Bagaimana Merancang Sirkuit Penguat Daya MOSFET - Penjelasan Parameter

Pada postingan kali ini kita membahas berbagai parameter yang harus diperhatikan saat merancang rangkaian power amplifier MOSFET. Kami juga menganalisis perbedaan antara transistor junction bipolar (BJT) dan karakteristik MOSFET dan memahami mengapa MOSFET lebih cocok dan efisien untuk aplikasi penguat daya.

Kontribusi Daniel Schultz

Gambaran

Saat mendesain penguat daya dipertimbangkan dalam kisaran 10 hingga 20 watt , sirkuit terintegrasi atau desain berbasis IC biasanya lebih disukai karena ukurannya yang ramping dan jumlah komponen yang rendah.

Namun, untuk rentang keluaran daya yang lebih tinggi, konfigurasi diskrit dianggap sebagai pilihan yang jauh lebih baik, karena menawarkan efisiensi dan fleksibilitas yang lebih tinggi untuk perancang dalam hal pemilihan keluaran daya.

Sebelumnya, power amplifier yang menggunakan bagian diskrit bergantung pada transistor bipolar atau BJT. Namun, dengan munculnya MOSFET canggih , BJT perlahan-lahan diganti dengan MOSFET canggih ini untuk mencapai output daya yang sangat tinggi dan ruang yang sangat terbatas serta PCB yang diperkecil.

Meskipun, MOSFET mungkin terlihat berlebihan untuk merancang penguat daya berukuran sedang, ini dapat diterapkan secara efektif untuk ukuran dan spesifikasi penguat daya apa pun.

Kekurangan menggunakan BJT di Power Amplifier

Meskipun perangkat bipolar bekerja sangat baik pada penguat daya audio kelas atas, perangkat tersebut memiliki beberapa kelemahan yang sebenarnya mengarah pada pengenalan perangkat canggih seperti MOSFET.

Mungkin kelemahan terbesar dari transistor bipolar dalam tahap keluaran Kelas B adalah fenomena yang disebut situasi pelarian.

BJT memiliki koefisien suhu positif dan ini secara khusus menimbulkan fenomena yang disebut pelarian termal, yang menyebabkan potensi kerusakan pada BJT daya karena panas berlebih.

Gambar sisi kiri di atas menunjukkan pengaturan penting dari driver Kelas B standar dan tahap keluaran, menggunakan TR1 seperti tahap driver emitor umum dan Tr2 bersama dengan Tr3 sebagai tahap keluaran pengikut emitor komplementer.

Membandingkan Konfigurasi Tahap Output Penguat BJT vs MOSFET

Fungsi Tahap Output Amplifier

Untuk merancang penguat daya yang berfungsi, penting untuk mengkonfigurasi tingkat keluarannya dengan benar.

Tujuan dari tahap keluaran terutama untuk menyediakan penguat arus (penguatan tegangan tetap tidak lebih dari satu) agar rangkaian dapat memasok arus keluaran tinggi yang penting untuk menggerakkan loudspeaker pada tingkat volume yang lebih tinggi.

1. Mengacu pada diagram BJT sisi kiri di atas, Tr2 bekerja seperti sumber arus keluaran selama siklus keluaran positif sementara Tr3 memasok arus keluaran selama setengah siklus keluaran negatif.
2. Beban kolektor dasar untuk tahap driver BJT dirancang dengan sumber arus konstan, yang memberikan peningkatan linieritas sebagai lawan dari efek yang dicapai dengan resistor beban sederhana.
3. Hal ini terjadi karena perbedaan penguatan (dan distorsi yang menyertainya) yang terjadi setiap kali BJT bekerja dalam berbagai arus kolektor.
4. Menerapkan resistor beban di dalam tahap emitor umum dengan ayunan tegangan keluaran yang besar tidak diragukan lagi dapat memicu rentang arus kolektor yang sangat besar dan distorsi yang besar.
5. Penerapan beban arus konstan tidak sepenuhnya menghilangkan distorsi, karena tegangan kolektor secara alami berfluktuasi, dan penguatan transistor sampai batas tertentu mungkin bergantung pada tegangan kolektor.
6. Namun demikian, karena fluktuasi penguatan akibat variasi tegangan kolektor cenderung kecil, distorsi rendah yang jauh lebih rendah dari 1 persen cukup dapat dicapai.
7. Rangkaian bias yang terhubung antara basis transistor keluaran diperlukan untuk membawa transistor keluaran ke posisi di mana mereka berada tepat di ambang konduksi.
8. Dalam hal ini tidak terjadi, sedikit variasi dalam tegangan kolektor Tr1 mungkin tidak dapat membuat transistor keluaran menjadi konduksi dan mungkin tidak memungkinkan segala jenis peningkatan tegangan keluaran!
9. Variasi tegangan yang lebih tinggi pada kolektor Tr1 dapat menghasilkan perubahan yang sesuai pada tegangan keluaran, tetapi ini kemungkinan akan kehilangan bagian awal dan akhir dari setiap setengah siklus frekuensi, sehingga menimbulkan 'distorsi silang 'yang serius seperti yang biasanya dirujuk.

Masalah Distorsi Crossover

Bahkan jika transistor keluaran dibawa ke ambang konduksi tidak sepenuhnya menghilangkan distorsi crossover karena perangkat keluaran menyajikan jumlah penguatan yang relatif kecil saat berfungsi pada arus kolektor yang berkurang.

Ini memberikan distorsi crossover yang moderat tetapi tidak diinginkan. Umpan balik negatif dapat digunakan untuk mengalahkan distorsi crossover secara alami, namun untuk mencapai hasil yang sangat baik, sebenarnya penting untuk menggunakan bias diam yang cukup tinggi pada transistor keluaran.

Arus panjar besar inilah yang menyebabkan komplikasi dengan pelarian termal.

Arus bias menyebabkan pemanasan transistor keluaran, dan karena koefisien temperatur positifnya, hal ini menyebabkan arus prategangan meningkat, menghasilkan lebih banyak panas dan mengakibatkan peningkatan lebih lanjut dalam arus prategangan.

Umpan balik positif ini dengan demikian memasok kenaikan bertahap dalam bias sampai transistor keluaran menjadi terlalu panas dan akhirnya terbakar.

Dalam upaya untuk melindungi dari ini, sirkuit bias difasilitasi dengan sistem penginderaan suhu built-in, yang memperlambat bias jika suhu yang lebih tinggi terdeteksi.

Oleh karena itu, ketika transistor keluaran memanas, rangkaian bias dipengaruhi oleh panas yang dihasilkan, yang mendeteksi ini dan menghentikan setiap kenaikan akibat dalam arus prategangan. Secara praktis, stabilisasi bias mungkin tidak ideal dan Anda mungkin menemukan sedikit variasi, namun, rangkaian yang dikonfigurasi dengan benar biasanya dapat menunjukkan stabilitas bias yang cukup memadai.

Mengapa MOSFET Bekerja Lebih Efisien daripada BJT di Power Amplifier

Dalam pembahasan berikut kami akan mencoba memahami mengapa MOSFET bekerja lebih baik dalam desain penguat daya, dibandingkan dengan BJT.

Mirip dengan BJT, jika digunakan dalam tahap keluaran Kelas B, MOSFET juga menuntut a bias maju untuk mengatasi distorsi crossover. Karena itu, karena MOSFET daya memiliki koefisien suhu negatif pada arus mendekati 100 milliamps atau lebih (dan koefisien suhu positif sedikit pada arus yang lebih rendah), ia memungkinkan driver Kelas B dan tahap keluaran yang tidak terlalu rumit, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut .

Rangkaian bias yang distabilkan secara termal dapat diganti dengan resistor karena karakteristik suhu MOSFET daya menggabungkan kontrol termal bawaan dari arus prategangan sekitar 100 miliampere (yang kira-kira merupakan arus prategangan yang paling sesuai).

Tantangan tambahan yang dialami dengan BJT adalah penguatan arus yang agak rendah hanya 20 sampai 50. Hal ini mungkin tidak cukup untuk penguat daya sedang dan tinggi. Karena itu, dibutuhkan tahap pengemudi yang sangat kuat. Pendekatan khas untuk memecahkan masalah ini adalah dengan menggunakan a Pasangan Darlington atau desain yang setara untuk memberikan penguatan arus yang cukup tinggi, sehingga memungkinkan penggunaan tahap penggerak daya rendah.

Power MOSFET, sama seperti yang lainnya Perangkat FET , cenderung menjadi perangkat yang dioperasikan dengan tegangan daripada yang dioperasikan saat ini.

Impedansi masukan MOSFET daya biasanya sangat tinggi yang memungkinkan penarikan arus masukan yang dapat diabaikan dengan frekuensi kerja rendah. Namun, pada frekuensi kerja tinggi impedansi masukan jauh lebih rendah karena kapasitansi masukan relatif tinggi sekitar 500 pf.

Bahkan dengan kapasitansi input yang tinggi ini, arus kerja hampir 10 milliamps menjadi cukup melalui tahap driver, meskipun arus keluaran puncak bisa sekitar seribu kali lipat kuantitas ini.

Masalah tambahan dengan perangkat daya bipolar (BJT) adalah waktu peralihannya yang agak lambat. Hal ini cenderung menciptakan berbagai macam masalah, seperti distorsi yang dipicu oleh pembantaian.

Ini adalah ketika sinyal frekuensi tinggi yang kuat dapat menuntut tegangan keluaran switching katakanlah 2 volt per mikrodetik, sedangkan tahap keluaran BJT mungkin memungkinkan laju perubahan tegangan hanya satu volt per mikrodetik. Secara alami, keluaran akan kesulitan untuk memberikan reproduksi yang layak dari sinyal masukan, yang menyebabkan distorsi yang tidak dapat dihindari.

Tingkat perubahan tegangan yang lebih rendah juga dapat memberikan penguat bandwidth daya yang tidak diinginkan, dengan keluaran daya tertinggi yang dapat dicapai turun secara signifikan pada frekuensi audio yang lebih tinggi.

Fase Lag dan Osilasi

Kekhawatiran lain adalah keterlambatan fase yang terjadi melalui tahap keluaran penguat dengan frekuensi tinggi, dan yang dapat menyebabkan umpan balik atas sistem umpan balik negatif berubah menjadi positif daripada negatif pada frekuensi yang sangat tinggi.

Jika penguat memiliki penguatan yang cukup pada frekuensi seperti itu, penguat dapat masuk ke mode berosilasi, dan kurangnya stabilitas akan terus terlihat bahkan jika penguatan rangkaian tidak cukup untuk memicu osilasi.

Masalah ini dapat diperbaiki dengan menambahkan elemen ke respons frekuensi tinggi sirkuit roll-off, dan dengan memasukkan elemen kompensasi fase. Namun, pertimbangan ini mengurangi efisiensi penguat pada frekuensi sinyal input tinggi.

MOSFET Lebih Cepat dari BJT

Saat merancang penguat daya, kita harus ingat bahwa kecepatan switching MOSFET daya umumnya sekitar 50 hingga 100 kali lebih cepat daripada BJT. Oleh karena itu, komplikasi dengan fungsionalitas frekuensi tinggi yang inferior mudah diatasi dengan menggunakan MOSFET sebagai ganti BJT.

Sebenarnya dimungkinkan untuk membuat konfigurasi tanpa apapun frekuensi atau kompensasi fase suku cadang namun tetap mempertahankan stabilitas yang sangat baik, dan mencakup tingkat kinerja yang dipertahankan untuk frekuensi yang jauh melewati batas audio frekuensi tinggi.

Namun kesulitan lain yang dialami dengan transistor daya bipolar adalah kerusakan sekunder. Ini mengacu pada jenis pelarian termal tertentu yang menciptakan 'zona panas' di dalam perangkat yang mengakibatkan korsleting di pin kolektor / emitornya.

Untuk memastikan hal ini tidak terjadi, BJT perlu dioperasikan secara eksklusif di dalam rentang arus dan tegangan kolektor tertentu. Untuk setiap sirkuit penguat audio situasi ini biasanya menyiratkan bahwa transistor keluaran dipaksa bekerja dengan baik di dalam batasan termalnya, dan daya keluaran optimal yang dapat diperoleh dari BJT daya dengan demikian berkurang secara signifikan, jauh lebih rendah daripada nilai disipasi tertinggi yang sebenarnya memungkinkan.

Terimakasih untuk Koefisien suhu negatif MOSFET pada arus drain tinggi, perangkat ini tidak memiliki masalah dengan kerusakan sekunder. Untuk MOSFET, spesifikasi arus drain dan tegangan drain maksimum yang diijinkan secara praktis hanya dibatasi oleh fungsi pembuangan panasnya. Oleh karena itu, perangkat ini menjadi sangat sesuai untuk aplikasi penguat audio berdaya tinggi.

Kekurangan MOSFET

Terlepas dari kenyataan di atas, MOSFET juga memiliki beberapa kekurangan, yaitu relatif lebih sedikit dan tidak signifikan. Awalnya MOSFET sangat mahal dibandingkan dengan transistor bipolar yang cocok. Namun, perbedaan biaya menjadi jauh lebih kecil saat ini Ketika kami mempertimbangkan fakta bahwa MOSFET memungkinkan sirkuit kompleks menjadi lebih sederhana dan pengurangan biaya yang signifikan secara tidak langsung, membuat mitra BJT cukup sepele bahkan dengan biayanya yang rendah menandai.

Power MOSFET sering kali menampilkan peningkatan distorsi loop terbuka dari BJT. Namun, karena penguatannya yang tinggi dan kecepatan peralihan yang cepat, MOSFET daya memungkinkan penggunaan umpan balik negatif tingkat tinggi di seluruh spektrum frekuensi audio, menawarkan yang tak tertandingi distorsi loop tertutup efisiensi.

Kelemahan tambahan yang terlibat dengan MOSFET daya adalah efisiensinya yang lebih rendah dibandingkan dengan BJT ketika digunakan dalam tahap keluaran penguat standar. Alasan di balik ini adalah tahap pengikut emitor daya tinggi yang menghasilkan penurunan tegangan setinggi sekitar 1 volt antara input dan output, meskipun ada kehilangan beberapa volt di input / output dari tahap pengikut sumber. Tidak ada pendekatan yang mudah untuk menyelesaikan masalah ini, namun hal ini tampaknya merupakan pengurangan kecil dalam efisiensi, yang tidak boleh diperhitungkan, dan dapat diabaikan.

Memahami Desain Amplifier MOSFET Praktis

Gambar di bawah ini menunjukkan diagram sirkuit dari sebuah fungsional Penguat MOSFET daya 35 watt sirkuit. Kecuali aplikasi MOSFET di tahap keluaran amplifier, semuanya pada dasarnya terlihat seperti desain amplifier MOSFET yang sangat umum.

• Tr1 dicurangi sebagai tahap masukan emitor umum , langsung terhubung ke tahap driver Common Emitter Tr3. Kedua tahap ini menawarkan penguatan tegangan total penguat, dan mencakup penguatan total yang sangat besar.
• Tr2 bersama dengan bagian yang terpasang membuat generator arus konstan sederhana yang memiliki arus keluaran marjinal 10 miliampere. Ini bekerja seperti beban kolektor utama untuk Tr3.
• R10 digunakan untuk menetapkan yang benar arus bias diam melalui transistor keluaran, dan seperti yang telah dibahas sebelumnya, stabilisasi termal untuk arus prategangan tidak benar-benar dicapai dalam rangkaian prategangan, melainkan disampaikan oleh perangkat keluaran itu sendiri.
• R8 memberikan 100% praktis umpan balik negatif dari output penguat ke emitor Tr1, memungkinkan rangkaian di sekitar gain tegangan kesatuan.
• Resistor R1, R2 dan R4 bekerja seperti jaringan pembagi potensial untuk membiaskan tahap masukan penguat, dan akibatnya keluaran juga, kira-kira sekitar setengah dari tegangan suplai. Hal ini memungkinkan tingkat keluaran tertinggi yang dapat dicapai sebelum pemotongan dan dimulainya distorsi kritis.
• R1 dan C2 digunakan seperti rangkaian filter yang membatalkan frekuensi dengung dan bentuk potensi gangguan lainnya pada jalur suplai agar tidak memasuki input penguat melalui sirkuit bias.
• R3 dan C5 bertindak seperti Filter RF yang mencegah sinyal RF keluar langsung dari input ke output, menyebabkan gangguan yang dapat didengar. C4 juga membantu memecahkan masalah yang sama dengan meluncurkan respons frekuensi tinggi amplifier secara efektif di atas batas frekuensi audio atas.
• Untuk memastikan bahwa penguat mendapatkan penguatan tegangan yang baik pada frekuensi yang dapat didengar, itu menjadi penting pisahkan umpan balik negatif sampai batas tertentu.
• C7 memenuhi peran kapasitor decoupling , sedangkan resistor R6 membatasi jumlah umpan balik yang dibersihkan.
• Sirkuitnya penguatan tegangan ditentukan dengan membagi R8 dengan R6, atau sekitar 20 kali (26dB) dengan nilai bagian yang ditetapkan.
• Tegangan output maksimum amplifier adalah 16 volt RMS, yang memungkinkan sensitivitas input sekitar 777mV RMS untuk mencapai output penuh. Impedansi masukan bisa lebih dari 20k.
• C3 dan C8 masing-masing digunakan sebagai kapasitor kopling input dan output. C1 mengaktifkan decoupling untuk suplai DC.
• R11 dan C9 secara eksklusif berfungsi untuk memfasilitasi dan mengontrol stabilitas amplifier, dengan bekerja seperti yang populer Jaringan Zobel , yang sering ditemukan di sekitar tahap keluaran dari sebagian besar desain penguat daya semikonduktor.

Analisis Kinerja

Penguat prototipe tampaknya bekerja dengan sangat baik, khususnya hanya setelah kita melihat desain unit yang cukup sederhana. Rangkaian desain amplifier MOSFET yang ditampilkan akan dengan senang hati mengeluarkan RMS 35 watt menjadi beban 8 ohm.

• Itu distorsi harmonik total tidak akan lebih dari sekitar 0,05%. Prototipe dianalisis hanya untuk frekuensi sinyal sekitar 1 kHz.
• Namun sirkuitnya gain loop terbuka ditemukan konstan dalam seluruh rentang frekuensi audio.
• Itu respon frekuensi loop tertutup diukur pada -2 dB dengan sinyal sekitar 20 Hz dan 22 kHz.
• Penguatnya sinyal untuk rasio kebisingan (tanpa pengeras suara yang terhubung) lebih tinggi dari angka 80 dB, meskipun sebenarnya ada kemungkinan sejumlah kecil tangan bersenandung dari catu daya terdeteksi di speaker, tetapi levelnya mungkin terlalu kecil untuk mendengar dalam kondisi normal.

Sumber Daya listrik

Gambar di atas menunjukkan catu daya yang dikonfigurasi dengan tepat untuk desain amplifier MOSFET 35 watt. Catu daya mungkin cukup kuat untuk menangani model unit mono atau stereo.

Catu daya sebenarnya terdiri dari beberapa rangkaian penyearah dan pemulusan dorong-tarik yang efisien yang keluarannya dipasang secara seri untuk memberikan tegangan keluaran total yang setara dengan dua kali potensial yang diterapkan oleh rangkaian penyearah dan filter kapasitif individu.

Dioda D4, D6 dan C10 merupakan satu bagian tertentu dari catu daya sedangkan bagian kedua dikirim oleh D3, D5 dan C11. Masing-masing menawarkan sedikit di bawah 40 volt tanpa beban terhubung, dan tegangan total 80 V dibongkar.

Nilai ini dapat turun menjadi sekitar 77 volt ketika amplifier dibebani oleh sinyal input stereo dengan operasi status diam, dan menjadi hanya sekitar 60 volt ketika dua saluran amplifier dioperasikan pada daya penuh atau maksimum.

Petunjuk Konstruksi

Tata letak PCB yang ideal untuk penguat MOSFET 35 watt ditunjukkan pada Gambar di bawah.

Ini dimaksudkan untuk satu saluran dari rangkaian penguat, jadi secara alami dua papan seperti itu harus dipasang ketika penguat stereo diperlukan. Transistor keluaran tentunya tidak dipasang pada PCB, melainkan di atas tipe bersirip besar.

Tidak perlu menggunakan kit isolasi mika untuk transistor sambil memasangnya di heatsink. Ini karena sumber MOSFET terhubung langsung ke tab logamnya, dan pin sumber ini harus tetap terhubung satu sama lain.

Namun, karena tidak diisolasi dari heatsink, mungkin sangat penting untuk memastikan bahwa heatsink tidak mengalami kontak listrik dengan berbagai bagian amplifier lainnya.

Selain itu, untuk implementasi stereo, heatsink individu yang digunakan untuk sepasang amplifier tidak boleh dibiarkan masuk ke kedekatan listrik satu sama lain. Selalu pastikan untuk menggunakan lead yang lebih pendek dengan maksimum sekitar 50 mm untuk menghubungkan transistor keluaran dengan PCB.

Ini sangat penting untuk lead yang terhubung dengan terminal gerbang dari MOSFET keluaran. Karena fakta bahwa Power MOSFET memiliki gain tinggi pada frekuensi tinggi, lead yang lebih panjang dapat sangat mempengaruhi respons stabilitas amplifier, atau bahkan memicu osilasi RF yang pada gilirannya dapat menyebabkan kerusakan permanen pada MOSFET daya.

Karena itu, secara praktis Anda mungkin menemukan hampir tidak ada kesulitan dalam mempersiapkan desain untuk memastikan bahwa petunjuk ini secara efektif ditahan lebih pendek. Mungkin penting untuk dicatat bahwa C9 dan R11 dipasang di luar PCB, dan hanya dihubungkan secara seri di soket output.

Tips Konstruksi Power Supply

Sirkuit catu daya dibangun dengan menerapkan kabel tipe point-to-point, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Ini sebenarnya terlihat cukup jelas tetapi dipastikan bahwa kapasitor C10 dan C11 terdiri dari tag tiruan. Jika tidak, penting untuk menggunakan tag-strip untuk mengaktifkan beberapa port koneksi. Sebuah tag-solder dijepitkan ke satu baut pemasangan T1 tertentu, yang menawarkan titik koneksi sasis untuk kabel pembumian AC utama.

Penyesuaian dan Pengaturan

1. Pastikan untuk memeriksa sambungan kabel secara komprehensif sebelum menyalakan catu daya, karena kesalahan pemasangan kabel dapat menyebabkan kerusakan yang merugikan dan mungkin berbahaya.
2. Sebelum Anda menyalakan sirkuit, pastikan untuk memangkas R10 untuk mendapatkan hambatan minimal (putar sepenuhnya berlawanan arah jarum jam).
3. Dengan FS1 sesaat dikeluarkan dan multimeter dipasang untuk mengukur 500mA FSD terpasang di atas pemegang sekering, pembacaan sekitar 20mA harus terlihat pada meteran saat amplifier dinyalakan (ini mungkin 40mA ketika dua saluran stereo digunakan).
4. Jika Anda menemukan pembacaan meteran secara substansial berbeda dengan matikan ini segera matikan dan periksa kembali seluruh kabel. Sebaliknya, jika semuanya baik-baik saja, gerakkan R10 perlahan untuk memaksimalkan pembacaan meter hingga nilai 100mA.
5. Jika penguat stereo diinginkan, R10 di kedua saluran harus di-tweak untuk mendapatkan penarikan arus hingga 120mA, kemudian R10 di saluran ke-2 harus disetel dengan baik untuk meningkatkan penggunaan saat ini hingga 200mA. Setelah ini selesai, penguat MOSFET Anda siap digunakan.
6. Berhati-hatilah agar tidak menyentuh salah satu sambungan listrik AC saat melakukan prosedur penyetelan untuk amplifier.
7. Semua kabel atau sambungan kabel yang tidak tertutup yang mungkin berada pada potensi hantaran listrik AC harus diisolasi dengan benar sebelum menghubungkan perangkat ke catu daya.
8. Tak perlu dikatakan, seperti pada setiap sirkuit yang dioperasikan AC, itu harus ditutup dalam kabinet kokoh yang hanya bisa dibuka dengan bantuan obeng khusus dan set instrumen lainnya, untuk memastikan bahwa tidak ada cara cepat untuk mencapai yang berbahaya. kabel listrik, dan kecelakaan dieliminasi dengan aman.

Daftar Bagian untuk Power Amplifier MOSFET 35 watt

Sirkuit Aplikasi Amplifier MOSFET 120W

Tergantung pada spesifikasi catu daya, praktis Penguat MOSFET 120 watt Rangkaian ini mampu menawarkan daya keluaran dalam kisaran sekitar 50 dan 120 watt RMS menjadi loudspeaker 8 ohm.

Desain ini juga menggabungkan MOSFET dalam tahap keluaran untuk memberikan tingkat kinerja keseluruhan yang superior bahkan dengan kesederhanaan rangkaian yang luar biasa.

Distorsi harmonik total amplifier tidak lebih dari 0,05%, tetapi hanya jika rangkaian tidak kelebihan beban, dan rasio sinyal terhadap noise lebih tinggi dari 100dB.

Memahami Tahapan Amplifier MOSFET

Seperti yang ditunjukkan di atas, sirkuit ini dirancang dengan mengacu pada tata letak Hitachi. Berlawanan dengan desain terakhir, rangkaian ini menggunakan kopling DC untuk loudspeaker dan berisi catu daya kembar seimbang dengan 0V tengah dan rel bumi.

Peningkatan ini menghilangkan ketergantungan pada kapasitor kopling keluaran besar, serta kinerja rendah dalam kinerja frekuensi rendah yang dihasilkan kapasitor ini. Selain itu, tata letak ini juga memungkinkan sirkuit memiliki kemampuan penolakan riak pasokan yang layak.

Selain fitur sambungan DC, desain sirkuit tampak sangat berbeda dari yang digunakan pada desain sebelumnya. Di sini, baik tahapan input dan driver menggabungkan penguat diferensial.

Dekor input dikonfigurasi menggunakan Tr1 dan Tr2 sedangkan dekor pengemudi bergantung pada Tr3 dan Tr4.

Transistor Tr5 dikonfigurasi seperti a beban kolektor arus konstan untuk Tr4. Jalur sinyal melalui penguat dimulai dengan menggunakan kapasitor kopling input C1, bersama dengan filter RF R1 / C4. R2 digunakan untuk membiaskan input penguat pada jalur suplai 0V pusat.

Tr1 disambungkan sebagai a penguat emitor umum yang outputnya langsung terhubung ke Tr4 yang diterapkan sebagai tahap driver emitor umum. Dari tahap ini dan seterusnya, sinyal audio dihubungkan ke Tr6 dan Tr7 yang dicurangi sebagai tahap keluaran pengikut sumber yang saling melengkapi.

Itu umpan balik negatif diekstraksi dari keluaran penguat dan dihubungkan dengan basis Tr2, dan terlepas dari kenyataan bahwa tidak ada pembalikan sinyal melalui basis Tr1 ke keluaran penguat, terdapat pembalikan melintasi basis Tr2 dan keluaran. Itu karena Tr2 bekerja seperti pengikut emitor dengan sempurna menggerakkan emitor Tr1.

Ketika sinyal input diterapkan ke pemancar Tr1, transistor berhasil bertindak seperti a panggung dasar umum . Oleh karena itu, meskipun pembalikan tidak terjadi melalui Tr1 dan Tr2, pembalikan terjadi melalui Tr4.

Juga, perubahan fasa tidak terjadi melalui tahap keluaran, yang berarti bahwa penguat dan basis Tr2 cenderung berada di luar fasa untuk mengeksekusi umpan balik negatif yang diperlukan. Nilai R6 dan R7 seperti yang disarankan dalam diagram memberikan penguatan tegangan sekitar 28 kali.

Seperti yang kita pelajari dari diskusi kita sebelumnya, kelemahan kecil dari MOSFET daya adalah mereka menjadi kurang efisien daripada BJT ketika mereka dihubungkan melalui tahap keluaran Kelas B tradisional. Juga, efisiensi relatif MOSFET daya menjadi agak buruk dengan rangkaian daya tinggi yang meminta tegangan gerbang / sumber menjadi beberapa tegangan untuk arus sumber tinggi.

Ayunan tegangan keluaran maksimum dapat diasumsikan sama dengan tegangan suplai dikurangi gerbang maksimum ke tegangan sumber dari masing-masing transistor, dan ini tentunya memungkinkan ayunan tegangan keluaran yang mungkin secara signifikan lebih rendah daripada tegangan suplai yang diterapkan.

Cara langsung untuk mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi pada dasarnya adalah dengan menggabungkan beberapa MOSFET serupa yang dipasang secara paralel di setiap transistor keluaran. Jumlah tertinggi arus yang ditangani oleh setiap MOSFET keluaran kemudian akan secara kasar dikurangi setengahnya, dan tegangan sumber ke gerbang maksimum dari setiap MOSFET diturunkan dengan tepat (bersama dengan pertumbuhan proporsional dalam ayunan tegangan keluaran penguat).

Namun, pendekatan serupa tidak bekerja bila diterapkan pada perangkat bipolar, dan ini pada dasarnya karena perangkat tersebut koefisien suhu positif karakteristik. Jika satu output BJT mulai menarik arus yang berlebihan dari yang lain (karena tidak ada dua transistor yang memiliki karakteristik yang persis sama), satu perangkat mulai menjadi lebih panas daripada yang lain.

Peningkatan suhu ini menyebabkan tegangan ambang emitor / basis BJT berkurang, dan sebagai akibatnya ia mulai mengonsumsi porsi arus keluaran yang jauh lebih besar. Situasi ini kemudian menyebabkan transistor menjadi lebih panas, dan proses ini terus berlanjut hingga salah satu transistor keluaran mulai menangani semua beban, sementara yang lain tetap tidak aktif.

Masalah semacam ini tidak dapat dilihat dengan MOSFET daya karena koefisien suhu negatifnya. Ketika satu MOSFET mulai menjadi lebih panas, karena koefisien suhu negatifnya, panas yang meningkat mulai membatasi aliran arus melalui saluran / sumbernya.

Ini menggeser arus berlebih ke arah MOSFET lain yang sekarang mulai menjadi lebih panas, dan demikian pula panas menyebabkan arus yang melaluinya berkurang secara proporsional.

Situasi ini menciptakan pembagian dan disipasi arus yang seimbang di seluruh perangkat yang membuat penguat bekerja lebih efisien dan andal. Fenomena ini juga memungkinkan MOSFET harus dihubungkan secara paralel cukup dengan menghubungkan gerbang, sumber dan saluran pembuangan bersama-sama tanpa banyak perhitungan atau masalah.

Catu Daya untuk Amplifier MOSFET 120 watt

Sirkuit catu daya yang dirancang dengan tepat untuk penguat MOSFET 120 watt ditunjukkan di atas. Ini terlihat seperti rangkaian catu daya untuk desain kami sebelumnya.

Satu-satunya perbedaan adalah suplai keran pusat trafo di persimpangan dua kapasitor pemulusan pada awalnya telah diabaikan. Untuk contoh saat ini, ini digunakan untuk menyediakan suplai arde 0V tengah, sedangkan arde listrik juga terhubung di persimpangan ini, bukan ke rel suplai negatif.

Anda dapat menemukan sekring dipasang di kedua rel positif dan negatif. Keluaran daya yang disalurkan oleh penguat sangat bergantung pada spesifikasi transformator utama. Untuk sebagian besar kebutuhan, trafo listrik toroidal 35 - 0 - 35 volt 160VA sebenarnya sudah cukup.

Jika operasi stereo lebih disukai, trafo perlu diganti dengan trafo 300 VA yang lebih berat. Sebagai alternatif, unit catu daya terisolasi dapat dibangun menggunakan trafo 160VA masing-masing untuk setiap saluran.

Hal ini memungkinkan tegangan suplai sekitar 50 V pada kondisi diam, meskipun pada beban penuh level ini dapat turun ke level yang jauh lebih rendah. Hal ini memungkinkan keluaran hingga sekitar 70 watt RMS dapat diperoleh melalui pengeras suara pengenal 8 ohm.

Poin penting yang perlu diperhatikan adalah bahwa dioda 1N5402 yang digunakan dalam penyearah jembatan memiliki peringkat arus maksimum yang dapat ditoleransi sebesar 3 amp. Ini mungkin cukup untuk penguat saluran tunggal, tetapi ini mungkin tidak cukup untuk versi stereo. Untuk versi stereo, dioda harus diganti dengan dioda 6 amp atau dioda 6A4.

Tata Letak PCB

Anda dapat menemukan PCB lengkap, untuk membangun sirkuit amplifier MOSFET 120 watt Anda sendiri. 4 perangkat MOSFET yang ditunjukkan harus dipasang dengan heatsink bersirip besar, yang harus diberi nilai minimal 4,5 derajat Celsius per watt.

Tindakan Pencegahan Kabel

• Pastikan untuk menjaga terminal pinout MOSFET sependek mungkin, yang panjangnya tidak boleh lebih dari sekitar 50 mm.
• Jika Anda ingin menyimpannya sedikit lebih lama dari ini, pastikan untuk menambahkan resistor nilai rendah (mungkin 50 ohm 1/4 watt) dengan gerbang masing-masing MOSFET.
• Resistor ini akan merespons dengan kapasitansi input MOSFET dan bertindak seperti filter lolos rendah, memastikan stabilitas frekuensi yang lebih baik untuk input sinyal frekuensi tinggi.
• Namun, pada sinyal input frekuensi tinggi, resistor ini mungkin menghasilkan beberapa pengaruh pada kinerja output, tetapi ini mungkin sebenarnya terlalu kecil dan hampir tidak terlihat.
• Transistor Tr6 sebenarnya terdiri dari dua MOSFET saluran-n yang terhubung secara paralel, sama untuk Tr7, yang juga memiliki beberapa MOSFET saluran-p secara paralel.
• Untuk mengimplementasikan koneksi paralel ini, gate, drain, source dari pasangan MOSFET masing-masing cukup digabungkan satu sama lain, itu saja sesederhana itu.
• Juga, perlu diketahui bahwa kapasitor C8 dan resistor R13 dipasang langsung pada soket keluaran, dan tidak dipasang pada PCB.
• Mungkin metode paling efektif untuk membangun catu daya adalah dengan pemasangan kabel keras, seperti untuk catu daya seperti yang dilakukan untuk penguat sebelumnya. Pengkabelannya hampir sama dengan rangkaian sebelumnya.

Penyesuaian dan Pengaturan

1. Sebelum menyalakan sirkuit penguat yang telah selesai, pastikan untuk memeriksa dengan hati-hati setiap kabel beberapa kali.
2. Secara khusus, periksa kabel catu daya dan interkoneksi yang relevan di MOSFET daya keluaran.
3. Kesalahan di sekitar koneksi ini dapat dengan cepat menyebabkan kerusakan permanen pada unit amplifier.
4. Selain itu, Anda perlu melakukan beberapa penyesuaian sebelumnya sebelum menyalakan papan yang sudah selesai.
5. Mulailah dengan memutar preset R11 sepenuhnya berlawanan arah jarum jam, dan jangan sambungkan loudspeaker ke output unit terlebih dahulu.
6. Selanjutnya, alih-alih pengeras suara, hubungkan probe multimeter Anda (setel pada rentang DC tegangan rendah) melintasi titik-titik keluaran amplifier, dan pastikan itu menunjukkan tegangan keluaran diam yang rendah tersedia.
7. Anda mungkin menemukan meteran menunjukkan tegangan pecahan atau mungkin tidak ada tegangan sama sekali, yang juga baik-baik saja.
8. Jika tegangan DC besar diindikasikan oleh meteran, Anda harus segera mematikan amplifier dan memeriksa ulang jika ada kesalahan yang mungkin terjadi pada kabel.

Kesimpulan

Pada artikel di atas kita telah membahas secara komprehensif banyak parameter yang memainkan peran penting dalam memastikan kerja power amplifier yang benar dan optimal.

Semua parameter ini standar dan oleh karena itu dapat digunakan dan diterapkan secara efektif saat merancang rangkaian penguat daya MOSFET, terlepas dari spesifikasi watt dan voltase.

Karakteristik berbeda yang dirinci mengenai perangkat BJT dan MOSFET dapat digunakan oleh perancang untuk mengimplementasikan atau menyesuaikan rangkaian penguat daya yang diinginkan.