاء المحتملة على خطوط الإمداد من دخول إدخال مكبر الصوت عبر دائرة التحيز.
• يعمل R3 و C5 مثل مرشح الترددات اللاسلكية الذي يمنع إشارات التردد اللاسلكي من الدخول إلى المخرجات ، مما يتسبب في حدوث اضطرابات صوتية. يساعد C4 أيضًا في حل نفس المشكلة عن طريق التراجع عن استجابة التردد العالي للمضخم بشكل فعال فوق الحد الأعلى لتردد الصوت.
• للتأكد من أن مكبر الصوت يحصل على جهد جيد في الترددات الصوتية ، يصبح من الضروري افصل ردود الفعل السلبية إلى حد ما.
• C7 يفي بدور مكثف فصل ، بينما يحد المقاوم R6 من كمية التغذية المرتدة التي يتم تنظيفها.
• الدائرة كسب الجهد يتم تحديده تقريبًا بقسمة R8 على R6 ، أو حوالي 20 مرة (26 ديسيبل) بقيم الجزء المخصص.
• سيكون الحد الأقصى لجهد خرج مكبر الصوت 16 فولت RMS ، مما يسمح بحساسية إدخال تبلغ حوالي 777mV RMS لتحقيق خرج كامل. يمكن أن تكون مقاومة الإدخال أكثر من 20 كيلو.
• يتم استخدام C3 و C8 كمكثفات اقتران المدخلات والمخرجات على التوالي. يتيح C1 فصل التيار المستمر.
• تعمل R11 و C9 حصريًا على تسهيل والتحكم في استقرار مكبر الصوت ، من خلال العمل مثل المشهور شبكة Zobel ، والتي توجد غالبًا حول مراحل الإخراج لمعظم تصميمات مضخمات قدرة أشباه الموصلات.

تحليل الأداء

يبدو أن مكبر النموذج الأولي يعمل بشكل جيد بشكل لا يصدق ، على وجه التحديد بمجرد أن نلاحظ التصميم البسيط للوحدة. ستخرج دائرة تصميم مكبر الصوت MOSFET الموضحة بسعادة 35 واط RMS في حمل 8 أوم.

• ال التشويه التوافقي الكلي لن تكون أكثر من حوالي 0.05٪. تم تحليل النموذج الأولي فقط لترددات الإشارة حول 1 كيلو هرتز.
• لكن الدائرة كسب حلقة مفتوحة تم العثور عليه ليكون ثابتًا عمليًا ضمن نطاق التردد الصوتي بأكمله.
• ال استجابة تردد الحلقة المغلقة تم قياسه عند -2 ديسيبل بإشارات 20 هرتز و 22 كيلو هرتز تقريبًا.
• مكبر للصوت إشارة إلى نسبة الضوضاء (بدون مكبر صوت متصل) أعلى من الرقم 80 ديسيبل ، على الرغم من أنه في الواقع قد يكون هناك احتمال وجود كمية ضئيلة من يد همهمة من مصدر الطاقة الذي يتم اكتشافه على مكبرات الصوت ، ولكن قد يكون المستوى صغيرًا جدًا بحيث لا يمكن سماعه في الظروف العادية.

مزود الطاقة

توضح الصورة أعلاه مصدر طاقة تم تكوينه بشكل مناسب لتصميم مكبر للصوت 35 وات MOSFET. قد يكون مصدر الطاقة قويًا بشكل كافٍ للتعامل مع نموذج أحادي أو استريو للوحدة.

يتكون مصدر الطاقة في الواقع من دارتين فعالتين من الدوائر المستقيمة والدفع والسلاسة التي ترتبط مخرجاتها في سلسلة لتوفير جهد خرج إجمالي يقابل ضعف الإمكانات المطبقة بواسطة دائرة تصفية فردية وسعة.

تشكل الثنائيات D4 و D6 و C10 جزءًا معينًا من مصدر الطاقة بينما يتم تسليم القسم الثاني بواسطة D3 و D5 و C11. يقدم كل من هؤلاء أقل بقليل من 40 فولت دون توصيل حمولة ، وبجهد إجمالي 80 فولت بدون تحميل.

قد تنخفض هذه القيمة إلى حوالي 77 فولت عندما يتم تحميل مكبر الصوت بإشارة إدخال مجسم مع حالة تشغيل هادئة ، وإلى حوالي 60 فولت فقط عند تشغيل قناتي مكبر للصوت بقدرة كاملة أو قصوى.

تلميحات البناء

يتم توضيح تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور مثالي لمكبر 35 وات MOSFET في الأشكال أدناه.

هذا مخصص لقناة واحدة من دارة مكبر الصوت ، لذلك من الطبيعي أن يتم تجميع لوحتين من هذا القبيل عندما يصبح مكبر الصوت المجسم ضروريًا. من المؤكد أن الترانزستورات الناتجة ليست مثبتة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، بدلاً من النوع ذي الزعانف الكبيرة.

ليس من الضروري استخدام مجموعة عزل الميكا للترانزستورات أثناء تثبيتها على غرفة التبريد. هذا لأن مصادر MOSFET متصلة مباشرة بعلامات التبويب المعدنية الخاصة بها ، ويجب أن تظل دبابيس المصدر هذه متصلة ببعضها البعض على أي حال.

ومع ذلك ، نظرًا لأنها غير معزولة عن المبدد الحراري ، فقد يكون من الضروري حقًا التأكد من أن المبددات الحرارية لا تتلامس مع أجزاء أخرى مختلفة من مكبر الصوت.

أيضًا ، من أجل تنفيذ الاستريو ، لا ينبغي السماح لمبددات الحرارة الفردية المستخدمة لزوج من مكبرات الصوت بالوصول إلى قرب كهربائي مع بعضهما البعض. تأكد دائمًا من استخدام خيوط أقصر بحد أقصى حوالي 50 مم لتوصيل الترانزستورات الناتجة مع PCB.

يعد هذا أمرًا مهمًا بشكل خاص بالنسبة للعملاء المتوقعين الذين يتصلون بأطراف بوابة وحدات MOSFET الناتجة. نظرًا لحقيقة أن وحدات MOSFET الكهربائية تتمتع بكسب عالٍ عند الترددات العالية ، فإن الخيوط الطويلة قد تؤثر بشدة على استجابة ثبات مكبر الصوت ، أو حتى تؤدي إلى تذبذب الترددات الراديوية الذي قد يتسبب بدوره في تلف دائم في وحدات MOSFET للطاقة.

بعد قولي هذا ، قد تجد عمليًا أي صعوبة في إعداد التصميم لضمان أن تكون هذه الخيوط أقصر بشكل فعال. قد يكون من المهم ملاحظة أن C9 و R11 تم تركيبهما خارج PCB ، وهما متصلان ببساطة في سلسلة عبر مقبس الإخراج.

نصائح لبناء امدادات الطاقة

يتم إنشاء دائرة إمداد الطاقة من خلال تطبيق الأسلاك من نقطة إلى نقطة ، كما هو موضح في الشكل أدناه.

يبدو هذا في الواقع بديهيًا جدًا ، ومع ذلك فمن المؤكد أن كلا النوعين من المكثفات C10 و C11 يتكونان من علامة وهمية. في حالة عدم وجودها ، قد يكون من الضروري استخدام شريط العلامات لتمكين عدد قليل من منافذ الاتصال. يتم تثبيت علامة اللحام بمسامير تثبيت معينة من T1 ، والتي توفر نقطة توصيل للهيكل لمصدر التيار المتردد الأرضي.

الضبط والإعدادات

1. تأكد من إجراء فحص شامل لتوصيلات الأسلاك قبل تشغيل مزود الطاقة ، لأن أخطاء الأسلاك قد تتسبب في تدمير مكلف وقد تكون خطرة بالتأكيد.
2. قبل تشغيل الدائرة ، تأكد من تقليم R10 للحصول على الحد الأدنى من المقاومة (قم بالتدوير في اتجاه عكس عقارب الساعة بالكامل).
3. مع إخراج FS1 مؤقتًا وتثبيت جهاز متعدد لقياس 500mA FSD متصل فوق حامل المصهر ، يجب رؤية قراءة تبلغ حوالي 20 مللي أمبير على العداد أثناء تشغيل مكبر الصوت (قد يكون هذا 40 مللي أمبير عند استخدام قناتين ستيريو).
4. في حال وجدت أن قراءة العداد تختلف إلى حد كبير عن هذا ، فقم بإيقاف تشغيل الطاقة على الفور وأعد فحص الأسلاك بالكامل. على العكس من ذلك ، إذا كان كل شيء جيدًا ، فحرك ببطء R10 لتعظيم قراءة العداد حتى قيمة 100mA.
5. إذا كان مطلوبًا مضخم صوت ستريو ، فيجب تعديل R10 عبر كلتا القناتين للحصول على سحب التيار حتى 120 مللي أمبير ، ثم يجب ضبط R10 في القناة الثانية لزيادة الاستخدام الحالي إلى 200 مللي أمبير. بمجرد الانتهاء من ذلك ، يصبح مكبر MOSFET جاهزًا للاستخدام.
6. احرص بشدة على عدم لمس أي من وصلات التيار المتردد أثناء القيام بإجراءات الإعداد لمكبر الصوت.
7. يجب عزل جميع توصيلات الأسلاك أو الكابلات المكشوفة التي قد تكون في جهد التيار المتردد بشكل صحيح قبل توصيل الجهاز بمصدر التيار الكهربائي.
8. وغني عن القول ، كما هو الحال مع كل دائرة تعمل بالتيار المتردد ، يجب أن تكون محاطة بخزانة قوية لا يمكن فكها إلا بمساعدة مفك البراغي المخصص ومجموعة أخرى من الأدوات ، لضمان عدم وجود أي وسيلة سريعة للوصول إلى الخطر يتم التخلص من الأسلاك الكهربائية والحوادث بأمان.

قائمة أجزاء لمضخم الطاقة 35 وات MOSFET

120W MOSFET Ampli er Application دائرة

اعتمادا على مواصفات امدادات الطاقة ، العملي مكبر موسفيت 120 وات الدائرة قادرة على تقديم طاقة خرج في حدود حوالي 50 و 120 واط RMS في مكبر صوت 8 أوم.

يشتمل هذا التصميم أيضًا على دوائر MOSFET في مرحلة الإخراج لتوفير مستوى أعلى من الأداء العام حتى مع البساطة الكبيرة للدائرة

لا يزيد التشوه التوافقي الكلي للمضخم عن 0.05٪ ، ولكن فقط عندما لا يتم تحميل الدائرة بشكل زائد ، وتكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء أعلى من 100 ديسيبل.

فهم مراحل مكبر الصوت MOSFET

كما هو موضح أعلاه ، تم تصميم هذه الدائرة بالرجوع إلى تخطيط هيتاشي. على عكس التصميم الأخير ، تستخدم هذه الدائرة اقتران DC لمكبر الصوت وتحتوي على مصدر طاقة مزدوج متوازن مع 0V وسكة أرضية.

يتخلص هذا التحسين من الاعتماد على مكثفات اقتران الخرج الكبيرة ، بالإضافة إلى الأداء المنخفض في أداء التردد المنخفض الذي يولده هذا المكثف. علاوة على ذلك ، يتيح هذا التصميم أيضًا للدائرة إمكانية رفض تموج العرض اللائق.

إلى جانب ميزة اقتران DC ، يبدو تصميم الدائرة مختلفًا تمامًا عن التصميم المستخدم في التصميم السابق. هنا ، تشتمل كل من مرحلتي الإدخال والمحرك على مكبرات تفاضلية.

يتم تكوين مرحلة الإدخال باستخدام Tr1 و Tr2 بينما تعتمد مرحلة السائق على Tr3 و Tr4.

تم تكوين الترانزستور Tr5 مثل ملف تحميل جامع التيار المستمر لـ Tr4. يبدأ مسار الإشارة عن طريق مكبر الصوت باستخدام مكثف اقتران الإدخال C1 ، جنبًا إلى جنب مع RF R lter R1 / C4. يستخدم R2 لتحيز إدخال مكبر الصوت على مسار الإمداد المركزي 0V.

Tr1 سلكي باعتباره a مضخم باعث مشترك التي لها ناتج متصل مباشرة بـ Tr4 والذي يتم تطبيقه كمرحلة محرك باعث مشترك من هذه المرحلة فصاعدًا ، يتم ربط الإشارة الصوتية بـ Tr6 و Tr7 والتي تم تجهيزها كمرحلة إخراج تابع لمصدر تكميلي.

ال ردود فعل سلبية يتم استخراجه من خرج مكبر الصوت ومتصل بقاعدة Tr2 ، وعلى الرغم من عدم وجود انعكاس للإشارة عبر قاعدة Tr1 إلى خرج مكبر الصوت ، إلا أنه يوجد انعكاس عبر قاعدة Tr2 والإخراج. ذلك لأن Tr2 يعمل كمتابع باعث يقود بشكل مثالي باعث Tr1.

عند تطبيق إشارة دخل على باعث Tr1 ، تعمل الترانزستورات بنجاح مثل a مرحلة القاعدة المشتركة . لذلك ، على الرغم من أن الانعكاس لا يحدث عن طريق Tr1 و Tr2 ، فإن الانعكاس يحدث من خلال Tr4.

أيضًا ، لا يحدث تغيير الطور عبر مرحلة الإخراج ، مما يعني أن مكبر الصوت وقاعدة Tr2 تميل إلى أن تكون خارج الطور لتنفيذ الملاحظات السلبية المطلوبة. توفر قيم R6 و R7 كما هو مقترح في الرسم البياني كسب جهد بحوالي 28 مرة.

كما تعلمنا من مناقشاتنا السابقة ، فإن عيبًا صغيرًا في دوائر MOSFET للطاقة هو أنها تصبح أقل كفاءة من BJTs عندما يتم توصيلها من خلال مرحلة إخراج تقليدية من الفئة B. أيضًا ، تصبح الكفاءة النسبية لوحدات MOSFETs سيئة إلى حد ما مع الدوائر عالية الطاقة التي تتطلب جهد البوابة / المصدر ليكون من عدة جهد لتيارات عالية المصدر.

يمكن افتراض أن أقصى تأرجح لجهد الخرج يساوي جهد الإمداد مطروحًا منه البوابة القصوى لجهد المصدر للترانزستور الفردي ، وهذا بالتأكيد يسمح بتأرجح جهد الخرج الذي قد يكون أقل بكثير من جهد الإمداد المطبق.

تتمثل الوسيلة المباشرة للحصول على كفاءة أعلى في دمج بضع دوائر MOSFET متشابهة متصلة بالتوازي عبر كل من ترانزستورات الإخراج. سيتم بعد ذلك تقليل أكبر قدر من التيار الذي يتم التعامل معه بواسطة كل MOSFETs الإخراج بمقدار النصف تقريبًا ، ويتم خفض أقصى مصدر إلى جهد البوابة لكل MOSFET بشكل مناسب (جنبًا إلى جنب مع النمو المتناسب في تأرجح جهد خرج مكبر الصوت).

ومع ذلك ، لا يعمل نهج مماثل عند تطبيقه على الأجهزة ثنائية القطب ، وهذا يرجع أساسًا إلى معامل درجة حرارة موجب مميزات. إذا بدأ أحد المخرجات BJT في سحب تيار زائد عن الآخر (لأنه لا يوجد ترانزستوران لهما خاصية متطابقة تمامًا) ، يبدأ أحد الأجهزة في التسخين أكثر من الآخر.

تؤدي درجة الحرارة المتزايدة هذه إلى انخفاض جهد باعث / عتبة القاعدة الأساسي ، ونتيجة لذلك يبدأ في استهلاك جزء أكبر بكثير من تيار الخرج. يتسبب الموقف بعد ذلك في زيادة سخونة الترانزستور ، وتستمر هذه العملية بلا حدود حتى يبدأ أحد الترانزستور الناتج في التعامل مع كل الحمل ، بينما يظل الآخر غير نشط.

لا يمكن رؤية هذا النوع من المشاكل مع دوائر MOSFET للطاقة بسبب معامل درجة الحرارة السالب. عندما يبدأ ارتفاع درجة حرارة MOSFET ، نظرًا لمعامل درجة الحرارة السالب ، تبدأ الحرارة المتزايدة في تقييد تدفق التيار عبر مصرفه / مصدره.

يؤدي هذا إلى تحويل التيار الزائد نحو MOSFET الآخر الذي يبدأ الآن في التسخين ، وبالمثل تتسبب الحرارة في تقليل التيار من خلاله بشكل متناسب.

يخلق الوضع حصة حالية متوازنة وتبديدًا عبر الأجهزة مما يجعل مكبر الصوت يعمل بكفاءة وموثوقية. هذه الظاهرة تسمح أيضا يتم توصيل MOSFETs بالتوازي ببساطة عن طريق الانضمام إلى البوابة والمصدر والتصريف يؤدي معًا دون الكثير من الحسابات أو المخاوف.

مزود الطاقة لمضخم موسفيت بقدرة 120 وات

يشار أعلاه إلى دائرة إمداد الطاقة المصممة بشكل مناسب لمكبر MOSFET بقدرة 120 وات. هذا يشبه إلى حد كبير دائرة إمداد الطاقة لتصميمنا السابق.

الاختلاف الوحيد هو أن إمداد صنبور مركز المحول عند تقاطع مكثفي التنعيم قد تم تجاهله في البداية. في المثال الحالي ، اعتاد هذا على توفير الإمداد الأرضي المتوسط ​​0 فولت ، بينما يتم توصيل الأرض الرئيسية أيضًا عند هذا التقاطع بدلاً من سكة الإمداد السلبية.

يمكنك العثور على مصاهر مثبتة عبر القضبان الإيجابية والسلبية. يعتمد خرج الطاقة الذي يتم توصيله بواسطة مكبر الصوت إلى حد كبير على مواصفات محول التيار الكهربائي. بالنسبة لمعظم المتطلبات ، يجب أن يكون محول التيار الكهربائي الحلقي 160VA 35-0-35 فولت كافٍ في الواقع.

إذا عملية ستيريو مفضل ، سيحتاج المحول إلى استبداله بمحول أثقل 300 VA. بدلاً من ذلك ، يمكن بناء وحدات إمداد طاقة معزولة باستخدام محول 160 فولت أمبير لكل قناة.

يسمح هذا بجهد إمداد يبلغ حوالي 50 فولت في ظروف هادئة ، على الرغم من أن هذا المستوى قد ينخفض ​​عند التحميل الكامل إلى مستوى أقل بكثير. يتيح ذلك الحصول على خرج يصل إلى حوالي 70 وات RMS من خلال مكبرات صوت مصنفة 8 أوم.

النقطة الحاسمة التي يجب ملاحظتها هي أن الثنائيات 1N5402 المستخدمة في مقوم الجسر لها أقصى معدل تيار مقبول يبلغ 3 أمبير. قد يكون هذا وافرًا لمكبر قناة واحدة ، لكن هذا قد لا يكون كافيًا لنسخة مجسمة. بالنسبة لنسخة استريو ، يجب استبدال الثنائيات بـ 6 أمبير أو صمامات ثنائية 6A4.

تخطيطات ثنائي الفينيل متعدد الكلور

يمكنك العثور على ثنائي الفينيل متعدد الكلور كامل ، لبناء دائرة مضخم MOSFET بقدرة 120 وات. يجب توصيل أجهزة MOSFET الأربعة المشار إليها بمبددات حرارة ذات زعانف كبيرة ، والتي يجب تصنيفها على الأقل 4.5 درجة مئوية لكل واط.

احتياطات الأسلاك

• تأكد من إبقاء أطراف توصيل MOSFET قصيرة قدر الإمكان ، والتي يجب ألا يزيد طولها عن 50 مم.
• إذا كنت ترغب في الاحتفاظ بها لفترة أطول قليلاً من ذلك ، فتأكد من إضافة مقاوم منخفض القيمة (قد يكون 50 أوم 1/4 واط) مع بوابة كل من MOSFETs.
• سيستجيب هذا المقاوم بسعة إدخال MOSFET ويعمل كمرشح تمرير منخفض ، مما يضمن استقرارًا أفضل للتردد لإدخال إشارة التردد العالي.
• ومع ذلك ، في إشارات الإدخال عالية التردد ، قد تنتج هذه المقاومات بعض التأثير على أداء الإخراج ، ولكن هذا قد يكون في الواقع صغيرًا جدًا وبالكاد يمكن ملاحظته.
• يتكون الترانزستور Tr6 في الواقع من اثنين من وحدات MOSFET ذات القنوات n متصلة بالتوازي ، وكذلك الحال بالنسبة لـ Tr7 ، التي تحتوي أيضًا على اثنين من MOSFETs ذات القناة p بالتوازي.
• لتنفيذ هذا الاتصال المتوازي ، يتم ربط البوابة والصرف ومصدر أزواج MOSFET ذات الصلة ببعضها البعض ، وهذا كل ما في الأمر بهذه البساطة.
• يرجى أيضًا ملاحظة أن المكثف C8 والمقاوم R13 مثبتان مباشرة على مقبس الإخراج ، ولا يتم تجميعهما على PCB.
• ربما تكون الطريقة الأكثر فعالية لبناء مصدر الطاقة هي الأسلاك الصلبة ، كما هو الحال بالنسبة لمصدر الطاقة كما هو الحال بالنسبة للمكبر السابق. الأسلاك هي نفسها كما في هذه الدائرة السابقة.

التعديلات والإعدادات

1. قبل تشغيل دائرة مكبر الصوت المكتملة ، تأكد من فحص كل واحد من الأسلاك عدة مرات بعناية.
2. تحقق على وجه التحديد من أسلاك إمداد الطاقة والتوصيلات ذات الصلة عبر وحدات MOSFET لطاقة الخرج.
3. يمكن أن تؤدي الأعطال حول هذه الوصلات بسرعة إلى تلف دائم لوحدة مكبر الصوت.
4. ستحتاج أيضًا إلى إجراء بعض التعديلات المسبقة قبل تشغيل اللوحة المكتملة.
5. ابدأ بتدوير الضبط المسبق R11 تمامًا عكس اتجاه عقارب الساعة ، ولا تقم في البداية بتوصيل مكبر الصوت بإخراج الوحدة.
6. بعد ذلك ، بدلاً من مكبر الصوت ، قم بتوصيل مجسات جهاز القياس المتعدد (مضبوط على نطاق تيار مستمر منخفض الجهد) عبر نقاط خرج مكبر الصوت ، وتأكد من أنه يُظهر أن جهد الخرج المنخفض الهادئ متاح.
7. قد تجد أن العداد يظهر جهدًا جزئيًا أو قد لا يكون هناك جهد على الإطلاق ، وهو أمر جيد أيضًا.
8. في حالة الإشارة إلى جهد تيار مستمر كبير بواسطة جهاز القياس ، يجب إيقاف تشغيل مكبر الصوت على الفور وإعادة التحقق من وجود أي أخطاء محتملة في الأسلاك.

خاتمة

في المقالة أعلاه ، ناقشنا بشكل شامل العديد من المعلمات التي تلعب دورًا مهمًا في ضمان العمل الصحيح والأمثل لمضخم الطاقة.

كل هذه المعلمات قياسية وبالتالي يمكن استخدامها وتطبيقها بشكل فعال أثناء تصميم أي دائرة لمضخم الطاقة MOSFET ، بغض النظر عن مواصفات القوة الكهربائية والجهد.

يمكن استخدام الخصائص المختلفة المفصلة فيما يتعلق بأجهزة BJT و MOSFETs من قبل المصمم لتنفيذ أو تخصيص دائرة مضخم الطاقة المطلوبة.