Качественный умзч на полевом транзисторе. Умзч с полевыми транзисторами irfz44. Старое, но золотое

К настоящему времени разработано много вариантов УМЗЧ с выходными каскадами на полевых транзисторах. Привлекательность этих транзисторов в качестве мощных усилительных приборов неоднократно отмечалась разными авторами. На звуковых частотах полевые транзисторы (ПТ) работают как усилители тока, поэтому нагрузка на предварительные каскады незначительна и выходной каскад на ПТ с изолированным затвором можно непосредственно подключать к предварительному каскаду усиления, работающему в линейном режиме класса А.
При использовании мощных ПТ изменяется характер нелинейных искажений (меньше высших гармоник, чем при использовании биполярных транзисторов), снижаются динамические искажения, существенно ниже уровень интермодуляционных искажений. Однако вследствие меньшей, чем у биполярных транзисторов, крутизны нелинейные искажения истокового повторителя оказываются большими, поскольку крутизна зависит от уровня входного сигнала.
Выходной каскад на мощных ПТ, где они выдерживают короткое замыкание в цепи нагрузки, обладает свойством термостабилизации. Некоторый недостаток такого каскада - меньший коэффициент использования напряжения питания, и поэтому необходимо применять более эффективный теплоотвод.
К главным же достоинствам мощных ПТ можно отнести невысокий порядок нелинейности их проходной характеристики, что сближает особенности звучания у усилителей на ПТ и ламповых, а также высокий коэффициент усиления по мощности для сигналов звукового диапазона частот.
Из последних публикаций в журнале об УМЗЧ с мощными ПТ можно отметить статьи. Несомненным достоинством усилителя из является низкий уровень искажений, а недостатком - малая мощность (15 Вт). Усилитель обладает большей мощностью, достаточной для жилых помещений, и приемлемым уровнем искажений, но представляется относительно сложным в изготовлении и настройке. Здесь и далее речь идет об УМЗЧ, предназначенных для использования с бытовыми АС мощностью до 100 Вт.
Параметры УМЗЧ, ориентированные на соответствие международным рекомендациям IEC (МЭК), определяют минимальные требования к аппаратуре категории hi-fi. Они вполне обоснованы как с психофизиологической стороны восприятия искажений человеком, так и реально достижимыми искажениями аудиосигналов в акустических системах (АС), на которые собственно и работает УМЗЧ.
В соответствии с требованиями IEC 581-7 для АС категории hi-fi полный коэффициент гармонических искажений не должен превышать 2 % в диапазоне частот 250… 1000 Гц и 1 % в диапазоне свыше 2 кГц при уровне звукового давления 90 дБ на расстоянии 1 м. При характеристической чувствительности бытовых АС, равной 86 дБ/Вт/м, это соответствует выходной мощности УМЗЧ всего 2,5 Вт. С учетом пикфактора музыкальных программ, принимаемом равным трем (как для гауссового шума), выходная мощность УМЗЧ должна составлять около 20 Вт. В стереофонической системе звуковое давление на НЧ примерно удваивается, что позволяет отодвинуть слушателя от АС уже на 2 м. При удалении же на 3 м вполне достаточна мощность стереоусилителя 2×45 Вт.
Неоднократно отмечалось, что искажения в УМЗЧ на полевых транзисторах обусловлены, в основном, второй и третьей гармониками (как и в исправных АС). Если полагать независимыми причины возникновения нелинейных искажений в АС и УМЗЧ, то результирующий коэффициент гармоник по звуковому давлению определяется как корень квадратный из суммы квадратов коэффициентов гармоник УМЗЧ и АС. В этом случае, если полный коэффициент гармонических искажений в УМЗЧ в три раза ниже, чем искажения в АС (т. е. не превышает значения 0,3 %), то им можно пренебречь.
Диапазон эффективно воспроизводимых частот УМЗЧ должен быть не уже слышимого человеком - 20…20 000 Гц. Что касается скорости нарастания выходного напряжения УМЗЧ, то в соответствии с результатами, полученными в работе автора , достаточна скорость 7 В/мкс для мощности 50 Вт при работе на нагрузку 4 Ом и 10 В/мкс - при работе на нагрузку 8 Ом.
За основу предлагаемого УМЗЧ был взят усилитель в котором для «раскачки» выходного каскада в виде составных повторителей на биполярных транзисторах использовался быстродействующий ОУ со следящим питанием. Следящее питание использовалось также для цепи смещения выходного каскада.

В усилитель внесены следующие изменения: выходной каскад на комплементарных парах биполярных транзисторов заменен каскадом с квазикомплементарной структурой на недорогих ПТ с изолированным затвором IRFZ44 и ограничена глубина общей СОС до 18 дБ. Принципиальная схема усилителя показана на рис. 1.

В качестве предварительного усилителя использован ОУ КР544УД2А с высоким входным сопротивлением и повышенным быстродействием. Он содержит входной дифференциальный каскад на ПТ с р-n переходом и выходной двухтактный повторитель напряжения. Внутренние элементы частотной коррекции обеспечивают стабильность в различных режимах обратной связи, в том числе в повторителе напряжения.
Входной сигнал поступает через ФНЧ RnC 1 с частотой среза около 70 кГц (здесь внутреннее сопротивление источника сигнала = 22 кОм). который используется для ограничения спектра сигнала, поступающего на вход усилителя мощности. Цепь R1C1 обеспечивает устойчивость УМЗЧ при изменении величины RM от нуля до бесконечности. На неинвертирующий вход ОУ DA1 сигнал проходит через ФВЧ, построенный на элементах С2, R2 с частотой среза 0,7 Гц, служащий для отделения сигнала от постоянной составляющей. Местная ООС для операционного усилителя выполнена на элементах R5, R3, СЗ и обеспечивает коэффициент усиления, равный 43 дБ.
Стабилизатор напряжения двухпо-лярного питания ОУ DA1 выполнен на элементах R4, С4, VDI и R6, Сб. VD2 соответственно. Напряжение стабилизации выбрано равным 16 В. Резистор R8 совместно с резисторами R4, R6 образуют делитель выходного напряжения УМЗЧ для подачи «следящего» питания на ОУ, размах которого не должен превышать предельных значений синфазного входного напряжения ОУ, т. е. +/-Ю В. «Следящее» питание позволяет существенно увеличить размах выходного сигнала ОУ.
Как известно, для работы полевого транзистора с изолированным затвором, в отличие от биполярного, требуется смещение около 4 В. Для этого в схеме, приведенной на рис. 1, для транзистора VT3 применена схема сдвига уровня сигнала на элементах R10, R11 иУОЗ.У04на 4,5 В. Сигнал с выхода ОУ через цепь VD3VD4C8 и резистор R15 поступает на затвор транзистора VT3, постоянное напряжение на котором относительно общего провода равно +4,5 В.
Электронный аналог стабилитрона на элементахVT1, VD5, VD6, Rl2o6ecne4H-вает сдвиг напряжения на-1,5 В относительно выхода ОУ для обеспечения необходимого режима работы транзистора VT2. Сигнал с выхода ОУ через цепь VT1C9 также поступает на базу включенного по схеме с общим эмиттером транзистора VT2, который инвертирует сигнал.
На элементах R17. VD7, С12, R18 собрана цепь регулируемого сдвига уровня, позволяющая задать необходимое смещение для транзистора VT4 и тем самым установить ток покоя оконечного каскада. Конденсатор СЮ обеспечивает «следящее питание» цепи сдвига уровня путем подачи выходного напряжения УМЗЧ в точку соединения резисторов R10, R11 для стабилизации тока в этой цепи. Соединение транзисторов VT2 и VT4 формирует виртуальный полевой транзистор с каналом р-типа. т. е. образуется квазикомплементарная пара с выходным транзистором VT3 (с каналом п-типа).
Цепь С11R16 увеличивает устойчивость усилителя в ультразвуковом диапазоне частот. Керамические конденсаторы С13. С14. установленные в непосредственной близости от выходных транзисторов, служат той же цели. Защита УМЗЧ от перегрузок при коротких замыканиях в нагрузке обеспечивается плавкими предохранителями FU1-FU3. так как полевые транзисторы IRFZ44 имеют максимальный ток стока 42 А и выдерживают перегрузки до сгорания предохранителей.
Для уменьшения постоянного напряжения на выходе УМЗЧ, а также снижения нелинейных искажений введена общая ООС на элементах R7, С7. R3, СЗ. Глубина ООС по переменному току ограничена значением 18.8 дБ, что стабилизирует коэффициент гармоник в звуковом диапазоне частот. По постоянному току ОУ совместно с выходными транзисторами работаете режиме повторителя напряжения, обеспечивая постоянную составляющую выходного напряжения УМЗЧ не более нескольких милливольт.

Низкочастотные усилители очень популярны среди любителей радиоэлектроники. В отличии от предыдущей схемы , данный усилитель мощности на полевых транзисторах состоит в основном из транзисторов и использует выходной каскад на , которые при двухполярном напряжении питания в 30 вольт могут обеспечить на динамиках сопротивлением 4 Ом выходную мощность до 70 Вт.

Принципиальная схема усилителя на полевых транзисторах

Усилитель собран на базе операционного усилителя TL071 (IO1) или любой аналогичный ему, который создает основное усиление дифференциального сигнала. Усиленный низкочастотный сигнал с выхода операционного усилителя, большая часть которого поступает через R3 к средней точке. Оставшаяся часть сигнала достаточна для прямого усиления на MOSFET IRF9530 (T4) и IRF530 (T6).

Транзисторы T2 ,T3 и окружающие их компоненты служат для стабилизации рабочей точки переменного резистора, так как она должна быть правильно установлена в симметрии каждой полуволны на нагрузке усилителя.

Все детали собраны на односторонней печатной плате. Обратите внимание, что на плате необходимо установить три перемычки.

Настройка усилителя

Настройку усилителя лучше всего сделать путем подачи синусоидального сигнала на его вход и подключением нагрузочного резистора со значением 4 Ом. После этого резистор R12 устанавливается таким образом, чтобы на выходе усилителя сигнал был симметричным, т.е. форма и размер положительной и отрицательной полуволн были одинаковыми при максимальной громкости.

На рисунке показана схема 50 Вт усилителя с выходными полевыми MOSFET транзисторами.
Первый каскад усилителя представляет собой дифференциальный усилитель на транзисторах VT1 VT2.
Второй каскад усилителя состоит из транзисторов VT3 VT4. Оконечный каскад усилителя состоит из МОП-транзисторов IRF530 и IRF9530. Выход усилителя через катушку L1 соединен с нагрузкой 8 Ом.
Цепь состоящий из R15 и C5 предназначена для снижения уровня шума. Конденсаторы С6 и С7 фильтры питания. Сопротивление R6 предназначено для регулировки тока покоя.

Примечание:
Используйте двухполярный источник питания +/-35В
L1 состоит из 12 витков медного изолированного провода диаметром 1мм.
С6 и С7 должен быть рассчитан 50В, остальные электролитические конденсаторы на 16В.
Необходим радиатор для МОП-транзисторов. Размером 20x10x10 см из алюминия.
Источник — http://www.circuitstoday.com/mosfet-amplifier-circuits

Похожие статьи

Войти с помощью:

Случайные статьи

21.09.2014
Эта схема автоматического выключателя освещения в темное время суток автоматически включит свет и выключается его утром. В качестве датчика освещения используется фоторезистор LDR. К схеме могут быть подключены любые лампы (люминесцентные, накаливания…). Основа автоматического выключателя триггер Шмитта на таймере 555. LDR и таймер 555 используются совместно для автоматического переключения. Свет …

26.06.2018

В данном примере показана возможность взаимодействия php и Arduino. Тест проводится на Ubuntu 14.04, установлен веб сервер Apachе 2, php 5.5. В тесте опробована включение и выключение цифрового выхода, а так же опрос состояния выхода при помощи php. test.php

…

Технические характеристики
Максимальная среднеквадратичная мощность:
при RH = 4 Ом, Вт 60
при RH = 8 Ом, Вт 32
Рабочий диапазон частот. Гц 15...100 000
Коэффициент нелинейных искажений:
при f = 1 кГц, Рвых = 60 Вт, RH = 4 Ом, % 0,15
при f = 1 кГц, Рвых = 32 Вт, RH = 8 Ом, % 0,08
Коэффициент усиления, дБ 25...40
Входной импеданс, кОм 47

Настройка

Маловероятно, что какой-либо опытный экспериментатор буде иметь трудности при достижении удовлетворительных результатов при построении усилителя по этой схеме. Главные проблемы, которые следует предусмотреть - это неправильная установка элементов и повреждение МОП транзисторов при неправильном обращении с ними или при возбуждении схемы. В качестве руководства дл экспериментатора предлагается следующий перечень контрольных проверок для поиска неисправностей:
1. При сборке печатной платы сначала установите пассивные элементы и убедитесь в правильном включении полярности электролитических конденсаторов. Затем установите транзисторы VT1 ...VT4. И, наконец, установите МОП транзисторы, избегая статического заряда, замыкая одновременно выводы на землю и используя заземленный паяльник. Проверьте собранную плату на правильность установки элементов. Для этого будет полезно пользоваться расположением элементов, показанном на рис. 2 Проверьте печатные платы на отсутствие замыканий припоем дорожек и, если они есть, удалите их. Проверьте узлы паек визуально и электрически с помощью мультиметра и переделайте, если это необходимо.
2. Теперь на усилитель может быть подано напряжение питания и выставлен ток покоя выходного каскада (50...100 мА). Потенциометр R12 сначала устанавливается по минимальному току покоя (до отказа против часовой стрелки на топологии платы рис. 2). положительную ветвь питания включается амперметр с пределом измерения 1 А. Вращением движка резистора R12 добиваются показаний амперметра 50...100 мА. Установка тока покоя может быть выполнена без подключения нагрузки. Однако, если нагрузочный динамик включен в схему, он должен быть защищен предохранителем от перегрузки по постоянному току. При установленном токе покоя приемлемое значение выходного напряжения смещения должно быть меньше 100 мВ.

Излишние или беспорядочные изменения тока покоя при регулировке R12 указывают на возникновение генерации в схеме или неправильное соединение элементов. Следует придерживаться рекомендаций, описанных ранее (последовательное включение в цепь затвора резисторов, минимизация длины соединительных проводников, общее заземление). Кроме того, конденсаторы развязки по питанию должны устанавливаться в непосредственной близости) к выходному каскаду усилителя и точке заземления нагрузки. Во избежание перегрева мощных транзисторов регулирование тока покоя должно выполняться при установленных на теплоотводе МОП транзисторах.
3.После установления тока покоя амперметр должен быть удален
из цепи положительного питания и на вход усилителя может быть
подан рабочий сигнал. Уровень входного сигнала для получения полной номинальной мощности должен быть следующим:
UBX = 150 мВ (RH = 4 Ом, Ки = 100);
UBX= 160 мВ (RH = 8 Ом, Ки = 100);
UBX = 770 мВ (RH = 4 Ом, Ки = 20);
UBX = 800 мВ (RH = 8 Ом, Ки = 20).
"Подрезание" на пиках выходного сигнала при работе с номинальной мощностью указывает на плохую стабилизацию напряжения питания и может быть исправлено снижением амплитуды входного сигнала и уменьшением номинальных характеристик усилителя.
Амплитудно-частотная характеристика усилителя может быть проверена в диапазоне частот 15 Гц... 100 кГц с помощью набора для звукового тестирования или генератора и осциллографа. Искажение выходного сигнала на высоких частотах указывает на реактивный характер нагрузки и для восстановления формы сигнала потребуется подбор величины индуктивности выходного дросселя L1. Амплитудно-частотная характеристика на высоких частотах может быть выровнена с помощью компенсационного конденсатора, включенного параллельно с R6. Низкочастотная часть амплитудно-частотной характеристики корректируется элементами R7, С2.
4.Наличие фона (гудения) вероятнее всего происходит в схеме
при установке слишком высокого усиления. Наводка на входе с высоким
импедансом минимизируется использованием экранированного
кабеля, заземленного непосредственно в источнике сигнала. Низкочастотные пульсации питания, попадающие с питанием во входной каскад
усилителя, могут быть устранены конденсатором СЗ. Дополнительное
ослабление фона осуществляется дифференциальным каскадом
на транзисторах VT1, VT2 предусилителя. Jднако, если источником фона является питающее напряжение, то можно подобрать значение СЗ, R5 для подавления амплитуды пульсаций.
5. В случае выхода из строя транзисторов выходного каскада из-за короткого замыкания в нагрузке или из-за высокочастотной генерации необходимо заменить оба МОП транзистора, при этом маловероятно, чтобы из строя вышли другие элементы. При установке схему новых приборов процедура настройки должна быть повторена.

Схема блока питания

Лучшие конструкции "Радиолюбителя" Выпуск 2

Схема усилителя с изменениями:

Читайте также

Несколько слов об ошибках монтажа:
В целях улучшения читаемости схем расмотрим усилитель мощности с двумя парами оконечных полевых транзисторов и питании ±45 В.
В качестве первой ошибки попробуем "запаять" стабилитроны VD1 и VD2 не правильной полярностью (правильное включение показано на рисунке 11). Карта напряжений приобретет вид, показанный на рисунке 12.

Рисунок 11 Цоколевка стабилитронов BZX84C15 (впрочем и на диодах цоколевка такая же).

Рисунок 12 Карта напряжений усилителя мощности при неправильном монтаже стабилитронов VD1 и VD2.

Данные стабилитроны нужны для формирования напряжения питания операционного усилителя и выбраны на 15 В исключительно из за того, что это напряжение является для данного операционного усилителя оптимальным. Работоспособность без потери качества усилитель сохраняет и при использовании рядом стоящих по линейке номиналов - на 12 В, на 13 В, на 18 В (но не более 18 В ). При неправильном монтаже вместо положенного напряжения питания опреционный усилитель получает лишь напряжение падения на n-p переходе стаблитронов. Ток покая регулируется нормально, на выходе усилителя присутсвует небольшое постоянное напряжение, выходной сигнал отсутсвует.
Так же возможен не правильный монтаж диодов VD3 и VD4. В этом случае ток покоя ограничивается лишь номиналами резисторов R5, R6 и может достигать критической величины. Сигнал на выходе усилителя будет, но довольно быстрый нагрев оконечных транзисторов однозначно повлечет их перегрев и выход усилителя из строя. Карта напряжений и токов дляэтой ошибки показаны на рисунка 13 и 14.

Рисунок 13 Карта напряжений усилителя при неправильном монтаже диодов термостабилизации.

Рисунок 14 Карта токов усилителя при неправильном монтаже диодов термостабилизации.

Следующей популярной ошибкой монтажа может быть неправильный монтаж транзисторов предпоследнего каскада (драйверов). Карта напряжений усилителя в этом случае приобретает вид, показанный на рисунке 15. В этом случае транзисторы оконечного касада полностью закрыты и на выходе усилителя наблюдается отсутсвие каких либо признаков звука, а уровень постоянного напряжения максимально приближен к нулю.

Рисунок 15 Карта напряжений при неправильном монтаже транзисторов драйверного каскада.

Далее самая опасная ошибка - попутаны местами транзисторы драйверного каскада, причем цоколевка тоже попутана в следствии чего прилагаемое к выводам транзисторов VT1 и VT2 является верным и они работают в режиме эмиттерных повторителей. В этом случае ток через оконечный каскад зависит от положения движка подстроечного резистора и может быть от 10 до 15 А, что в любом случае вызовет перегрузку блока питания и быстрый разогрев оконечных транзисторов. На рисунке 16 показаны токи при среднем положении подстроечного резистора.

Рисунок 16 Карта токов при неправильном монтаже транзистров драйверного каскада, цоколевка тоже попутана.

Запаять "наоборот" вывода оконечных полевых транзисторов IRFP240 - IRFP9240 врядли получится, а вот поменять их местами получается довольно часто. В этом случае установленные в транзисторах диоды получаются в нелегкой ситуации - прилагаемое к ним напряжение имеет полярность соответсвующую их минимальному сопротивлению, что вызывает максимальное потребление от блока питания и как быстро они выгорят больше зависит от удачи чем от законов физики.
Фейверк на плате может случиться еще по одной причине - в продаже мелькают стабилитроны на 1,3 Вт в корпусе таком же как у диодов 1N4007, поэтому перед монтажом стабилитронов в плату, если они в черном корпусе стоит повнимательней ознакомиться с надписями на корпусе. При монтаже вместо стабилитронов диодов напряжение питания операционного усилителя ограничено лишь номиналами резисторов R3 и R4 и потребляемым током самого операционного усилителя. В любом случае получившаяся величина напряжения значительно больше максимального напряжения питания для данного ОУ, что влечет его выход из строя иногда с отстрелом части корпуса самого ОУ, ну а дальше возможно появление на его выходе постоянного напряжения, близкого в напряжению питания усилителя, что повлечет появление постоянного напряжения на выходе самого усилителя мощности. Как правило оконечный каскад в этом случае остается работоспособным.
Ну и на последок несколько слов о номиналах резисторов R3 и R4, которые зависят от от напряжения питания усилителя. 2,7 кОм является наиболее универсальным, однако при питании усилителя напряжением ±80 В (только на 8 Ом нагрузку) данные резисторы будут рассеивать порядка 1,5 Вт, поэтому его необходимо заменить на резистор 5,6 кОм или 6,2 кОм, что снизит выделяемую тепловую мощность до 0,7 Вт.

Э К Б BD135; BD137

З И С IRF240 - IRF9240

Данный усилитель заслуженно обрел своих поклоников и начал обретать новые версии. Прежде всего изменению подверглась цепочка формирования напряжения смещения первого транзисторного каскада. Кроме этого в схему была введена защита от прегерузки.
В результате доработок принципиальная схема усилителя мощности с полевыми транзисторами на выходе приобрела следующий вид:

УВЕЛИЧИТЬ

Варианты печатной платы приведены в графическом формате (необходимо масштабировать)

Внешний вид получившейся модификации усилителя мощности приведен на фотографиях ниже:

Осталось в эту бочку меда плескануть ложку дегтя...
Дело в том, что используемые в усилителе полевые транзисторы IRFP240 и IRFP9240 прекратила выпуск фирма разработчик International Rectifier (IR), которая прилагала больше внимания к качеству выпускаемой продукции. Основная проблема этих транзисторов - они разрабатывались для использования в источниках питания, но оказались вполне пригодными для звуковой усилительной аппаратуре. Повышенное внимание к качеству выпускамых компонентов со стороны International Rectifier позволяло не производя подбор транзисторов включать параллельно несколько транзисторов не беспокоясь об отличиях характеристик транзисторов - разброс не превышал 2%, что вполне приемлемо.
На сегодня транзисторы IRFP240 и IRFP9240 выпускаются фирмой Vishay Siliconix , которая не так трепетно относится к выпускаемой продукции и параметры транзисторов стали пригодными лишь для источников питания - разброс "коф усиления" транзисторов одной партии превышает 15%. Это исключает параллельное включение без предварительного отбора, а количество протестированных транзисторов для выбора 4 одинаковы переваливает несколько десятков экземпляров.
В связи с этим перед сборкой данного усилителя прежде всего следует выяснить какой фирмы транзисторы вы может достать. Если в Ваших магазинах в продаже Vishay Siliconix, то настоятельно рекомендуется отказаться от сборки данного усилителя мощности - Вы рискуете довольно серьезно потратиться и ни чего не добиться.
Однако и работа по разработке "ВЕРСИИ 2" этого усилителя мощности и отсутствие приличных и не дорогие полевых транзисторов для выходного каскада заставили немного поразмышлять над будущим этой схемотехники. В результате был смоделирована "ВЕРСИЯ 3", использующая вместо полевых транзисторов IRFP240 - IRFP9240 фирмы Vishay Siliconix биполярную пару от TOSHIBA - 2SA1943 - 2SC5200, которые на сегодня еще вполне приличного качества.
Принципиальная схема нового варианта усилителя вобрала доработки "ВЕРСИИ 2" и притерпела изменения в выходном каскаде, позволив отказаться от использования полевых транзисторов. Принципиальная схема приведена ниже:

Принципиальная схема с использованием полевых транзисторов в качестве повторителей УВЕЛИЧИТЬ

В данном варианте полевые транзисторы сохранились, но они используются в качестве повторителей напряжения, что существенно разгружает драйверный каскад. В систему защиты введена небольшая положительная связь, позволяющая избежать возбуждение усилителя мощности на границе срабатывания защиты.
Печатная плата в процессе разработки, орентировочно результаты реальных измерении и работоспособная печатная плата появятся в конце ноября, а пока можно предложить график измерения THD, полученный МИКРОКАП. Подробнее о данной программе можно почитать .