MOSFETを使用した100ワットのパワーアンプ回路

パワーアンプはオーディオエレクトロニクスの一部です。これは、与えられた入力信号のパワーfの大きさを最大化するように設計されています。サウンドエレクトロニクスでは、オペアンプは信号の電圧を上げますが、負荷を駆動するために必要な電流を供給することができません。このチュートリアルでは 、4オームのインピーダンススピーカーが接続されたMOSFETとトランジスタを使用して100WRMS出力パワーアンプ回路を構築 します。

アンプの構造トポロジー

増幅器チェーンシステム、電力増幅器は、負荷前の最後又は最終段階で使用されます。一般的に、サウンドアンプシステムはブロック図に示されている以下のトポロジーを使用します

上のブロック図でわかるように、パワーアンプは負荷に直接接続されている最後のステージです。一般的に、パワーアンプの前に、信号はプリアンプと電圧制御アンプを使用して補正されます。また、トーンコントロールが必要な場合は、パワーアンプの前にトーンコントロール回路を追加します。

あなたの負荷を知る

オーディオアンプシステムの場合、 アンプの負荷と負荷駆動能力は構造上の重要な側面です。パワーアンプの 主な負荷はラウドスピーカーです。パワーアンプの出力は負荷インピーダンスに依存するため、不適切な負荷を接続すると、パワーアンプの効率と安定性が損なわれる可能性があります。

ラウドスピーカーは、誘導性および抵抗性の負荷として機能する巨大な負荷です。パワーアンプはAC出力を提供します。このため、スピーカーのインピーダンスは適切な電力伝達にとって重要な要素です。

インピーダンスは、交流に対する電子回路またはコンポーネントの実効抵抗であり、オーム抵抗とリアクタンスに関連する複合効果から生じます。

では オーディオエレクトロニクス、さまざまなタイプのスピーカーが、さまざまなワット数、さまざまなインピーダンスで利用できます。スピーカーのインピーダンスは、パイプ内の水の流れの関係を使用して最もよく理解できます。スピーカーを水道管と考えてください。パイプを流れる水は交流オーディオ信号です。さて、パイプの直径が大きくなると、水がパイプを流れやすくなり、水の量が多くなります。直径を小さくすると、パイプを流れる水が少なくなるため、水の量は次のようになります。下。直径は、オーム抵抗とリアクタンスによって作成される効果です。パイプの直径が大きくなるとインピーダンスが低くなるため、スピーカーはより多くのワット数を得ることができ、アンプはより多くの電力伝達シナリオを提供し、インピーダンスが高くなると、アンプはスピーカーに提供する電力が少なくなります。

さまざまな選択肢があり、スピーカーのさまざまなセグメントが市場で入手可能です。一般に、4オーム、8オーム、16オーム、および32オームで、そのうち4オームと8オームのスピーカーが安価で広く入手できます。また、5ワット、6ワット、または10ワット以上のアンプは、連続動作で特定の負荷にアンプから供給されるRMS（二乗平均平方根）ワット数であることを理解する必要があります。

したがって、スピーカーの定格、アンプの定格、スピーカーの効率、およびインピーダンスに注意する必要があります。

シンプルな100Wオーディオアンプ回路の構築

以前のチュートリアルでは、10Wパワーアンプ、25Wパワーアンプ、50Wパワーアンプを作成しました。ただし、このチュートリアルでは、MOSFETを使用して100ワットRMS出力パワーアンプを設計 し ます。

100ワットのアンプの構築では、複数のトランジスタとMOSFETが使用されます。重要なMOSFETとトランジスタの仕様とピン配列を見てみましょう。増幅器の増幅段階では、高電圧トランジスタMPSA43を使用しました。増幅器として機能する高電圧NPNトランジスタです。ピンアウトMPSA43 NPNトランジスタは-

2つの相補型中電力トランジスタMJE350とMJE340を使用しました。MJE350はTO-225パッケージの500mA PNPトランジスタであり、同一のNPNペアトランジスタはMJE340です。MJE340はMJE350と同じ仕様ですが、NPN中型パワートランジスタです。

両方のピン配置図を以下に示します-

最終段階では、2つのパワーMOSFETIRFP244とIRFP9240が使用されます。これら2つの組み合わせにより、4オームの負荷で100ワットRMSの電力出力が提供されます。

パワーアンプ回路に必要なコンポーネント

1. Veroボード（点線または接続されている人なら誰でも使用できます）
2. はんだごて
3. はんだワイヤー
4. ニッパーとワイヤーストリッパーツール
5. ワイヤー
6. 要件に応じたオーディオコネクタ
7. 厚さ5mm、寸法90 mm x45mmのファインアルミニウムヒートシンク。
8. + 40V GND-40Vパワートラック出力を備えた40Vレールツーレール電源
9. 4オーム100ワットスピーカー
10. 抵抗器の1/4^番目のワット（39R、390R、1K、1.5K、4.7K、15K、22K、33K、47K、150K） - 1nos。
11. 330R抵抗1/4^番目ワット- 3個
12. 10R抵抗器10ワット
13. 0.33R – 7ワット–2個
14. 0.22R –10ワット
15. 100nF 100Vコンデンサ–2個
16. 47uF100Vコンデンサ
17. 470pF 100V
18. 470nF 63V
19. 10pF 100V
20. 1n4002ダイオード
21. IRFP244
22. IRF9240
23. MJE350
24. MJE340
25. BC546 –2個
26. MPSA43 –3個

100Wオーディオアンプの回路図と説明

この100ワットのオーディオアンプの回路図に はいくつかの段階があります。第一段階の増幅の開始時に、フィルターセクションが不要な周波数ノイズをブロックします。このフィルターセクションは、R3、R4、およびC1、C2を使用して作成されます。

回路の第2ステージでは、 MPSA43トランジスタであるQ1とQ2が差動増幅器として機能し、信号を次の増幅ステージに供給します。

次に、電力増幅は2つのMOSFET、IRFP244N、およびIRF9240で実行されます。これらの2つのMOSFETは回路の重要な部分です。これらの2つのMOSFETは、プッシュプルドライバ（広く使用されている増幅トポロジまたはアーキテクチャ）として機能します。これらの2つのMOSFETQ5およびQ7を駆動するために、トランジスタMJE350およびMJE340が使用されます。これらの2つのパワートランジスタは、MOSFETを駆動するのに十分なゲート電流を提供します。R15とR14は、 MOSFETゲートを突入電流から保護するための電流制限抵抗です。 R12とR13でも同じことが起こり、突入電流ドライブから出力負荷を保護します。R18は、コンデンサ100nFとのクランプ回路として機能する高ワット数の抵抗器です。 R16は、追加の過電流保護も提供します。

100ワットのアンプ回路のテスト

Proteusシミュレーションツールを使用して、回路の出力を確認しました。仮想オシロスコープで出力を測定しました。 以下に示す完全なデモビデオを確認でき ます

+/- 40Vを使用して回路に電力を供給しており、入力正弦波信号が提供されます。オシロスコープのチャネルA（黄色）は4オームの負荷に対して出力に接続され、入力信号はチャネルB（青）に接続されます。

ビデオで入力信号と増幅された出力の出力差を見ることができます：-

また、出力ワット数を確認しました。前述のように、アンプのワット数は複数のものに大きく依存します。これは、スピーカーのインピーダンス、スピーカーの効率、アンプの効率、構造トポロジー、全高調波歪みなどに大きく依存します。アンプのワット数に依存する可能性のあるすべての要因を考慮または計算することはできませんでした。出力をチェックまたはテストする際に多くの要因を考慮する必要があるため、実際の回路はシミュレーションとは異なります。

アンプのワット数の計算

簡単な式を使用して、アンプのワット数を計算しました-

アンプのワット数= V ² / R

ACマルチメータを出力に接続しました。マルチメータに表示されるAC電圧は、ピークツーピークのAC電圧です。

25〜50Hzの非常に低周波の正弦波信号を提供しました。低周波数の場合と同様に、アンプはより多くの電流を負荷に供給し、マルチメータはAC電圧を適切に検出できるようになります。

マルチメータは+ 20.9VACを示しました。したがって、式によると、4オームの負荷でのパワーアンプの出力は次のようになります。

増幅器ワット数= 20.9 ² /4増幅器ワット数= 109.20（約100W以上）

100wオーディオアンプを構築する際に覚えておくべきこと

1. 回路を構築する際には、パワーアンプ段でMOSFETをヒートシンクに正しく接続する必要があります。ヒートシンクが大きいほど、より良い結果が得られます。パワートランジスタQ5とQ7は、小さなU字型のアルミニウムヒートシンクで適切にヒートシンクする必要があります。
2. より良い結果を得るには、オーディオグレード定格のボックスタイプのコンデンサを使用することをお勧めします。
3. オーディオ関連のアプリケーションにはPCBを使用することをお勧めします。
4. 差動アンプのトレースを短くし、入力トレースにできるだけ近づけます。
5. オーディオ信号線をノイズの多い電力線から分離してください。
6. トレースの厚さに注意してください。これは100ワットの設計であるため、より大きな電流パスが必要になり、トレース幅を最大化します。より良い電流の流れのために、最大ビアを備えた両面レイアウトで70ミクロンの銅板を使用することをお勧めします。
7. 回路全体にグランドプレーンを作成する必要があります。地上の戻り経路はできるだけ短くしてください。

より良い結果を達成する

この100ワットの設計では、出力を向上させるためにいくつかの改善を行うことができます。

1. 正と負の電力トラックの両端に少なくとも100V定格の4700uFデカップリングコンデンサを追加します。
2. 安定性を高めるために、定格1％のMFR抵抗を使用してください。
3. 1N4002ダイオードをUF4007に交換します。
4. R11を1kポテンショメータに変更して、パワーMOSFET間の静止電流を制御します。
5. 出力にヒューズを追加します。これにより、スピーカーのオーバードライブまたは出力の短絡状態で回路が保護されます。

また、他のオーディオアンプ回路を確認してください。

• TDA2040を使用した40ワットのオーディオアンプ
• 25ワットオーディオアンプ回路
• オペアンプを使用した10ワットのオーディオアンプ
• MOSFETを使用した50ワットのパワーアンプ回路