tda2040とトランジスタペアを使用した40ワットのオーディオアンプ

パワーアンプはサウンド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、TDA2040パワーアンプICと、4オームのインピーダンススピーカーが接続された2つのパワートランジスタを使用して40Wアンプを構築します。

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。

オーディオエレクトロニクスでは、さまざまなタイプのスピーカーがさまざまなワット数で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りますが、そのため、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40Wアンプの構築

以前のチュートリアルでは、オペアンプとパワートランジスタを使用して10ワットの増幅器を作成し、TDA2040を使用して25ワットの増幅器も作成しました。しかし、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を駆動する40Wパワーアンプを構築します。25ワットのパワーアンプで使用したものと同じTDA2040を使用しますが、40ワットのパワー出力を得るには、追加のパワートランジスタを使用します。

上の画像では、TDA2040が示されています。これは、ほとんどの一般的なオンラインショップとeBayで入手できます。このパッケージは、5つの出力ピンを備えた「ペンタワット」パッケージと呼ばれます。ピン配置図は非常にシンプルで、データシートで入手できます。

タブはピン3または–V（負の電源）に接続されています。言うまでもなく、タブに接続されているヒートシンクも同じ接続になります。

データシートを確認すると、このパワーアンプICの特徴もわかります。

ICの機能はかなり良いです。アースへの短絡保護を提供します。また、熱保護は、過負荷状態のために追加の安全機能を提供します。ご覧のとおり、TDA2040は、+ / -17V出力の分割電源が接続されている場合、4オームの負荷に25ワットの出力を提供できます。このような場合、THD（Total Harmonic Distortion）は0.5％になります。同じ構成で、30ワットの出力が得られた場合、THDは10％になります。

また、データシートには、供給電圧と出力ワット数の関係を示す別のグラフがあります。

グラフを見ると、15V以上の出力の分割電源を使用すると、26W以上の出力電力を実現できます。

したがって、すでに見てきたように、TDA2040を介して25ワットの連続出力を達成することが可能です。しかし、40ワットのパワーアンプを作りたいと思っています。したがって、この追加の15ワットでは、2つのパワートランジスタNPNとPNPを追加して、4オームのスピーカー全体に追加の増幅と出力ワット数を提供する必要があります。

この追加の電力増幅を実現するために、マッチドペアトランジスタBD712およびBD711パワートランジスタを使用しました。両方のトランジスタはTO-220Cパッケージで入手できます。

BD711とBD712のピン配置図は次のとおりです。

THDを損なうことなく完全に動作させるには、40ワットの出力を実現するために36Vの電源が必要です。この回路は15Vから40VDCを使用して電力を供給できますが。

必要なコンポーネント

回路を構築するには、次のコンポーネントが必要です-

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. アルミヒートシンクKS-58
7. 36Vシングル電源
8. 4オーム40ワットスピーカー
9. 4個の1.5R抵抗器1/2ワット抵抗器
10. 4本100kの抵抗の1/4^番目のワット
11. 12k抵抗
12. 定格電力2ワットの1R抵抗器
13. 470nFコンデンサ
14. 100uFコンデンサ
15. TDA2040
16. 1N4148ダイオード2個
17. 220nFコンデンサ
18. 2200uFコンデンサ
19. 4.7uFコンデンサ
20. BD711とBD712のトランジスタペア。

回路図と説明

回路図は40ワットのオーディオアンプです。TDA2040は信号を増幅し、25ワットのRMSワット数を提供します。追加の電力増幅は、BD711およびBD712トランジスタペアを使用して行われます。入力コンデンサ470nFは、AC信号のみを通過させるDCブロッキングコンデンサです。重要なことの1つは、単一電源電圧です。アンプは単一電源を使用して電力を供給されるため、アンプが正と負の両方のピークで信号を増幅できるように、入力信号を数ボルト以上に持ち上げる必要があります。抵抗R6、R9およびR7、R8は、パワートランジスタとパワーアンプにバイアス電圧を供給しています。R10とC5は、ラウドスピーカーの巨大な誘導負荷からアンプを保護するためのスナバまたはRCクランプ回路です。

40ワットのアンプ回路のテスト

プロテウス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。

36VDC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。オシロスコープは、チャネルA（黄色）の4オームの負荷に対して出力の両端に接続され、入力信号はチャネルB（青色）の両端に接続されています。

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。

非常に低周波の正弦波信号200Hz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+ 12.5VAC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= 12.5 ² /4増幅器ワット数= 39.06（約40W）

40wアンプを構築する際に覚えておくべきこと

回路を構築するときは、パワーアンプTDA2040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。また、より良い結果を得るために、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。

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。PCBを構築する最良の方法は、ICメーカーのガイドラインを参照することです。

1. 不要なノイズ結合を減らすために、オーディオ信号トレースをできるだけ短くします。
2. パワートランジスタは適切なヒートシンクに接続する必要があります。KS-58シリーズヒートシンクを使用できます。
3. 単一の大きなヒートシンクを使用せず、TDA2040、BD711、およびBD712を修正してください。個別のコンポーネントには個別のヒートシンクを使用してください。そうしないと、短絡状態が発生します。
4. スピーカーのワット数に注意してください。そうしないと、スピーカーが焼けたり損傷したりする可能性があります。
5. クランプやスナバ回路を取り外さないでください。パワートランジスタやパワーアンプの安全性にとって非常に重要です。
6. アンプに大きな増幅信号を印加しないでください。THDが増加します。