Como projetar circuitos amplificadores de potência MOSFET - explicação dos parâmetros

Nesta postagem, discutimos vários parâmetros que devem ser considerados ao projetar um circuito amplificador de potência MOSFET. Também analisamos a diferença entre os transistores de junção bipolar (BJT) e as características do MOSFET e entendemos por que os MOSFETS são mais adequados e eficientes para aplicações de amplificadores de potência.

Contribuição de Daniel Schultz

Visão geral

Ao projetar um amplificador de potência, é considerado na faixa de 10 a 20 watts , circuitos integrados ou projetos baseados em IC são normalmente preferidos devido ao seu tamanho elegante e baixa contagem de componentes.

No entanto, para faixas de saída de potência mais altas, uma configuração discreta é considerada uma escolha muito melhor, uma vez que oferece maior eficiência e flexibilidade para o projetista no que diz respeito à seleção da saída de potência.

Anteriormente, os amplificadores de potência que usavam peças discretas dependiam de transistores bipolares ou BJTs. No entanto, com o advento de MOSFETs sofisticados , Os BJTs foram lentamente substituídos por esses MOSFETs avançados para alcançar uma saída de potência extremamente alta e espaço surpreendentemente limitado e PCBs reduzidos.

Embora os MOSFETs possam parecer um exagero para o projeto de amplificadores de potência de médio porte, eles podem ser aplicados com eficácia para qualquer tamanho e especificações de amplificador de potência.

Desvantagens de usar BJT em amplificadores de potência

Embora os dispositivos bipolares funcionem extremamente bem em amplificadores de potência de áudio de ponta, eles incluem algumas desvantagens que realmente levaram à introdução de dispositivos avançados como MOSFETs.

Talvez a maior desvantagem dos transistores bipolares nos estágios de saída da Classe B seja o fenômeno conhecido como situação de descontrole.

Os BJTs incluem um coeficiente de temperatura positivo e isso dá origem especificamente a um fenômeno denominado fuga térmica, causando um dano potencial aos BJTs de energia devido ao superaquecimento.

A figura do lado esquerdo acima exibe a configuração essencial de um driver de Classe B padrão e estágio de saída, empregando TR1 como um estágio de driver de emissor comum e Tr2 junto com Tr3 como o estágio de saída seguidor de emissor complementar.

Comparando a configuração do estágio de saída do amplificador BJT vs MOSFET

Função do estágio de saída do amplificador

Para projetar um amplificador de potência funcional, é importante configurar seu estágio de saída corretamente.

O objetivo do estágio de saída é principalmente fornecer amplificação de corrente (o ganho de tensão permanecendo não mais que a unidade) para que o circuito possa fornecer as altas correntes de saída essenciais para acionar um alto-falante em um nível de volume mais alto.

1. Referindo-se ao diagrama BJT do lado esquerdo acima, Tr2 funciona como uma fonte de corrente de saída durante os ciclos de saída de ida positiva enquanto Tr3 fornece a corrente de saída durante os meios ciclos de saída negativa.
2. A carga de coletor básica para um estágio de driver BJT é projetada com uma fonte de corrente constante, que fornece linearidade aprimorada em oposição aos efeitos obtidos com um resistor de carga simples.
3. Isso ocorre devido a diferenças no ganho (e distorção associada) que acontecem sempre que um BJT funciona dentro de uma ampla faixa de correntes de coletor.
4. A aplicação de um resistor de carga dentro de um estágio emissor comum com grandes oscilações de tensão de saída pode, sem dúvida, acionar uma faixa de corrente de coletor extremamente grande e grandes distorções.
5. A aplicação de uma carga de corrente constante não elimina totalmente a distorção, porque a tensão do coletor flutua naturalmente, e o ganho do transistor pode, até certo ponto, depender da tensão do coletor.
6. No entanto, como as flutuações de ganho devido às variações de tensão do coletor tendem a ser bastante menores, uma distorção baixa, muito menor do que 1 por cento, é perfeitamente alcançável.
7. O circuito de polarização conectado entre as bases dos transistores de saída é necessário para levar os transistores de saída para a posição onde eles estão apenas no limiar de condução.
8. Caso isso não aconteça, pequenas variações na tensão do coletor de Tr1 podem não conseguir colocar os transistores de saída em condução e não permitir qualquer tipo de melhoria na tensão de saída!
9. Variações de tensão mais altas no coletor de Tr1 podem gerar mudanças correspondentes na tensão de saída, mas isso provavelmente perderia as porções inicial e final de cada meio ciclo da frequência, dando origem a uma séria 'distorção cruzada', como é normalmente referida.

Problema de distorção cruzada

Mesmo se os transistores de saída forem levados para o limite de condução, isso não remove completamente a distorção de crossover, uma vez que os dispositivos de saída apresentam quantidades relativamente pequenas de ganho enquanto funcionam com correntes de coletor reduzidas.

Isso fornece um tipo moderado, mas indesejável, de distorção cruzada. O feedback negativo pode ser utilizado para vencer a distorção de crossover naturalmente, no entanto, para obter resultados excelentes, é realmente essencial empregar uma polarização quiescente razoavelmente alta sobre os transistores de saída.

É essa grande corrente de polarização que causa complicações com a fuga térmica.

A corrente de polarização causa o aquecimento dos transistores de saída e, por causa de seu coeficiente de temperatura positivo, isso faz com que a corrente de polarização aumente, gerando ainda mais calor e uma resultante elevação adicional na corrente de polarização.

Esse feedback positivo, portanto, fornece um aumento gradual na polarização até que os transistores de saída esquentem demais e acabem queimando.

Em um esforço para proteger contra isso, o circuito de polarização é facilitado com um sistema de detecção de temperatura embutido, que retarda a polarização no caso de temperatura mais alta ser detectada.

Portanto, conforme o transistor de saída aquece, o circuito de polarização é impactado pelo calor gerado, que detecta isso e interrompe qualquer aumento consequente na corrente de polarização. Praticamente, a estabilização de polarização pode não ser ideal e você pode encontrar pequenas variações, no entanto, um circuito configurado corretamente pode normalmente exibir uma estabilidade de polarização suficientemente suficiente.

Por que os MOSFETs funcionam com mais eficiência do que os BJTs em amplificadores de potência

Na discussão a seguir, tentaremos entender por que os MOSFETs funcionam melhor em projetos de amplificadores de potência, em comparação com os BJTs.

Semelhante aos BJTs, se empregados em um estágio de saída Classe B, os MOSFETs também exigem um preconceito para superar a distorção do crossover. Dito isso, como os MOSFETs de potência possuem um coeficiente de temperatura negativo em correntes de cerca de 100 miliamperes ou mais (e um ligeiro coeficiente de temperatura positivo em correntes mais baixas), permite um driver Classe B menos complicado e estágio de saída, conforme demonstrado na figura a seguir .

O circuito de polarização termicamente estabilizado pode ser substituído por um resistor porque as características de temperatura dos MOSFETs de potência incorporam um controle térmico embutido da corrente de polarização em cerca de 100 miliamperes (que é aproximadamente a corrente de polarização mais adequada).

Um desafio adicional experimentado com BJTs é o ganho de corrente bastante baixo de apenas 20 a 50. Isso pode ser bastante insuficiente para amplificadores de potência média e alta. Devido a isso, requer um estágio de driver extremamente poderoso. A abordagem típica para resolver esse problema é fazer uso de um Darlington Pairs ou um projeto equivalente para fornecer um ganho de corrente adequadamente alto, de modo que permita o emprego de um estágio de driver de baixa potência.

Power MOSFETs, assim como qualquer Dispositivo FET , tendem a ser dispositivos operados por tensão em vez de operados por corrente.

A impedância de entrada de um MOSFET de potência é normalmente muito alta, o que permite um consumo de corrente de entrada insignificante com baixas frequências de trabalho. No entanto, em altas frequências de trabalho, a impedância de entrada é muito mais baixa por causa da capacitância de entrada relativamente alta de aproximadamente 500 pf.

Mesmo com esta alta capacitância de entrada, uma corrente de trabalho de quase 10 miliamperes torna-se apenas o suficiente através do estágio do driver, embora a corrente de saída de pico possa ser cerca de mil vezes essa quantidade.

Um problema adicional com dispositivos de alimentação bipolar (BJT) é seu tempo de chaveamento um tanto lento. Isso tende a criar uma variedade de problemas, como distorção disparada por rotação.

É quando um sinal de alta frequência poderoso poderia exigir uma tensão de saída de comutação de, digamos, 2 volts por microssegundo, enquanto o estágio de saída BJT pode permitir uma taxa de variação de apenas um volt por microssegundo. Naturalmente, a saída terá dificuldade em fornecer uma reprodução decente do sinal de entrada, levando a uma distorção inevitável.

Uma taxa de variação inferior também pode dar a um amplificador uma largura de banda de potência indesejável, com a saída de potência mais alta alcançável caindo significativamente em frequências de áudio mais altas.

Atraso de fase e oscilações

Outra preocupação é o atraso de fase que ocorre através do estágio de saída do amplificador com altas frequências, e que pode fazer com que o feedback sobre o sistema de feedback negativo se torne positivo em vez de negativo em frequências extremamente altas.

Se o amplificador possuir ganho suficiente em tais frequências, o amplificador pode entrar em um modo de oscilação, e a falta de estabilidade continuará a ser perceptível mesmo se o ganho do circuito não for suficiente para disparar uma oscilação.

Esse problema pode ser corrigido adicionando elementos para eliminar a resposta de alta frequência do circuito e incorporando elementos de compensação de fase. No entanto, essas considerações reduzem a eficiência do amplificador em altas frequências de sinal de entrada.

MOSFETs são mais rápidos do que BJTs

Ao projetar um amplificador de potência, devemos lembrar que o velocidade de comutação de MOSFETs de energia é geralmente cerca de 50 a 100 vezes mais rápido do que um BJTs. Portanto, complicações com funcionalidade de alta frequência inferior são facilmente superadas com o emprego de MOSFETs em vez de BJTs.

Na verdade, é possível criar configurações sem qualquer compensação de frequência ou fase as partes ainda mantêm excelente estabilidade e incluem um nível de desempenho que é retido para frequências bem além do limite de áudio de alta frequência.

Ainda outra dificuldade experimentada com transistores de potência bipolares é o colapso secundário. Isso se refere a um tipo de fuga térmica específica que cria uma “zona quente” dentro do dispositivo que resulta em um curto-circuito entre os pinos do coletor / emissor.

Para garantir que isso não aconteça, o BJT precisa ser operado exclusivamente dentro de faixas específicas de corrente e tensão do coletor. Para qualquer circuito amplificador de áudio esta situação geralmente implica que os transistores de saída são forçados a trabalhar bem dentro de suas restrições térmicas, e a potência de saída ideal obtida dos BJTs de potência é, portanto, significativamente reduzida, muito menor do que seus valores de dissipação mais altos realmente permitem.

Graças a Coeficiente de temperatura negativa do MOSFET em altas correntes de drenagem, esses dispositivos não têm problemas com avaria secundária. Para MOSFETs, as especificações máximas de corrente de drenagem e tensão de drenagem permitidas são praticamente limitadas apenas por sua funcionalidade de dissipação de calor. Conseqüentemente, esses dispositivos tornam-se especificamente adequados para aplicações de amplificadores de áudio de alta potência.

Desvantagens do MOSFET

Apesar dos fatos acima, o MOSFET também tem algumas desvantagens, que são relativamente menos numerosas e insignificantes. Inicialmente, os MOSFETs eram muito caros em comparação com os transistores bipolares correspondentes. No entanto, a diferença de custo ficou muito menor hoje em dia Quando consideramos o fato de que os MOSFETs tornam possível que circuitos complexos fiquem muito mais simples e uma redução indireta significativa no custo, torna a contraparte BJT bastante trivial mesmo com seu baixo custo marcação.

Power MOSFETs geralmente apresentam um aumento distorção de loop aberto do que BJTs. No entanto, devido ao seu alto ganho e velocidades de comutação rápidas, os MOSFETs de potência permitem o uso de um alto nível de feedback negativo em todo o espectro de frequência de áudio, oferecendo incomparável distorção de loop fechado eficiência.

Uma desvantagem adicional envolvida com os MOSFETs de potência é sua menor eficiência em comparação com os BJTs quando empregados nos estágios de saída do amplificador padrão. A razão por trás disso é um estágio seguidor de emissor de alta potência que gera uma queda de tensão de cerca de 1 volt entre a entrada e saída, embora haja uma perda de alguns volts na entrada / saída de um estágio seguidor de fonte. Não existe uma abordagem fácil para resolver esse problema, no entanto, isso parece ser uma pequena redução na eficiência, que não deve ser levada em consideração e pode ser ignorada.

Compreendendo um projeto prático de amplificador MOSFET

A figura abaixo exibe o diagrama de circuito de um funcional Amplificador MOSFET de 35 watts o circuito. Exceto a aplicação do MOSFET no estágio de saída do amplificador, tudo basicamente se parece bastante com um design de amplificador MOSFET muito comum.

• Tr1 é manipulado como um estágio de entrada de emissor comum , diretamente conectado ao estágio de driver do emissor comum Tr3. Ambos os estágios oferecem o ganho total de tensão do amplificador e incluem um ganho total extremamente grande.
• Tr2 junto com suas partes anexadas criam um gerador de corrente constante simples que tem uma corrente de saída marginal de 10 miliamperes. Isso funciona como a carga do coletor principal para Tr3.
• R10 é empregado para estabelecer o correto corrente de polarização quiescente através dos transistores de saída, e conforme discutido anteriormente, a estabilização térmica para a corrente de polarização não é realmente realizada no circuito de polarização, mas sim fornecida pelos próprios dispositivos de saída.
• R8 oferece praticamente 100% avaliação negativa da saída do amplificador para o emissor Tr1, permitindo ao circuito apenas um ganho de voltagem unitário.
• Os resistores R1, R2 e R4 funcionam como uma rede divisora ​​de potencial para polarizar o estágio de entrada do amplificador e, conseqüentemente, a saída também, para cerca de metade da tensão de alimentação. Isso permite o nível de saída mais alto possível antes do corte e do início da distorção crítica.
• R1 e C2 são usados ​​como um circuito de filtro que cancela a frequência de zumbido e outras formas de ruídos potenciais nas linhas de alimentação de entrar na entrada do amplificador através do circuito de polarização.
• R3 e C5 agem como um Filtro RF que evita que os sinais de RF pulem direto da entrada para a saída, causando distúrbios audíveis. C4 também ajuda a resolver o mesmo problema, eliminando a resposta de alta frequência do amplificador de forma eficaz sobre o limite superior de frequência de áudio.
• Para garantir que o amplificador obtenha um bom ganho de tensão em frequências audíveis, torna-se essencial desacoplar o feedback negativo até certo ponto.
• C7 cumpre o papel do capacitor de desacoplamento , enquanto o resistor R6 limita a quantidade de feedback que é limpo.
• Do circuito Ganho de tensão é aproximadamente determinado dividindo R8 por R6, ou cerca de 20 vezes (26dB) com os valores de parte atribuídos.
• A tensão máxima de saída do amplificador será de 16 volts RMS, o que permite uma sensibilidade de entrada de aproximadamente 777mV RMS para atingir uma saída total. A impedância de entrada pode ser superior a 20k.
• C3 e C8 são empregados como capacitores de acoplamento de entrada e saída, respectivamente. C1 habilita o desacoplamento para a alimentação DC.
• R11 e C9 servem exclusivamente para facilitar e controlar a estabilidade do amplificador, funcionando como o popular Rede Zobel , que são freqüentemente encontrados em torno dos estágios de saída da maioria dos projetos de amplificadores de potência de semicondutores.

Análise de desempenho

O protótipo do amplificador parece funcionar incrivelmente bem, especificamente apenas quando notamos o design bastante simples da unidade. O circuito de design do amplificador MOSFET mostrado terá uma saída feliz de 35 watts RMS em uma carga de 8 ohms.

• O Distorção Harmônica Total não será mais do que cerca de 0,05%. O protótipo foi analisado apenas para frequências de sinal em torno de 1 kHz.
• No entanto, o circuito é ganho de malha aberta foi considerado praticamente constante em toda a faixa de frequência de áudio.
• O resposta de frequência de malha fechada foi medido a -2 dB com sinais de aproximadamente 20 Hz e 22 kHz.
• Do amplificador a relação sinal-ruído (sem um alto-falante conectado) tinha sido maior do que 80 dB, embora na verdade possa haver a possibilidade de uma pequena quantidade de mãos zumbem da fonte de alimentação sendo detectada nos alto-falantes, mas o nível pode ser muito pequeno para ouvir em condições normais.

Fonte de energia

A imagem acima demonstra uma fonte de alimentação configurada apropriadamente para o projeto do amplificador MOSFET de 35 watts. A fonte de alimentação pode ser suficientemente potente para lidar com um modelo mono ou estéreo da unidade.

A fonte de alimentação é na verdade composta de um par de retificadores push-pull e circuitos de suavização eficientes que têm suas saídas conectadas em série para fornecer uma tensão de saída total correspondente ao dobro do potencial aplicado por um retificador individual e circuito de filtro capacitivo.

Os diodos D4, D6 e C10 constituem uma parte específica da fonte de alimentação, enquanto a segunda seção é fornecida por D3, D5 e C11. Cada um deles oferece um pouco abaixo de 40 volts sem uma carga conectada e uma tensão total de 80 V sem carga.

Este valor pode cair para aproximadamente 77 volts quando o amplificador é carregado por um sinal de entrada estéreo com um estado quiescente operacional, e para apenas cerca de 60 volts quando dois canais do amplificador são operados em potência total ou máxima.

Dicas de construção

Um layout de PCB ideal para o amplificador MOSFET de 35 watts é demonstrado nas figuras abaixo.

Isso se destina a um canal do circuito do amplificador, portanto, naturalmente, duas dessas placas devem ser montadas quando um amplificador estéreo se torna necessário. Os transistores de saída certamente não estão instalados no PCB, mas sim em um tipo de aleta grande.

Não é necessário usar kit de isolamento de mica para os transistores ao fixá-los no dissipador de calor. Isso ocorre porque as fontes MOSFET estão diretamente conectadas às suas abas de metal, e esses pinos de fonte devem estar de qualquer maneira conectados uns aos outros.

No entanto, como eles não são isolados do dissipador de calor, pode ser realmente vital garantir que os dissipadores de calor não entrem em contato elétrico com várias outras partes do amplificador.

Além disso, para uma implementação de estéreo, os dissipadores de calor individuais empregados para um par de amplificadores não devem ficar próximos uns dos outros. Certifique-se sempre de usar cabos mais curtos, de no máximo 50 mm, para conectar os transistores de saída ao PCB.

Isso é especificamente crucial para os condutores que se conectam aos terminais da porta dos MOSFETs de saída. Devido ao fato de que os MOSFETs de potência têm alto ganho em altas frequências, condutores mais longos podem afetar gravemente a resposta de estabilidade do amplificador ou até mesmo acionar uma oscilação de RF que pode, por sua vez, causar um dano permanente aos MOSFETs de potência.

Dito isso, praticamente você dificilmente encontrará qualquer dificuldade em preparar o projeto para garantir que esses cabos sejam efetivamente mantidos mais curtos. Pode ser importante observar que C9 e R11 montados fora do PCB e são simplesmente conectados em série através do soquete de saída.

Dicas de construção de fonte de alimentação

O circuito de alimentação é construído aplicando-se uma fiação do tipo ponto a ponto, conforme indicado na figura abaixo.

Na verdade, isso parece bastante autoexplicativo, no entanto, é garantido que os capacitores C10 e C11, ambos os tipos, consistam em uma etiqueta falsa. Caso não estejam, pode ser crucial empregar uma tira de etiquetas para habilitar algumas portas de conexão. Uma etiqueta de solda é presa a um parafuso de montagem específico do T1, que oferece um ponto de conexão do chassi para o cabo de aterramento CA da rede elétrica.

Ajuste e configurações

1. Certifique-se de examinar exaustivamente as conexões de fiação antes de LIGAR a fonte de alimentação, porque erros de fiação podem causar destruição custosa e certamente podem ser perigosos.
2. Antes de ligar o circuito, certifique-se de compensar R10 para obter resistência mínima (girar no sentido anti-horário completo).
3. Com o FS1 momentaneamente retirado e um multímetro fixado para medir 500mA FSD conectado ao porta-fusível, uma leitura de cerca de 20mA deve ser vista no medidor enquanto o amplificador está ligado (pode ser 40mA quando dois canais estéreo são empregados).
4. Caso você encontre a leitura do medidor substancialmente diferente desta, desligue a energia imediatamente e examine novamente toda a fiação. Pelo contrário, se tudo estiver bem, mova lentamente R10 para maximizar a leitura do medidor até um valor de 100mA.
5. Se um amplificador estéreo for desejado, R10 em ambos os canais deve ser ajustado para obter o consumo de corrente de até 120mA, então R10 no segundo canal deve ser ajustado para aumentar o uso de corrente para 200mA. Assim que isso for feito, seu amplificador MOSFET está pronto para uso.
6. Tome muito cuidado para não tocar em nenhuma das conexões de alimentação CA ao fazer os procedimentos de configuração do amplificador.
7. Todos os fios descobertos ou conexões de cabos que podem estar no potencial da rede elétrica CA devem ser devidamente isolados antes de conectar o dispositivo à rede elétrica.
8. Desnecessário dizer que, como todo circuito operado por CA, ele deve ser colocado dentro de um gabinete resistente que só poderia ser desparafusado com a ajuda de uma chave de fenda dedicada e outro conjunto de instrumentos, para garantir que não haja nenhum meio rápido de alcançar o perigoso a fiação da rede elétrica e os acidentes são eliminados com segurança.

Lista de peças para o amplificador de potência MOSFET de 35 watts

Circuito de Aplicação do Amplificador MOSFET 120W

Dependendo das especificações da fonte de alimentação, a prática Amplificador MOSFET de 120 watts circuito é capaz de oferecer uma potência de saída na faixa de cerca de 50 e 120 watts RMS em um alto-falante de 8 ohms.

Este projeto também incorpora MOSFETs no estágio de saída para fornecer um nível superior de desempenho geral, mesmo com a grande simplicidade do circuito

A distorção harmônica total do amplificador não é superior a 0,05%, mas somente quando o circuito não está sobrecarregado e a relação sinal / ruído é superior a 100dB.

Compreendendo os estágios do amplificador MOSFET

Conforme mostrado acima, este circuito é projetado com referência a um layout Hitachi. Ao contrário do projeto anterior, este circuito usa acoplamento CC para o alto-falante e contém uma fonte de alimentação balanceada dupla com um 0V médio e um trilho de aterramento.

Este aprimoramento elimina a dependência de capacitores de acoplamento de grande saída, bem como o baixo desempenho em desempenho de baixa frequência que esse capacitor gera. Além disso, esse layout também permite ao circuito uma capacidade de rejeição de ondulação de alimentação decente.

Além do recurso de acoplamento DC, o projeto do circuito parece bem distinto daquele usado no projeto anterior. Aqui, os estágios de entrada e driver incorporam amplificadores diferenciais.

O estágio de entrada é configurado usando Tr1 e Tr2, enquanto o estágio do driver é dependente de Tr3 e Tr4.

O transistor Tr5 é configurado como um carga do coletor de corrente constante para Tr4. O caminho do sinal por meio do amplificador começa usando o capacitor de acoplamento de entrada C1, junto com o filtro RF R1 / C4. R2 é usado para polarizar a entrada do amplificador na trilha de alimentação 0V central.

Tr1 é conectado como um eficiente amplificador emissor comum que tem sua saída diretamente conectada ao Tr4 que é aplicado como um estágio de driver de emissor comum. Deste estágio em diante, o sinal de áudio é vinculado a Tr6 e Tr7, que são manipulados como estágio de saída de seguidor de fonte complementar.

O avaliação negativa é extraído da saída do amplificador e conectado com a base Tr2 e, apesar do fato de não haver inversão de sinal através da base Tr1 para a saída do amplificador, existe uma inversão entre a base Tr2 e a saída. É porque Tr2, trabalhando como um seguidor de emissor, conduz perfeitamente o emissor de Tr1.

Quando um sinal de entrada é aplicado ao emissor Tr1, os transistores agem com sucesso como um estágio de base comum . Portanto, embora a inversão não ocorra por meio de Tr1 e Tr2, a inversão ocorre por meio de Tr4.

Além disso, a mudança de fase não ocorre por meio do estágio de saída, o que significa que o amplificador e a base Tr2 tendem a estar fora de fase para executar o feedback negativo necessário. Os valores R6 e R7 sugeridos no diagrama fornecem um ganho de voltagem de aproximadamente 28 vezes.

Como aprendemos em nossas discussões anteriores, uma pequena desvantagem dos MOSFETs de potência é que eles se tornam menos e fi cientes do que os BJTs quando são conectados por meio do estágio de saída Classe B tradicional. Além disso, a eficiência relativa dos MOSFETs de potência fica bastante ruim com circuitos de alta potência que exigem que a tensão da porta / fonte seja de várias tensões para correntes de fonte altas.

A oscilação máxima da tensão de saída pode ser considerada igual à tensão de alimentação menos a tensão máxima porta-fonte do transistor individual, e isso certamente permite uma oscilação da tensão de saída que pode ser significativamente menor do que a tensão de alimentação aplicada.

Um meio direto de obter maior eficiência seria basicamente incorporar dois MOSFETs semelhantes conectados em paralelo em cada um dos transistores de saída. A maior quantidade de corrente tratada por cada MOSFETs de saída será então reduzida aproximadamente pela metade, e a fonte máxima para a tensão de porta de cada MOSFET é reduzida apropriadamente (junto com um crescimento proporcional na oscilação da tensão de saída do amplificador).

No entanto, uma abordagem semelhante não funciona quando aplicada a dispositivos bipolares, e isso é essencialmente devido ao seu coeficiente de temperatura positivo características. Se uma saída BJT em particular começar a consumir corrente excessiva do que a outra (porque dois transistores não terão características exatamente idênticas), um dispositivo começará a ficar mais quente do que o outro.

Esse aumento de temperatura faz com que a tensão de limite do emissor / base do BJT seja reduzida e, como resultado, ele começa a consumir uma porção muito maior da corrente de saída. A situação então faz com que o transistor fique mais quente, e esse processo continua infinitamente até que um dos transistores de saída comece a lidar com toda a carga, enquanto o outro permanece inativo.

Esse tipo de problema não pode ser visto com os MOSFETs de potência por causa de seu coeficiente de temperatura negativo. Quando um MOSFET começa a ficar mais quente, devido ao seu coeficiente de temperatura negativo, o calor crescente começa a restringir o fluxo de corrente através de seu dreno / fonte.

Isso muda o excesso de corrente em direção ao outro MOSFET, que agora começa a ficar mais quente e, de forma semelhante, o calor faz com que a corrente através dele diminua proporcionalmente.

A situação cria uma distribuição e dissipação de corrente equilibrada entre os dispositivos, tornando o amplificador muito eficiente e confiável. Este fenômeno também permite MOSFETs a serem conectados em paralelo simplesmente juntando os condutores de porta, fonte e dreno sem muitos cálculos ou preocupações.

Fonte de alimentação para amplificador MOSFET de 120 watts

Um circuito de fonte de alimentação projetado apropriadamente para o amplificador MOSFET de 120 watts é indicado acima. Ele se parece muito com o circuito da fonte de alimentação do nosso projeto anterior.

A única diferença sendo a alimentação da derivação central do transformador na junção dos dois capacitores de alisamento foi inicialmente desconsiderada. Para o presente exemplo, ele está acostumado a fornecer o fornecimento de terra médio de 0 V, enquanto o aterramento da rede elétrica também se conecta nesta junção em vez de no trilho de alimentação negativo.

Você pode encontrar fusíveis sendo instalados nos trilhos positivos e negativos. A potência de saída fornecida pelo amplificador depende amplamente das especificações do transformador da rede elétrica. Para a maioria dos requisitos, um transformador de rede toroidal de 160VA de 35 - 0 - 35 volts deve ser suficiente.

Se operação estéreo for preferível, o transformador precisará ser substituído por um transformador de 300 VA mais pesado. Alternativamente, unidades de fonte de alimentação isoladas podem ser construídas usando transformador 160VA cada para cada canal.

Isso permite uma tensão de alimentação de aproximadamente 50 V em condições de repouso, embora em carga total esse nível possa cair para um nível muito mais baixo. Isso permite que uma saída de até cerca de 70 watts RMS seja adquirida por meio de alto-falantes de 8 ohms.

Um ponto crucial a ser observado é que os diodos 1N5402 usados ​​na ponte retificadora têm uma corrente nominal máxima tolerável de 3 amperes. Isso pode ser suficiente para um amplificador de canal único, mas pode não ser suficiente para uma versão estéreo. Para uma versão estéreo, os diodos devem ser substituídos por diodos de 6 amp ou diodos 6A4.

Layouts de PCB

Você pode encontrar um PCB completo, para construir seu próprio circuito amplificador MOSFET de 120 watts. Os 4 dispositivos MOSFET indicados devem ser conectados a grandes dissipadores de calor com aletas, que devem ser classificados em 4,5 graus Celsius por watt.

Precauções de fiação

• Certifique-se de manter os terminais de pinagem do MOSFET o mais curtos possível, que não devem ter mais do que cerca de 50 mm de comprimento.
• Se você quiser mantê-los um pouco mais do que isso, certifique-se de adicionar um resistor de baixo valor (pode ser de 50 ohm 1/4 watt) com a porta de cada um dos MOSFETs.
• Este resistor responderá com a capacitância de entrada do MOSFET e atuará como um filtro passa-baixa, garantindo uma melhor estabilidade de frequência para a entrada do sinal de alta frequência.
• No entanto, em sinais de entrada de alta frequência, esses resistores podem produzir algum efeito no desempenho de saída, mas isso pode ser realmente muito pequeno e dificilmente perceptível.
• O transistor Tr6, na verdade, consiste em dois MOSFETs de canal n conectados em paralelo, o mesmo é para Tr7, que também tem um par de MOSFETs de canal p em paralelo.
• Para implementar esta conexão paralela, a porta, o dreno, a fonte dos respectivos pares MOSFET são simplesmente unidos um ao outro, isso é tão simples quanto isso.
• Além disso, observe que o capacitor C8 e o resistor R13 são instalados diretamente no soquete de saída, e não montados no PCB.
• Talvez o método mais eficaz de construir a fonte de alimentação seja por fiação, assim como para a fonte de alimentação feita no amplificador anterior. A fiação é praticamente a mesma do circuito anterior.

Ajustes e configurações

1. Antes de ligar o circuito completo do amplificador, certifique-se de examinar cuidadosamente cada um dos fios várias vezes.
2. Verifique especificamente a fiação da fonte de alimentação e as interconexões relevantes entre os MOSFETs de potência de saída.
3. Falhas em torno dessas conexões podem levar rapidamente a danos permanentes à unidade amplificadora.
4. Além disso, você precisará realizar alguns ajustes anteriores antes de LIGAR a placa concluída.
5. Comece girando o preset R11 totalmente no sentido anti-horário e não conecte inicialmente um alto-falante na saída da unidade.
6. Em seguida, em vez de um alto-falante, conecte as pontas de prova do multímetro (definido na faixa de baixa tensão CC) nos pontos de saída do amplificador e certifique-se de que mostra que a baixa tensão de saída quiescente está disponível.
7. Você pode encontrar o medidor mostrando a tensão fracionada ou pode haver nenhuma tensão, o que também é bom.
8. No caso de uma grande tensão DC ser indicada pelo medidor, você deve desligar imediatamente o ampli fi cador e verificar novamente por possíveis erros na fiação.

Conclusão

No artigo acima, discutimos de forma abrangente os muitos parâmetros que desempenham um papel crucial para garantir o funcionamento correto e ideal de um amplificador de potência.

Todos esses parâmetros são padrão e, portanto, podem ser usados ​​e aplicados com eficácia durante o projeto de qualquer circuito amplificador de potência MOSFET, independentemente das especificações de potência e tensão.

As diferentes características detalhadas em relação aos dispositivos BJT e MOSFETs podem ser usadas pelo projetista para implementar ou personalizar um circuito amplificador de potência desejado.