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2025 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2025-01-13 06:56
Hallo Leute!
Dieses Projekt ist das Design und die Implementierung eines Low Power Audio-Verstärkers mit MOSFETs. Das Design ist denkbar einfach und die Komponenten sind leicht verfügbar. Ich schreibe dieses instructable, da ich selbst eine Menge Schwierigkeiten hatte, nützliches Material in Bezug auf das Projekt und eine einfache Methode für die Implementierung zu finden.
Ich hoffe, Sie genießen das Lesen des instructable und ich bin sicher, dass es Ihnen helfen wird.
Schritt 1: Einführung
"Ein Audio-Leistungsverstärker (oder Leistungsverstärker) ist ein elektronischer Verstärker, der unhörbare elektronische Audiosignale mit geringer Leistung wie das Signal von einem Radioempfänger oder einem E-Gitarren-Pickup auf einen Pegel verstärkt, der stark genug ist, um Lautsprecher oder Kopfhörer anzutreiben."
Dies umfasst sowohl Verstärker, die in Heim-Audiosystemen verwendet werden, als auch Musikinstrumentenverstärker wie Gitarrenverstärker.
Der Audioverstärker wurde 1909 von Lee De Forest erfunden, als er die Trioden-Vakuumröhre (oder "Ventil" in britischem Englisch) erfand. Die Triode war ein Gerät mit drei Anschlüssen mit einem Steuergitter, das den Elektronenfluss vom Glühfaden zur Platte modulieren kann. Der Trioden-Vakuumverstärker wurde verwendet, um das erste AM-Radio zu bauen. Frühe Audio-Leistungsverstärker basierten auf Vakuumröhren. Heutzutage werden dagegen Verstärker auf Transistorbasis verwendet, die leichter, zuverlässiger und wartungsärmer sind als Röhrenverstärker. Anwendungen für Audioverstärker umfassen Heimaudiosysteme, Konzert- und Theaterbeschallung und Beschallungssysteme. Die Soundkarte eines Personal Computers, jeder Stereoanlage und jedes Heimkinosystems enthält einen oder mehrere Audioverstärker. Weitere Anwendungen sind Instrumentenverstärker wie Gitarrenverstärker, Profi- und Amateurfunk sowie tragbare Konsumgüter wie Spiele und Kinderspielzeug. Der hier vorgestellte Verstärker verwendet Mosfets, um die gewünschten Spezifikationen eines Audioverstärkers zu erreichen. Verstärkung und Leistungsstufe werden im Design verwendet, um die erforderliche Verstärkung und Bandbreite zu erreichen.
Schritt 2: Design und einige wichtige Verstärkerstufen
Die Spezifikationen des Verstärkers umfassen:
Leistung 0,5 W.
Bandbreite 100Hz-10KHz
VERSTÄRKUNG DES SCHALTKREISES: Das erste Ziel besteht darin, eine beträchtliche Leistungsverstärkung zu erreichen, die ausreicht, um ein rauschfreies Audiosignal am Ausgang über Lautsprecher zu erzeugen. Um dies zu erreichen, wurden im Verstärker folgende Stufen verwendet:
1. Verstärkungsstufe: Die Verstärkungsstufe verwendet eine mit einem Spannungsteiler vorgespannte Mosfet-Verstärkerschaltung. Die Schaltung mit Potentialteilervorspannung ist in Abbildung 1 dargestellt.
Es verstärkt einfach das Eingangssignal und erzeugt eine Verstärkung gemäß der Gleichung (1).
Verstärkung = [(R1 || R2)/ (rs+ R1 || R2)] * (-gm) * (rd || RD || RL) (1)
Dabei sind R1 und R2 die Eingangswiderstände, rs der Source-Widerstand, RD der Widerstand zwischen Vorspannung und Drain und RL der Lastwiderstand.
gm ist die Transkonduktanz, die als das Verhältnis der Änderung des Drainstroms zur Änderung der Gatespannung definiert ist.
Es wird gegeben als
gm = Delta (ID) / Delta (VGS) (2)
Um die gewünschte Verstärkung zu erzielen, wurden drei mit Potentialteiler vorgespannte Schaltungen in Reihe geschaltet, und die Gesamtverstärkung ist das Produkt der Verstärkungen der einzelnen Stufen.
Gesamtverstärkung = A1*A2*A3 (3)
Wobei A1, A2 und A3 die Verstärkungen der ersten, zweiten bzw. dritten Stufe sind.
Die Stufen sind mit Hilfe von zusammengeschalteten Kondensatoren, die RC-gekoppelt sind, voneinander isoliert.
2. Leistungsstufe: Ein Gegentaktverstärker ist ein Verstärker mit einer Ausgangsstufe, die einen Strom in beide Richtungen durch die Last treiben kann.
Die Ausgangsstufe eines typischen Gegentaktverstärkers besteht aus zwei identischen BJTs oder MOSFETs, von denen einer Strom durch die Last liefert, während der andere den Strom von der Last ableitet. Push-Pull-Verstärker sind Single-Ended-Verstärkern (die einen einzelnen Transistor am Ausgang zum Treiben der Last verwenden) in Bezug auf Verzerrung und Leistung überlegen. Ein Single-Ended-Verstärker, wie gut er auch ausgelegt sein mag, wird aufgrund der Nichtlinearität seiner dynamischen Übertragungseigenschaften sicherlich eine gewisse Verzerrung einführen.
Gegentaktverstärker werden häufig in Situationen verwendet, in denen eine geringe Verzerrung, ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Ausgangsleistung erforderlich sind.
Die grundlegende Funktionsweise eines Gegentaktverstärkers ist wie folgt:
"Das zu verstärkende Signal wird zunächst in zwei identische Signale um 180° phasenverschoben aufgespalten. Im Allgemeinen erfolgt diese Aufteilung unter Verwendung eines Eingangskopplungstransformators. Der Eingangskopplungstransformator ist so angeordnet, dass ein Signal an den Eingang eines Transistors angelegt wird und die ein anderes Signal wird an den Eingang des anderen Transistors angelegt."
Vorteile des Gegentaktverstärkers sind geringe Verzerrung, das Fehlen magnetischer Sättigung im Kopplungstransformatorkern und die Aufhebung der Welligkeit der Stromversorgung, was zu einem Fehlen von Brummen führt, während die Nachteile die Notwendigkeit von zwei identischen Transistoren und die Notwendigkeit einer sperrigen und kostspieligen Kopplung sind Transformer. Als letzte Stufe der Audioverstärkerschaltung wurde eine Leistungsverstärkungsstufe kaskadiert.
HÄUFIGKEITSREAKTION DES SCHALTKREISES:
Die Kapazität spielt eine dominierende Rolle bei der Gestaltung des Zeit- und Frequenzgangs moderner elektronischer Schaltungen. Die Rolle verschiedener Kondensatoren in Kleinsignal-MOSFET-Verstärkerschaltungen wurde einer umfangreichen und eingehenden experimentellen Untersuchung unterzogen.
Besonderer Wert wurde darauf gelegt, grundlegende Probleme im Zusammenhang mit Kapazitäten in MOSFET-Verstärkern anzugehen, anstatt das Design zu modifizieren. Für das Experiment wurden drei verschiedene n-Kanal-MOSFETs mit Anreicherung (Modell 2N7000, nachfolgend als MOS-1, MOS-2 und MOS-3) bezeichnet, hergestellt von Motorola Inc., verwendet. Die Studie deckt einige wichtige Neuerungen der Verstärker auf. Es weist darauf hin, dass beim Design von Kleinsignal-MOS-Verstärkern nie davon ausgegangen werden sollte, dass Koppel- und Bypass-Kondensatoren als Kurzschluss wirken und keinen Einfluss auf die Eingangs- und Ausgangswechselspannungen haben. Tatsächlich tragen sie zu den Spannungspegeln sowohl am Eingangs- als auch am Ausgangsport des Verstärkers bei. Wenn sie für Kopplungs- und Bypass-Operationen mit Bedacht gewählt werden, bestimmen sie die tatsächliche Spannungsverstärkung des Verstärkers bei verschiedenen Frequenzen des Eingangssignals.
Die unteren Grenzfrequenzen werden durch die Werte der Koppel- und Bypass-Kondensatoren bestimmt, während die obere Grenzfrequenz durch die Shunt-Kapazität entsteht. Diese Shunt-Kapazität ist die zwischen den Übergängen des Transistors vorhandene Streukapazität.
Die Kapazität ergibt sich aus der Formel.
C = (Fläche * Ebsilon) / Entfernung (4)
Der Wert der Kondensatoren wird so gewählt, dass die Ausgangsbandbreite zwischen 100-10 KHz liegt und das Signal oberhalb und unterhalb dieser Frequenz gedämpft wird.
Zahlen:
Abbildung.1 Potentialteiler-vorgespannte MOSFET-Schaltung
Abbildung.2 Leistungsverstärkerschaltung mit BJT
Abbildung.3 Frequenzgang von MOSFET
Schritt 3: Software- und Hardwareimplementierung
Die Schaltung wurde mit der PROTEUS-Software entworfen und simuliert, wie in Abbildung 4 gezeigt. Die gleiche Schaltung wurde auf der Leiterplatte implementiert und es wurden dieselben Komponenten verwendet.
Alle Widerstände sind für 1 Watt und Kondensatoren für 50 Volt ausgelegt, um Schäden zu vermeiden.
Die Liste der verwendeten Komponenten ist unten aufgeführt:
R1, R5, R9 = 1MΩ
R2, R6, R11 = 68Ω
R3, R7, R10 = 230KΩ
R4, R8, R12 = 1KΩ
R13, R14 = 10KΩ
C1, C2, C3, C4, C5 = 4,7µF
C6, C7 = 1,5µF
Q1, Q2, Q3 = 2N7000
Q4 = TIP122
Q5 = TIP127
Die Schaltung besteht einfach aus drei in Kaskade geschalteten Verstärkungsstufen.
Verstärkungsstufen sind über RC-Kopplung verbunden. RC-Kopplung ist die am weitesten verbreitete Kopplungsmethode in mehrstufigen Verstärkern. In diesem Fall ist der Widerstand R der am Source-Anschluss angeschlossene Widerstand und der Kondensator C ist zwischen die Verstärker geschaltet. Er wird auch als Sperrkondensator bezeichnet, da er die Gleichspannung blockiert. Der Eingang erreicht nach dem Durchlaufen dieser Stufen die Leistungsstufe. Die Leistungsstufe verwendet BJT-Transistoren (ein npn und ein pnp). Am Ausgang dieser Stufe ist ein Lautsprecher angeschlossen und wir erhalten ein verstärktes Audiosignal. Das Signal, das der Schaltung zur Simulation zugeführt wird, ist eine Sinuswelle von 10 mV und der Ausgang am Lautsprecher ist eine Sinuswelle von 2,72 V.
ZAHLEN:
Abbildung.4 PROTEUS-Schaltung
Abbildung.5 Verstärkungsstufe
Abbildung.6 Leistungsstufe
Abbildung.7 Ausgang der Verstärkungsstufe 1 (Gain = 7)
Bild.8 Ausgang der Verstärkungsstufe 2 (Gain = 6,92)
Bild.9 Ausgang der Verstärkungsstufe 3 (Gain = 6,35)
Abbildung.10 Ausgang von drei Verstärkungsstufen (Total Gain = 308)
Abbildung.11 Ausgang am Lautsprecher
Schritt 4: PCB-LAYOUT
Auf der Platine wurde die in Abbildung 4 gezeigte Schaltung implementiert.
Oben sind einige Ausschnitte des Softwaredesigns der Leiterplatte
ZAHLEN:
Abbildung.12 PCB-Layout
Abbildung.13 PCB-Layout (pdf)
Abb.14 3D-Ansicht (OBEN ANSICHT)
Abbildung.15 3D-Ansicht (UNTEREN ANSICHT)
Abbildung 16 Hardware (BOTTOM VIEW) Draufsicht bereits im ersten Bild vorhanden
Schritt 5: Fazit
Unter Verwendung der hohen Verstärkung und der hohen Eingangsimpedanz von Kurzkanal-Leistungs-MOSFETs wurde eine einfache Schaltung entwickelt, um Verstärker mit einer Ausgangsleistung von bis zu 0,5 Watt ausreichend anzusteuern.
Es bietet eine Leistung, die die Kriterien für eine qualitativ hochwertige Audiowiedergabe erfüllt. Wichtige Anwendungen sind Beschallungssysteme, Beschallungssysteme für Theater und Konzerte und Heimsysteme wie Stereo- oder Heimkinosysteme.
Instrumentenverstärker, einschließlich Gitarrenverstärker und elektrische Tastaturverstärker, verwenden ebenfalls Audioverstärker.
Schritt 6: Besonderer Dank
Besonders danke ich den Freunden, die mir geholfen haben, die Ergebnisse dieses Projekts zu erreichen.
Ich hoffe, Sie haben dieses instructable genossen. Für jede Hilfe würde ich mich über einen Kommentar freuen.
Bleib gesegnet. Mach's gut:)
Tahir Ul Haq, EE ABTEILUNG, UET
Lahore, Pakistan