MOSFETを使用した50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、8オームのインピーダンススピーカーが接続されたMOSFETを使用して50ワットRMS出力パワーアンプを構築 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50Wアンプの構築

以前のチュートリアルでは、10ワットのパワーアンプ、25ワットのパワーアンプ、40ワットの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50ワットRMS出力パワーアンプを設計します。以前のチュートリアルでは、専用のパワーアンプICであるTDA2040を25ワットと40ワットのアンプに使用しましたが、この設計では、無料のペアNおよびPチャネルMOSFETを使用して50ワットのパワー出力を取得します。出力は非常に安定し、THDは最小になります。それで8オームの負荷を駆動します。

地元のショップやオンラインストアで広く入手できる、広く普及している2つの相補型MOSFETIRF530NとIRF9530Nを使用しました。

上の画像では、左側がIRF530N、右側がIRF9530Nです。どちらもTO-220ABパッケージです。

これらの2つのMOSFETは、8オーム50ワットRMSスピーカーを駆動するプッシュプル動作を作成します。

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. 厚さ2mm、寸法50 mm x30mmのファインアルミニウムヒートシンク。
7. + 35V GND-35Vパワートラック出力を備えた35Vレールツーレール電源
8. 8オーム50ワットスピーカー
9. 抵抗器（10R、300R、560R、680R、820R、1.2k、2.2k、10k、15k）–1個
10. 抵抗器（2.7k、4.7k、47k）–2nos。
11. 100uF63Vコンデンサ
12. 47uF 63Vコンデンサ–2個
13. 68nF 100V
14. 220pF 50V
15. 1n4002ダイオード
16. IRF530
17. IRF9530
18. .1uH空芯インダクタ5A定格
19. BC556-2個
20. BC546 –2個

回路図と説明

この50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。増幅の開始時に、ローパスフィルターが高周波ノイズをブロックします。このローパスフィルターは、R​​1、R2、およびC1を使用して作成されます。抵抗R1とR2には2つの動作があります。1つはローパスフィルタの一部であり、2つ目は分圧器と電流制限器です。

回路の第2段では、 BC556トランジスタであるQ1とQ2が差動増幅器として機能します。

次に、電力増幅は2つのMOSFET、IRF530NとIRF9530で実行されます。これらの2つのMOSFETは相補的で、ペアになっています。2つのMOSFETの仕様は同じですが、1つはNチャネルで、もう1つはPチャネルです。これ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MOSFET、Q3とQ4を駆動するために、BC546が使用されます。これらの2つのトランジスタは、MOSFETに十分なゲートドライブを提供します。R15は、コンデンサ68nFでクランプ回路として機能する高ワット数の抵抗器であり、8オームのラウドスピーカーに安定した増幅を提供するために1uHのインダクタが追加されています。

50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

+/- 35V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8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+ 20.1VACを示しました。したがって、式によると、8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= 20.1 ² /8増幅器ワット数= 50.50（約50W）

50wパワー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。
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50ワットの設計であるため、より大きな電流経路が必要になり、トレース幅を最大化します。
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50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63V定格の220uF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. R13を1kポテンショメータに変更して、パワーMOSFETの両端の静止電流を制御します。
5. .25uH5Aの空芯の代わりにトロイダルインダクタを使用します。
6. 出力にヒューズを追加すると、スピーカーのオーバードライブまたは出力短絡状態の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