Cómo diseñar circuitos de amplificador de potencia MOSFET - Parámetros explicados

Cómo diseñar circuitos de amplificador de potencia MOSFET - Parámetros explicados

En esta publicación discutimos varios parámetros que deben considerarse al diseñar un circuito amplificador de potencia MOSFET. También analizamos la diferencia entre los transistores de unión bipolar (BJT) y las características de MOSFET y entendemos por qué los MOSFETS son más adecuados y eficientes para aplicaciones de amplificadores de potencia.

Contribuido por Daniel Schultz

Visión general



Al diseñar un amplificador de potencia se considera en el rango de 10 a 20 vatios , los diseños basados ​​en circuitos integrados o IC se prefieren normalmente debido a su tamaño elegante y bajo número de componentes.

Sin embargo, para rangos de salida de potencia más altos, una configuración discreta se considera una opción mucho mejor, ya que ofrecen una mayor eficiencia y flexibilidad para el diseñador con respecto a la selección de salida de potencia.

Anteriormente, los amplificadores de potencia que usaban partes discretas dependían de transistores bipolares o BJT. Sin embargo, con la llegada de MOSFET sofisticados , Los BJT fueron reemplazados lentamente con estos MOSFET avanzados para lograr una salida de potencia extremadamente alta y un espacio asombrosamente limitado y PCB reducidos.

Aunque los MOSFET pueden parecer excesivos para diseñar amplificadores de potencia de tamaño mediano, estos se pueden aplicar de manera efectiva para cualquier tamaño y especificaciones de amplificadores de potencia.

Desventajas de usar BJT en amplificadores de potencia

Aunque los dispositivos bipolares funcionan muy bien en amplificadores de potencia de audio de gama alta, incluyen algunas desventajas que realmente llevaron a la introducción de dispositivos avanzados como los MOSFET.

Quizás la mayor desventaja de los transistores bipolares en las etapas de salida de Clase B es el fenómeno conocido como la situación fuera de control.

Los BJT incluyen un coeficiente de temperatura positivo y esto da lugar específicamente a un fenómeno llamado fuga térmica, que provoca un daño potencial de los BJT de potencia debido al sobrecalentamiento.

La figura del lado izquierdo de arriba muestra la configuración esencial de un controlador de Clase B estándar y una etapa de salida, empleando TR1 como una etapa de controlador de emisor común y Tr2 junto con Tr3 como la etapa de salida del seguidor de emisor complementario.

Comparación de la configuración de la etapa de salida del amplificador BJT y MOSFET

Función de la etapa de salida del amplificador

Para diseñar un amplificador de potencia que funcione, es importante configurar correctamente su etapa de salida.

El objetivo de la etapa de salida es principalmente proporcionar amplificación de corriente (la ganancia de voltaje no es mayor a la unidad) para que el circuito pueda suministrar las altas corrientes de salida esenciales para activar un altavoz en un nivel de volumen más alto.

  1. En referencia al diagrama BJT del lado izquierdo anterior, Tr2 funciona como una fuente de corriente de salida durante los ciclos de salida positivos, mientras que Tr3 suministra la corriente de salida durante los semiciclos de salida negativos.
  2. La carga básica del colector para una etapa de controlador BJT está diseñada con una fuente de corriente constante, que proporciona una linealidad mejorada en comparación con los efectos logrados con una resistencia de carga simple.
  3. Esto ocurre debido a las diferencias en la ganancia (y la distorsión que la acompaña) que ocurren siempre que un BJT funciona dentro de una amplia gama de corrientes de colector.
  4. La aplicación de una resistencia de carga dentro de una etapa de emisor común con grandes oscilaciones de voltaje de salida puede indudablemente desencadenar un rango de corriente de colector extremadamente grande y grandes distorsiones.
  5. La aplicación de una carga de corriente constante no elimina por completo la distorsión, porque el voltaje del colector fluctúa naturalmente, y la ganancia del transistor puede depender hasta cierto punto del voltaje del colector.
  6. Sin embargo, como las fluctuaciones de ganancia debidas a las variaciones de voltaje del colector tienden a ser bastante menores, se puede lograr una distorsión baja mucho menor al 1 por ciento.
  7. El circuito de polarización conectado entre las bases de los transistores de salida es necesario para llevar los transistores de salida a la posición en la que están justo en el umbral de conducción.
  8. En caso de que esto no suceda, es posible que pequeñas variaciones en el voltaje del colector de Tr1 no permitan que los transistores de salida entren en conducción y es posible que no permitan ningún tipo de mejora en el voltaje de salida.
  9. Las variaciones de voltaje más altas en el colector de Tr1 podrían generar los cambios correspondientes en el voltaje de salida, pero esto probablemente perdería las porciones de inicio y finalización de cada medio ciclo de la frecuencia, dando lugar a una grave `` distorsión de cruce '' como se la conoce normalmente.

Problema de distorsión cruzada

Incluso si los transistores de salida se llevan al umbral de conducción, no elimina completamente la distorsión de cruce, ya que los dispositivos de salida presentan cantidades relativamente pequeñas de ganancia mientras funcionan a corrientes de colector reducidas.

Esto proporciona un tipo de distorsión de cruce moderada pero indeseable. La retroalimentación negativa podría utilizarse para vencer la distorsión de cruce de forma natural, sin embargo, para lograr excelentes resultados, es realmente esencial emplear un sesgo de reposo razonablemente alto sobre los transistores de salida.

Es esta gran corriente de polarización la que causa complicaciones con la fuga térmica.

La corriente de polarización provoca el calentamiento de los transistores de salida y, debido a su coeficiente de temperatura positivo, esto hace que la corriente de polarización aumente, generando aún más calor y una elevación adicional resultante en la corriente de polarización.

Por tanto, esta retroalimentación positiva proporciona un aumento gradual de la polarización hasta que los transistores de salida se calientan demasiado y finalmente se queman.

En un esfuerzo por protegerse contra esto, el circuito de polarización se facilita con un sistema de detección de temperatura incorporado, que ralentiza la polarización en caso de que se detecte una temperatura más alta.

Por lo tanto, a medida que el transistor de salida se calienta, el circuito de polarización se ve afectado por el calor generado, que lo detecta y detiene cualquier aumento consecuente de la corriente de polarización. En la práctica, la estabilización de polarización puede no ser ideal y es posible que encuentre pequeñas variaciones, sin embargo, un circuito correctamente configurado normalmente puede exhibir una estabilidad de polarización suficientemente suficiente.

Por qué los MOSFET funcionan de manera más eficiente que los BJT en los amplificadores de potencia

En la siguiente discusión, intentaremos comprender por qué los MOSFET funcionan mejor en diseños de amplificadores de potencia, en comparación con los BJT.

Similar a los BJT, si se emplean en una etapa de salida de Clase B, los MOSFET también exigen un sesgo hacia adelante para superar la distorsión de cruce. Dicho esto, debido a que los MOSFET de potencia poseen un coeficiente de temperatura negativo en corrientes cercanas a 100 miliamperios o más (y un coeficiente de temperatura ligeramente positivo en corrientes más bajas), permite un controlador y una etapa de salida de Clase B menos complicados, como se demuestra en la siguiente figura. .

El circuito de polarización estabilizado térmicamente podría sustituirse por una resistencia porque las características de temperatura de los MOSFET de potencia incorporan un control térmico incorporado de la corriente de polarización de alrededor de 100 miliamperios (que es aproximadamente la corriente de polarización más adecuada).

Un desafío adicional experimentado con los BJT es la ganancia de corriente bastante baja de solo 20 a 50. Esto puede ser bastante insuficiente para amplificadores de potencia media y alta. Debido a esto, requiere una etapa de conductor extremadamente potente. El enfoque típico para resolver este problema es hacer uso de un Pares Darlington o un diseño equivalente para proporcionar una ganancia de corriente suficientemente alta, de modo que permita el empleo de una etapa de controlador de baja potencia.

MOSFET de potencia, como cualquier HECHO device , tienden a ser dispositivos operados por voltaje en lugar de operados por corriente.

La impedancia de entrada de un MOSFET de potencia suele ser muy alta, lo que permite un consumo de corriente de entrada insignificante con frecuencias de trabajo bajas. Sin embargo, a altas frecuencias de trabajo, la impedancia de entrada es mucho menor debido a la capacitancia de entrada relativamente alta de aproximadamente 500 pf.

Incluso con esta alta capacitancia de entrada, una corriente de trabajo de apenas 10 miliamperios llega a ser suficiente a través de la etapa del controlador, aunque la corriente de salida máxima podría ser alrededor de mil veces esta cantidad.

Un problema adicional con los dispositivos de potencia bipolar (BJT) es su tiempo de conmutación algo lento. Esto tiende a crear una variedad de problemas, como la distorsión provocada por la rotación.

Aquí es cuando una potente señal de alta frecuencia podría exigir un voltaje de salida de conmutación de, digamos, 2 voltios por microsegundo, mientras que la etapa de salida BJT posiblemente permita una velocidad de respuesta de solo un voltio por microsegundo. Naturalmente, la salida tendrá dificultades para ofrecer una reproducción decente de la señal de entrada, lo que provocará una distorsión inevitable.

Una velocidad de respuesta inferior también puede dar a un amplificador un ancho de banda de potencia no deseado, con la salida de potencia más alta alcanzable cayendo significativamente en frecuencias de audio más altas.

Oscilaciones y retraso de fase

Otra preocupación es el desfase que tiene lugar a través de la etapa de salida del amplificador con altas frecuencias, y que podría hacer que la retroalimentación sobre el sistema de retroalimentación negativa se convierta en positiva en lugar de negativa a frecuencias extremadamente altas.

Si el amplificador posee suficiente ganancia a tales frecuencias, el amplificador puede entrar en un modo oscilante y la falta de estabilidad continuará notándose incluso si la ganancia del circuito no es suficiente para disparar una oscilación.

Este problema podría corregirse agregando elementos para atenuar la respuesta de alta frecuencia del circuito e incorporando elementos de compensación de fase. Sin embargo, estas consideraciones reducen la eficacia del amplificador a frecuencias de señal de entrada elevadas.

Los MOSFET son más rápidos que los BJT

Al diseñar un amplificador de potencia, debemos recordar que el velocidad de conmutación de los MOSFET de potencia es generalmente alrededor de 50 a 100 veces más rápido que un BJT. Por lo tanto, las complicaciones con una funcionalidad de alta frecuencia inferior se superan fácilmente empleando MOSFET en lugar de BJT.

De hecho, es posible crear configuraciones sin ningún compensación de frecuencia o fase partes que aún mantienen una excelente estabilidad e incluyen un nivel de rendimiento que se conserva para frecuencias que superan ampliamente el límite de audio de alta frecuencia.

Sin embargo, otra dificultad experimentada con los transistores de potencia bipolar es la avería secundaria. Esto se refiere a una especie de fuga térmica específica que crea una “zona caliente” dentro del dispositivo que da como resultado un cortocircuito en sus pines colectores / emisores.

Para garantizar que esto no suceda, el BJT debe funcionar exclusivamente dentro de rangos específicos de corriente y voltaje del colector. A cualquier circuito ampli fi cador de audio Esta situación generalmente implica que los transistores de salida se ven obligados a funcionar bien dentro de sus restricciones térmicas y, por lo tanto, la potencia de salida óptima obtenible de los BJT de potencia se reduce significativamente, mucho más baja de lo que realmente permiten sus valores de disipación más altos.

Gracias a Coeficiente de temperatura negativo del MOSFET con corrientes de drenaje elevadas, estos dispositivos no tienen problemas de avería secundaria. Para los MOSFET, la corriente de drenaje máxima permitida y las especificaciones de voltaje de drenaje están prácticamente limitadas por su funcionalidad de disipación de calor. Por lo tanto, estos dispositivos se vuelven especialmente adecuados para aplicaciones de amplificadores de audio de alta potencia.

Desventajas de MOSFET

A pesar de los hechos anteriores, MOSFET también tiene algunos inconvenientes, que son relativamente menores en número e insignificantes. Inicialmente, los MOSFET eran muy caros en comparación con los transistores bipolares correspondientes. Sin embargo, la diferencia en el costo se ha vuelto mucho más pequeña hoy en día.Cuando consideramos el hecho de que los MOSFET hacen posible que los circuitos complejos sean mucho más simples y una reducción significativa indirecta en el costo, hace que la contraparte de BJT sea bastante trivial incluso con su bajo costo. etiqueta.

Los MOSFET de potencia a menudo presentan un aumento distorsión de bucle abierto que BJTs. Sin embargo, debido a su alta ganancia y velocidades de conmutación rápidas, los MOSFET de potencia permiten el uso de un alto nivel de retroalimentación negativa en todo el espectro de frecuencias de audio, ofreciendo incomparables distorsión de bucle cerrado eficiencia.

Un inconveniente adicional involucrado con los MOSFET de potencia es su menor eficiencia en comparación con los BJT cuando se emplean en las etapas de salida del amplificador estándar. La razón detrás de esto es una etapa de seguidor de emisor de alta potencia que genera una caída de voltaje de alrededor de 1 voltio entre la entrada y la salida, aunque existe una pérdida de algunos voltios en la entrada / salida de una etapa de seguidor de fuente. No existe un enfoque fácil para resolver este problema, sin embargo, esto parece ser una pequeña reducción en la eficiencia, que no debe tenerse en cuenta y podría ignorarse.

Comprensión de un diseño práctico de amplificador MOSFET

La figura siguiente muestra el diagrama de circuito de un Ampli fi cador MOSFET de 35 vatios de potencia circuito. Excepto la aplicación del MOSFET en la etapa de salida del amplificador, todo se parece básicamente a un diseño de amplificador MOSFET muy común.

  • Tr1 está manipulado como etapa de entrada de emisor común , conectado directamente a la etapa del controlador del emisor común Tr3. Ambas etapas ofrecen la ganancia de voltaje total del amplificador e incluyen una ganancia total extremadamente grande.
  • Tr2 junto con sus partes adjuntas crean un generador de corriente constante simple que tiene una corriente de salida marginal de 10 miliamperios. Esto funciona como la carga del colector principal para Tr3.
  • Se emplea R10 para establecer la correcta corriente de polarización inactiva a través de los transistores de salida, y como se discutió anteriormente, la estabilización térmica para la corriente de polarización no se logra realmente en el circuito de polarización, sino que la suministran los propios dispositivos de salida.
  • R8 ofrece prácticamente el 100% retroalimentación negativa desde la salida del amplificador al emisor Tr1, permitiendo que el circuito tenga una ganancia de voltaje unitaria.
  • Los resistores R1, R2 y R4 funcionan como una red divisoria potencial para polarizar la etapa de entrada del amplificador y, en consecuencia, también la salida, aproximadamente a la mitad del voltaje de suministro. Esto permite el nivel de salida más alto posible antes del recorte y el inicio de la distorsión crítica.
  • R1 y C2 se utilizan como un circuito de filtro que cancela la frecuencia de zumbido y otras formas de ruidos potenciales en las líneas de suministro para que no entren en la entrada del amplificador a través del circuito de polarización.
  • R3 y C5 actúan como un Filtro de RF lo que evita que las señales de RF pasen directamente de la entrada a la salida, provocando perturbaciones audibles. C4 también ayuda a resolver el mismo problema al reducir la respuesta de alta frecuencia del amplificador de manera efectiva por encima del límite superior de frecuencia de audio.
  • Para garantizar que el amplificador obtenga una buena ganancia de voltaje a frecuencias audibles, es esencial desacoplar la retroalimentación negativa hasta cierto punto.
  • C7 cumple la función de condensador de desacoplamiento , mientras que la resistencia R6 limita la cantidad de retroalimentación que se limpia.
  • El circuito ganancia de voltaje se determina aproximadamente dividiendo R8 por R6, o alrededor de 20 veces (26dB) con los valores de parte asignados.
  • El voltaje de salida máximo del amplificador será de 16 voltios RMS, lo que permite una sensibilidad de entrada de aproximadamente 777 mV RMS para lograr una salida completa. La impedancia de entrada puede ser superior a 20k.
  • C3 y C8 se emplean como condensadores de acoplamiento de entrada y salida, respectivamente. C1 habilita el desacoplamiento de la alimentación DC.
  • R11 y C9 sirven exclusivamente para facilitar y controlar la estabilidad del amplificador, trabajando como el popular Red Zobel , que a menudo se encuentran alrededor de las etapas de salida de la mayoría de los diseños de amplificadores de potencia de semiconductores.

Análisis de rendimiento

El amplificador prototipo parece funcionar increíblemente bien, específicamente solo una vez que notamos el diseño bastante simple de la unidad. El circuito de diseño del amplificador MOSFET que se muestra felizmente producirá 35 vatios RMS en una carga de 8 ohmios.

  • los Distorsión armónica total no será superior al 0,05%. El prototipo se analizó solo para frecuencias de señal de alrededor de 1 kHz.
  • Sin embargo, el circuito ganancia de bucle abierto se encontró que era prácticamente constante dentro de todo el rango de frecuencias de audio.
  • los respuesta de frecuencia de bucle cerrado se midió a -2 dB con señales de aproximadamente 20 Hz y 22 kHz.
  • El amplificador relación señal / ruido (sin un altavoz conectado) había sido superior a la cifra de 80 dB, aunque en realidad puede haber una posibilidad de una pequeña cantidad de manos tarareando de la fuente de alimentación que se detecta en los altavoces, pero el nivel puede ser demasiado pequeño para escuchar en condiciones normales.

Fuente de alimentación

La imagen de arriba muestra una fuente de alimentación configurada adecuadamente para el diseño del amplificador MOSFET de 35 vatios. La fuente de alimentación puede ser suficientemente potente para manejar un modelo mono o estéreo de la unidad.

En realidad, la fuente de alimentación se compone de un par de circuitos rectificadores push-pull y de suavizado que tienen sus salidas conectadas en serie para proporcionar un voltaje de salida total correspondiente al doble del potencial aplicado por un circuito de filtro capacitivo y rectificador individual.

Los diodos D4, D6 y C10 constituyen una parte particular de la fuente de alimentación, mientras que la segunda sección es suministrada por D3, D5 y C11. Cada uno de estos ofrece un poco menos de 40 voltios sin carga conectada y un voltaje total de 80 V descargado.

Este valor puede caer a aproximadamente 77 voltios cuando el amplificador es cargado por una señal de entrada estéreo con un estado de reposo operativo, y a alrededor de 60 voltios cuando dos canales del amplificador funcionan a máxima potencia.

Consejos de construcción

En las figuras siguientes se muestra un diseño de PCB ideal para el amplificador MOSFET de 35 vatios.

Esto está destinado a un canal del circuito del amplificador, por lo que, naturalmente, deben ensamblarse dos de estas placas cuando sea necesario un amplificador estéreo. Los transistores de salida ciertamente no están instalados en la PCB, sino en un tipo con aletas grandes.

No es necesario utilizar un kit de aislamiento de mica para los transistores mientras se fijan en el disipador de calor. Esto se debe a que las fuentes MOSFET están conectadas directamente a sus pestañas metálicas, y estos pines de la fuente deben permanecer conectados entre sí de todos modos.

Sin embargo, dado que no están aislados del disipador de calor, puede ser realmente vital asegurarse de que los disipadores de calor no entren en contacto eléctrico con otras partes del amplificador.

Además, para una implementación estéreo, no se debe permitir que los disipadores de calor individuales empleados para el par de amplificadores entren en una proximidad eléctrica entre sí. Asegúrese siempre de utilizar cables más cortos de un máximo de alrededor de 50 mm para conectar los transistores de salida con la PCB.

Esto es específicamente crucial para los cables que se conectan con los terminales de puerta de los MOSFET de salida. Debido al hecho de que los MOSFET de potencia tienen una alta ganancia a altas frecuencias, los cables más largos pueden afectar gravemente la respuesta de estabilidad del amplificador, o incluso desencadenar una oscilación de RF que a su vez puede causar un daño permanente a los MOSFET de potencia.

Dicho esto, es posible que prácticamente no encuentre ninguna dificultad en la preparación del diseño para asegurarse de que estos cables se mantengan efectivamente más cortos. Puede ser importante tener en cuenta que C9 y R11 se montan fuera de la PCB y simplemente se conectan en serie a través del zócalo de salida.

Consejos para la construcción de la fuente de alimentación

El circuito de la fuente de alimentación se construye aplicando un cableado de tipo punto a punto, como se indica en la siguiente figura.

En realidad, esto parece bastante evidente, sin embargo, se garantiza que los condensadores C10 y C11, ambos tipos, consisten en una etiqueta ficticia. En caso de que no lo sean, puede ser crucial emplear una tira de etiquetas para habilitar algunos puertos de conexión. Se sujeta una etiqueta de soldadura a un perno de montaje particular de T1, que ofrece un punto de conexión del chasis para el cable de tierra de CA de la red.

Ajuste y configuración

  1. Asegúrese de examinar exhaustivamente las conexiones de cableado antes de encender la fuente de alimentación, ya que los errores de cableado pueden causar una destrucción costosa y ciertamente pueden ser peligrosos.
  2. Antes de encender el circuito, asegúrese de recortar R10 para obtener una resistencia mínima (gire completamente en sentido antihorario).
  3. Con FS1 sacado momentáneamente y un multímetro fijo para medir 500mA FSD colocado sobre el portafusibles, se debe ver una lectura de alrededor de 20mA en el medidor mientras el amplificador está encendido (esto puede ser 40mA cuando se emplea estéreo de dos canales).
  4. En caso de que encuentre que la lectura del medidor es sustancialmente diferente a esta, apague la energía inmediatamente y vuelva a examinar todo el cableado. Por el contrario, si todo está bien, mueva lentamente R10 para maximizar la lectura del medidor hasta un valor de 100 mA.
  5. Si se desea un amplificador estéreo, se debe ajustar R10 en ambos canales para obtener el consumo de corriente hasta 120 mA, luego se debe ajustar el R10 en el segundo canal para aumentar el uso de corriente a 200 mA. Una vez que se hayan logrado, su ampli fi cador MOSFET estará listo para usarse.
  6. Tenga mucho cuidado de no tocar ninguna de las conexiones de alimentación de CA mientras realiza los procedimientos de configuración del amplificador.
  7. Todo el cableado descubierto o las conexiones de cables que puedan estar en el potencial de la red de CA deben aislarse adecuadamente antes de conectar el dispositivo a la red eléctrica.
  8. No hace falta decir que, como con todos los circuitos operados por CA, debe estar encerrado dentro de un gabinete resistente que solo se pueda desatornillar con la ayuda de un destornillador específico y otro conjunto de instrumentos, para garantizar que no haya ningún medio rápido para llegar al peligroso El cableado de red y los accidentes se eliminan de forma segura.

Lista de piezas para el amplificador de potencia MOSFET de 35 vatios

Circuito de aplicación del amplificador MOSFET de 120 W

Dependiendo de las especificaciones de la fuente de alimentación, la práctica Amplificador MOSFET de 120 vatios El circuito es capaz de ofrecer una potencia de salida en el rango de aproximadamente 50 y 120 vatios RMS en un altavoz de 8 ohmios.

Este diseño también incorpora MOSFET en la etapa de salida para proporcionar un nivel superior de rendimiento general incluso con la gran simplicidad del circuito.

La distorsión armónica total del amplificador no supera el 0,05%, pero solo cuando el circuito no está sobrecargado y la relación señal / ruido es superior a 100 dB.

Comprensión de las etapas del amplificador MOSFET

Como se muestra arriba, este circuito está diseñado con referencia a un diseño de Hitachi. A diferencia del último diseño, este circuito utiliza un acoplamiento de CC para el altavoz y contiene una fuente de alimentación doble balanceada con un 0V medio y un riel de tierra.

Esta mejora elimina la dependencia de los condensadores de acoplamiento de salida grande, así como el bajo rendimiento en el rendimiento de baja frecuencia que genera este condensador. Además, este diseño también permite que el circuito tenga una capacidad de rechazo de ondulación de suministro decente.

Además de la función de acoplamiento de CC, el diseño del circuito parece bastante distinto del utilizado en el diseño anterior. Aquí, tanto la etapa de entrada como la del controlador incorporan amplificadores diferenciales.

La etapa de entrada se configura usando Tr1 y Tr2, mientras que la etapa del controlador depende de Tr3 y Tr4.

El transistor Tr5 está configurado como un carga de colector de corriente constante para Tr4. La ruta de la señal por medio del amplificador comienza utilizando el condensador de acoplamiento de entrada C1, junto con el filtro de RF R1 / C4. R2 se utiliza para polarizar la entrada del amplificador en la pista de suministro central de 0V.

Tr1 está cableado como un amplificador de emisor común que tiene su salida conectada directamente a Tr4 que se aplica como una etapa de controlador de emisor común. A partir de esta etapa, la señal de audio se vincula a Tr6 y Tr7, que se configuran como etapa de salida del seguidor de fuente complementaria.

los retroalimentación negativa se extrae de la salida del amplificador y se conecta con la base Tr2, y a pesar del hecho de que no hay inversión de señal a través de la base Tr1 a la salida del amplificador, existe una inversión a través de la base Tr2 y la salida. Es porque Tr2, trabajando como un seguidor de emisor, impulsa perfectamente el emisor de Tr1.

Cuando se aplica una señal de entrada al emisor Tr1, los transistores actúan con éxito como un etapa base común . Por lo tanto, aunque la inversión no ocurre por medio de Tr1 y Tr2, la inversión ocurre a través de Tr4.

Además, el cambio de fase no ocurre a través de la etapa de salida, lo que significa que el amplificador y la base Tr2 tienden a estar fuera de fase para ejecutar la retroalimentación negativa requerida requerida. Los valores R6 y R7 sugeridos en el diagrama proporcionan una ganancia de voltaje de aproximadamente 28 veces.

Como aprendimos de nuestras discusiones anteriores, una pequeña desventaja de los MOSFET de potencia es que se vuelven menos eficientes que los BJT cuando se conectan a través de la etapa de salida de Clase B tradicional. Además, la eficiencia relativa de los MOSFET de potencia se vuelve bastante mala con los circuitos de alta potencia que exigen que el voltaje de puerta / fuente sea de varios voltajes para corrientes de fuente altas.

Se puede suponer que la variación máxima del voltaje de salida es igual al voltaje de suministro menos el voltaje máximo de puerta a fuente del transistor individual, y esto ciertamente permite un cambio de voltaje de salida que puede ser significativamente menor que el voltaje de suministro aplicado.

Un medio sencillo de conseguir una mayor eficiencia sería básicamente incorporar un par de MOSFET similares conectados en paralelo a través de cada uno de los transistores de salida. La mayor cantidad de corriente manejada por cada MOSFET de salida se reducirá aproximadamente a la mitad, y el voltaje máximo de la fuente a la puerta de cada MOSFET se reducirá adecuadamente (junto con un crecimiento proporcional en la oscilación del voltaje de salida del amplificador).

Sin embargo, un enfoque similar no funciona cuando se aplica a dispositivos bipolares, y esto se debe esencialmente a su coeficiente de temperatura positivo caracteristicas. Si un BJT de salida en particular comienza a consumir una corriente excesiva que el otro (porque no hay dos transistores que tengan características exactamente idénticas), un dispositivo comienza a calentarse más que el otro.

Este aumento de temperatura hace que el voltaje de umbral del emisor / base del BJT se reduzca y, como resultado, comience a consumir una porción mucho mayor de la corriente de salida. La situación hace que el transistor se caliente y este proceso continúa infinitamente hasta que uno de los transistores de salida comienza a manejar toda la carga, mientras que el otro permanece inactivo.

Este tipo de problema no se puede ver con los MOSFET de potencia debido a su coeficiente de temperatura negativo. Cuando un MOSFET comienza a calentarse, debido a su coeficiente de temperatura negativo, el calor en aumento comienza a restringir el flujo de corriente a través de su drenaje / fuente.

Esto desplaza el exceso de corriente hacia el otro MOSFET que ahora comienza a calentarse y, de manera muy similar, el calor hace que la corriente a través de él se reduzca proporcionalmente.

La situación crea una distribución y disipación de corriente equilibrada entre los dispositivos, lo que hace que el amplificador funcione de manera mucho más eficiente y confiable. Este fenómeno también permite MOSFET para conectarse en paralelo simplemente uniendo los cables de la compuerta, la fuente y el drenaje sin muchos cálculos o preocupaciones.

Fuente de alimentación para amplificador MOSFET de 120 vatios

Un circuito de suministro de energía diseñado apropiadamente para el ampli fi cador MOSFET de 120 vatios se indica arriba. Esto se parece mucho al circuito de suministro de energía de nuestro diseño anterior.

La única diferencia es que el suministro de la toma central del transformador en la unión de los dos condensadores de suavizado se había ignorado inicialmente. En el ejemplo presente, se acostumbra a proporcionar el suministro de tierra medio de 0 V, mientras que la tierra de la red eléctrica también se conecta en esta unión en lugar del riel de suministro negativo.

Puede encontrar fusibles instalados en los rieles positivo y negativo. La potencia de salida que entrega el amplificador depende en gran medida de las especificaciones del transformador de red. Para la mayoría de los requisitos, un transformador de red toroidal de 35 - 0 - 35 voltios y 160 VA debería ser suficiente.

Si operación estéreo Es preferible, el transformador deberá ser reemplazado por un transformador de 300 VA más pesado. Alternativamente, se podrían construir unidades de suministro de energía aisladas usando transformadores de 160VA cada uno para cada canal.

Esto permite una tensión de alimentación de aproximadamente 50 V en condiciones de reposo, aunque a plena carga este nivel puede caer a un nivel mucho más bajo. Esto permite adquirir una salida de hasta aproximadamente 70 vatios RMS a través de altavoces de 8 ohmios.

Un punto crucial que debe tenerse en cuenta es que los diodos 1N5402 utilizados en el puente rectificador tienen una clasificación de corriente máxima tolerable de 3 amperios. Esto puede ser suficiente para un amplificador de un solo canal, pero puede que no sea suficiente para una versión estéreo. Para una versión estéreo, los diodos deben reemplazarse por diodos de 6 amperios o diodos 6A4.

Diseños de PCB

Puede encontrar un PCB completo para construir su propio circuito amplificador MOSFET de 120 vatios. Los 4 dispositivos MOSFET indicados deben conectarse con disipadores de calor con aletas grandes, que deben tener una clasificación mínima de 4.5 grados Celsius por vatio.

Precauciones de cableado

  • Asegúrese de mantener los terminales de pinout del MOSFET lo más cortos posible, que no deben tener más de 50 mm de longitud.
  • Si desea mantenerlos un poco más de tiempo, asegúrese de agregar una resistencia de valor bajo (puede ser de 50 ohmios 1/4 vatio) con la puerta de cada uno de los MOSFET.
  • Esta resistencia responderá con la capacitancia de entrada del MOSFET y actuará como un filtro de paso bajo, asegurando una mejor estabilidad de frecuencia para la entrada de señal de alta frecuencia.
  • Sin embargo, en señales de entrada de alta frecuencia, estas resistencias pueden afectar el rendimiento de salida, pero esto puede ser demasiado pequeño y apenas perceptible.
  • El transistor Tr6 en realidad consta de dos MOSFET de canal n conectados en paralelo, lo mismo ocurre con Tr7, que también tiene un par de MOSFET de canal p en paralelo.
  • Para implementar esta conexión en paralelo, la puerta, el drenaje y la fuente de los respectivos pares MOSFET simplemente se unen entre sí, eso es todo, es tan simple como eso.
  • Además, tenga en cuenta que el condensador C8 y la resistencia R13 se instalan directamente en el enchufe de salida y no se ensamblan en la PCB.
  • Quizás el método más eficaz para construir la fuente de alimentación sea mediante cableado, como para la fuente de alimentación como se hizo con el amplificador anterior. El cableado es muy similar al de este circuito anterior.

Ajustes y configuraciones

  1. Antes de encender el circuito del amplificador completo, asegúrese de examinar cuidadosamente cada uno de los cables varias veces.
  2. Verifique específicamente el cableado de la fuente de alimentación y las interconexiones relevantes a través de los MOSFET de potencia de salida.
  3. Las fallas alrededor de estas conexiones podrían provocar rápidamente daños permanentes en la unidad amplificadora.
  4. Además, deberá realizar algunos ajustes previos antes de encender la placa completa.
  5. Comience girando el preajuste R11 completamente en sentido antihorario y no conecte inicialmente un altavoz a la salida de la unidad.
  6. A continuación, en lugar de un altavoz, conecte las sondas de su multímetro (configurado en un rango de CC de bajo voltaje) a través de los puntos de salida del amplificador y asegúrese de que muestre que el voltaje de salida bajo en reposo está disponible.
  7. Es posible que el medidor muestre un voltaje fraccional o que no tenga ningún voltaje, lo cual también está bien.
  8. En caso de que el medidor indique una gran tensión de CC, debe apagar inmediatamente el ampli fi cador y volver a comprobar si hay posibles errores en el cableado.

Conclusión

En el artículo anterior hemos analizado exhaustivamente los numerosos parámetros que desempeñan un papel crucial para garantizar el funcionamiento correcto y óptimo de un amplificador de potencia.

Todos estos parámetros son estándar y, por lo tanto, se pueden usar y aplicar de manera efectiva al diseñar cualquier circuito amplificador de potencia MOSFET, independientemente de las especificaciones de voltaje y vataje.

El diseñador podría utilizar las diferentes características detalladas con respecto a los dispositivos BJT y MOSFET para implementar o personalizar un circuito amplificador de potencia deseado.




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