Obsah:
2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-13 06:57
Nazdar hoši!
Tento projekt je návrhem a implementací nízkoenergetického zesilovače zvuku pomocí MOSFET. Design je tak jednoduchý, jak by mohl být a komponenty jsou snadno dostupné. Píši tento návod, protože jsem sám zažil spoustu potíží při hledání nějakého užitečného materiálu týkajícího se projektu a snadné metody pro implementaci.
Doufám, že vás čtení instruktáží baví a věřím, že vám to pomůže.
Krok 1: Úvod
„Zesilovač zvuku (nebo koncový zesilovač) je elektronický zesilovač, který posiluje nízkoenergetické, neslyšitelné elektronické zvukové signály, jako je signál z rádiového přijímače nebo snímače elektrické kytary, na úroveň, která je dostatečně silná pro řízení reproduktorů nebo sluchátek.“
To zahrnuje jak zesilovače používané v domácích audio systémech, tak zesilovače hudebních nástrojů, jako jsou kytarové zesilovače.
Zesilovač zvuku vynalezl v roce 1909 Lee De Forest, když vynalezl triodovou elektronku (neboli „ventil“v britské angličtině). Trioda byla zařízení se třemi terminály s řídicí mřížkou, která může modulovat tok elektronů z vlákna na desku. Triodový vakuový zesilovač byl použit k výrobě prvního AM rádia. Rané zesilovače zvuku byly založeny na elektronkách. Zatímco dnes se používají zesilovače na bázi tranzistorů, které jsou lehčí, spolehlivější a vyžadují méně údržby než lampové zesilovače. Aplikace pro audio zesilovače zahrnují domácí audio systémy, zesilovače koncertů a divadel a systémy veřejného ozvučení. Zvuková karta v osobním počítači, každý stereo systém a každý systém domácího kina obsahuje jeden nebo několik zesilovačů zvuku. Mezi další aplikace patří nástrojové zesilovače, jako jsou kytarové zesilovače, profesionální a amatérské mobilní rádio a přenosné spotřební výrobky, jako jsou hry a dětské hračky. Zde představený zesilovač používá mosfety k dosažení požadovaných specifikací zvukového zesilovače. Zisk a výkonový stupeň je použit v návrhu k dosažení požadovaného zisku a šířky pásma.
Krok 2: Návrh a některé důležité fáze zesilovače
Specifikace zesilovače zahrnují:
Výkon 0,5 W.
Šířka pásma 100Hz-10KHz
ZÍSKÁNÍ OKRUHU: Prvním cílem je dosáhnout značného energetického zisku, který je dostatečný k tomu, aby na výstupu přes reproduktory byl zvukový signál bez šumu. K dosažení tohoto cíle byly v zesilovači použity následující stupně:
1. Fáze zisku: Fáze zisku využívá předpěťový obvod zesilovače Mosfet s předpětím. Předpětí obvodu děliče potenciálu je znázorněno na obrázku 1.
Jednoduše zesiluje vstupní signál a vytváří zisk podle rovnice (1).
Zisk = [(R1 || R2)/ (rs+ R1 || R2)] * (-gm) * (rd || RD || RL) (1)
Zde jsou R1 a R2 vstupní odpory, rs je odpor zdroje, RD je odpor mezi předpětím a odtokem a RL je odpor zátěže.
gm je transkonduktance, která je definována jako poměr změny odtokového proudu ke změně napětí brány.
Udává se jako
gm = Delta (ID) / delta (VGS) (2)
K dosažení požadovaného zisku byly kaskádově zapojeny tři obvody s předpětím děliče a celkový zisk je součinem zisků jednotlivých stupňů.
Celkový zisk = A1*A2*A3 (3)
Kde A1, A2 a A3 jsou zisky prvního, druhého a třetího stupně.
Stupně jsou od sebe navzájem izolovány pomocí propojených kondenzátorů, což je RC vazba.
2. Power Stage: Push pull zesilovač je zesilovač, který má koncový stupeň, který může pohánět proud v obou směrech skrz zátěž.
Výstupní stupeň typického push pull zesilovače se skládá ze dvou identických BJT nebo MOSFETů, z nichž jeden prochází proud zátěží, zatímco druhý klesá proudem ze zátěže. Zesilovače push pull jsou lepší než zesilovače s jedním koncem (využívající jeden tranzistor na výstupu pro řízení zátěže), pokud jde o zkreslení a výkon. Jednostranný zesilovač, jak dobře může být navržen, určitě způsobí určité zkreslení kvůli nelinearitě jeho dynamických přenosových charakteristik.
Push pull zesilovače se běžně používají v situacích, kde je požadováno nízké zkreslení, vysoká účinnost a vysoký výstupní výkon.
Základní funkce zesilovače push pull je následující:
"Signál, který má být zesílen, je nejprve rozdělen na dva identické signály o 180 ° mimo fázi. Obecně se toto rozdělení provádí pomocí vstupního vazebního transformátoru. Vstupní vazební transformátor je uspořádán tak, že jeden signál je aplikován na vstup jednoho tranzistoru a jiný signál je přiveden na vstup druhého tranzistoru."
Výhody zesilovače push pull jsou nízké zkreslení, absence magnetického nasycení v jádru spojovacího transformátoru a zrušení zvlnění napájecího zdroje, což má za následek absenci šumu, zatímco nevýhodou je potřeba dvou identických tranzistorů a požadavek objemné a nákladné vazby transformátory. Stupeň zesílení výkonu byl kaskádován jako konečný stupeň obvodu zesilovače zvuku.
FREKVENČNÍ ODPOVĚĎ OKRUHU:
Kapacita hraje dominantní roli při formování časové a frekvenční odezvy moderních elektronických obvodů. Bylo provedeno rozsáhlé a hloubkové experimentální zkoumání úlohy různých kondenzátorů v obvodu zesilovače MOSFET s malým signálem.
Zvláštní důraz byl kladen na řešení základních problémů týkajících se kapacit v zesilovačích MOSFET, nikoli na úpravu designu. K experimentu byly použity tři různé vylepšení n-kanálových MOSFETů (model 2N7000, dále jen MOS-1, MOS-2 a MOS-3) vyráběných společností Motorola Inc. Studie odhaluje několik důležitých nových vlastností zesilovačů. Udává, že při konstrukci zesilovačů MOS s malým signálem by nikdy nemělo být samozřejmostí, že vazební a obtokové kondenzátory působí jako zkrat a nemají žádný vliv na střídavé vstupní a výstupní napětí. Ve skutečnosti přispívají k úrovním napětí pozorovaným na vstupním i výstupním portu zesilovače. Jsou -li uvážlivě vybrány pro spojovací a bypassové operace, určují skutečný napěťový zisk zesilovače při různých frekvencích vstupního signálu.
Dolní mezní frekvence se řídí hodnotami vazebních a obtokových kondenzátorů, zatímco horní mezní hodnota je výsledkem bočníkové kapacity. Tato bočníková kapacita je rozptylová kapacita přítomná mezi spoji tranzistoru.
Kapacita je dána vzorcem.
C = (plocha * Ebsilon) / vzdálenost (4)
Hodnota kondenzátorů je zvolena tak, aby výstupní šířka pásma byla mezi 100-10KHz a signál nad a pod touto frekvencí byl zeslaben.
Figurky:
Obrázek.1 Předpěťový dělič zkreslený obvod MOSFET
Obrázek.2 Obvod výkonového zesilovače pomocí BJT
Obrázek.3 Frekvenční odezva MOSFET
Krok 3: Implementace softwaru a hardwaru
Obvod byl navržen a simulován v softwaru PROTEUS, jak je znázorněno na obrázku 4. Stejný obvod byl implementován na desce plošných spojů a byly použity stejné součásti.
Všechny odpory jsou dimenzovány na 1 W a kondenzátory na 50 V, aby nedošlo k poškození.
Seznam použitých komponent je uveden níže:
R1, R5, R9 = 1MΩ
R2, R6, R11 = 68Ω
R3, R7, R10 = 230KΩ
R4, R8, R12 = 1KΩ
R13, R14 = 10KΩ
C1, C2, C3, C4, C5 = 4,7 µF
C6, C7 = 1,5 uF
Q1, Q2, Q3 = 2N7000
Q4 = TIP122
Q5 = TIP127
Obvod jednoduše sestává ze tří stupňů zisku zapojených do kaskády.
Zesilovací stupně jsou spojeny pomocí RC spojky. RC spojka je nejpoužívanější metodou párování ve vícestupňových zesilovačích. V tomto případě je odpor R odpor připojený na zdrojový terminál a kondenzátor C je zapojen mezi zesilovače. Říká se mu také blokovací kondenzátor, protože blokuje stejnosměrné napětí. Vstup po průchodu těmito stupni dosáhne výkonového stupně. Výkonový stupeň používá tranzistory BJT (jeden npn a jeden pnp). Na výstupu této fáze je připojen reproduktor a získáme zesílený zvukový signál. Signál daný obvodu pro simulaci je sinusová vlna 10 mV a výstup z reproduktoru je sinusová vlna 2,72 V.
OBRÁZKY:
Obrázek 4 Obvod PROTEUS
Obrázek 5 Fáze zisku
Obrázek 6 Power Stage
Obr.7 Výstup zisku stupně 1 (zisk = 7)
Obr.8 Výstup zisku fáze 2 (zisk = 6,92)
Obr.9 Výstup zisku stupně 3 (zisk = 6,35)
Obrázek.10 Výstup tří stupňů zisku (celkový zisk = 308)
Obrázek.11 Výstup z reproduktoru
Krok 4: ROZLOŽENÍ DPS
Obvod zobrazený na obrázku 4 byl implementován na desce plošných spojů.
Nahoře jsou některé úryvky ze softwarového designu desky plošných spojů
OBRÁZKY:
Obrázek.12 Rozložení DPS
Obrázek 13 Rozložení DPS (pdf)
Obrázek.14 3D pohled (TOP VIEW)
Obrázek.15 3D pohled (BOTTOM VIEW)
Obrázek 16 Hardware (BOTTOM VIEW) Pohled shora je již na prvním obrázku
Krok 5: Závěr
S využitím vysokého zisku a vysoké vstupní impedance MOSFETů s krátkým kanálem byl navržen jednoduchý obvod, který zajistí dostatečný pohon pro zesilovače až do výkonu 0,5 W.
Nabízí výkon, který splňuje kritéria pro vysoce kvalitní reprodukci zvuku. Mezi důležité aplikace patří ozvučení, divadelní a koncertní zesilovače zvuku a domácí systémy, například stereo nebo systém domácího kina.
Zesilovače nástrojů včetně kytarových zesilovačů a elektrických klávesových zesilovačů také používají zvukové zesilovače.
Krok 6: Zvláštní poděkování
Zvláště děkuji přátelům, kteří mi pomohli dosáhnout výsledků tohoto projektu.
Doufám, že se vám tento návod líbil. Za jakoukoli pomoc budu rád, když se vyjádříte.
Zůstaň požehnaný. Uvidíme se:)
Tahir Ul Haq, EE DEPT, UET
Lahore, Pákistán