使用MOSFET构建一个50瓦RMS输出功率放大器

功率放大器是音频电子学的一部分。它旨在最大化给定输入信号的功率f幅度。在声音电子学中，运算放大器增加了信号的电压，但无法提供驱动负载所需的电流。在本教程中，我们将使用 MOSFET 构建一个 50 瓦 RMS 输出功率放大器，并连接一个 8 欧姆阻抗扬声器。

放大器的结构拓扑

在放大器链系统中，功率放大器用于负载前的最后或最后阶段。通常，声音放大器系统使用以下拓扑结构，如框图所示。

如上框图所示，功率放大器是直接连接到负载的最后一级。通常，在功率放大器之前，使用前置放大器和电压控制放大器校正信号。此外，在某些情况下，如果需要音调控制，则在功率放大器之前添加音调控制电路。

了解您的负载

在音频放大器系统的情况下，放大器的负载和负载驱动能力是结构中的一个重要方面。功率放大器的主要负载是扬声器。功率放大器的输出取决于负载阻抗，因此连接不正确的负载可能会影响功率放大器的效率和稳定性。

扬声器是一个巨大的负载，充当感性和电阻性负载。功率放大器提供交流输出，因此扬声器的阻抗是正确功率传输的关键因素。

阻抗是电子电路或元件对交流电的有效电阻，由与欧姆电阻和电抗相关的综合效应产生。

在音频电子中，不同类型的扬声器具有不同的阻抗，具有不同的瓦数。扬声器阻抗可以通过管道内水流之间的关系来最好地理解。就把扬声器想象成水管，流过水管的水就是交替的音频信号。现在，如果管道的直径变大，水就很容易流过管道，水量就会变大，如果我们减小直径，流过管道的水就越少，所以水量就会越小。直径是由欧姆电阻和电抗产生的效应。如果管道直径变大，阻抗会很低，因此扬声器可以获得更多的瓦数，放大器提供更多的功率传输场景，如果阻抗变高，则放大器将为扬声器提供更少的功率。

市场上有不同的选择以及不同细分市场的扬声器，通常有 4 欧姆、8 欧姆、16 欧姆和 32 欧姆，其中 4 欧姆和 8 欧姆扬声器以便宜的价格广泛可用。此外，我们需要了解，具有 5 瓦、6 瓦或 10 瓦甚至更高的放大器是 RMS（均方根）瓦数，由放大器在连续运行中输送到特定负载。

因此，我们需要注意扬声器额定值、放大器额定值、扬声器效率和阻抗。

简单50W放大器的结构

在之前的教程中，我们制作了 10 瓦功率放大器、25 瓦功率放大器和 40 瓦功率放大器。但在本教程中，我们将使用 MOSFET 设计一个 50 W RMS 输出功率放大器。在之前的教程中，我们使用了专用功率放大器IC，TDA2040用于25瓦和40瓦放大器，但在此设计中，我们将使用免费的N和P沟道MOSFET对来获得50瓦的功率输出。输出将非常稳定，THD将最小。我们将用它驱动 8 欧姆负载。

我们使用了两种广受欢迎的互补MOSFET，IRF530N和IRF9530N，它们在本地商店和网上商店都可以买到。

在上图中，左边是IRF530N，右边是IRF9530N。两者都是 TO-220AB 封装。

这两个 MOSFET 产生推挽式操作，以驱动 8 欧姆 50 瓦 RMS 扬声器。

所需组件

为了构建电路，我们需要以下组件-

Vero 板（任何人都可以使用虚线或连接）

烙铁

焊锡丝

钳子和剥线钳工具

电线

细铝散热器，厚度为2mm，尺寸为50mm x 30mm。

35V轨到轨电源，+35V GND -35V电源轨道输出

8 欧姆 50 瓦扬声器

电阻器（10R、300R、560R、680R、820R、1.2k、2.2k、10k、15k） – 1nos。

电阻器（2.7k、4.7k、47k）– 2 nos。

100uF 63V 电容器

47uF 63V 电容器 – 2 个

68nF 100V

220pF 50V

1n4002 二极管

红外代码版 IRF530

红外代码版 IRF9530

.1uH 空心电感器 5A 额定电流

BC556 -2 件

BC546 – 2 件

电路图及说明

这款50 瓦音频放大器的原理图有几个级。在放大开始时，低通滤波器会阻挡高频噪声。该低通滤波器是使用 R1、R2 和 C1 创建的。电阻R1和R2有两种操作，首先是低通滤波器的一部分，其次是分压器和限流器。

在电路的第二级，作为BC556晶体管的Q1和Q2用作差分放大器。

接下来，功率放大在两个MOSFET上完成，IRF530N和IRF9530。这两个MOSFET是互补和匹配的对。两个MOSFET具有相同的规格，但一个是N沟道，另一个是P沟道。这是电路的重要组成部分。这两个MOSFET充当推挽式驱动器（一种广泛使用的放大拓扑或架构）。为了驱动这两个MOSFET（Q3和Q4），使用了BC546。这两个晶体管为 MOSFET 提供足够的栅极驱动。R15 是一款高瓦数电阻器，用作箝位电路，电容器 68nF 并添加了 1uH 电感器，可为 8 欧姆扬声器提供稳定的放大。

测试 50 瓦放大器电路

我们使用Proteus仿真工具来检查电路的输出;我们测量了虚拟示波器中的输出。您可以查看下面给出的完整演示视频

我们使用+/- 35V为电路供电，并提供输入正弦信号。示波器的通道 A（黄色）连接在输出端，负载为 8 欧姆，输入信号连接在通道 B（蓝色）上。

放大器功率计算

我们使用一个简单的公式来计算放大器的瓦数-

Amplifier Wattage = V2 / R

我们在输出端连接了一个交流万用表。万用表中显示的交流电压是峰峰值交流电压。

我们提供了25-50Hz的极低频正弦信号。与低频一样，放大器将向负载提供更多电流，万用表将能够正确检测交流电压。

万用表显示+20.1V AC。因此，根据公式，功率放大器在 8 欧姆负载下的输出为

Amplifier Wattage = 20.12 / 8

Amplifier Wattage =

50.50 

(50W approximately)

构建 50W 功率放大器时要记住的事情

构建电路时，需要在功率放大器级将MOSFET与散热器正确连接。较大的散热器提供更好的结果。

最好使用音频级额定箱型电容器以获得更好的结果。

将PCB用于音频相关应用始终是一个不错的选择.

使差分放大器的走线较短，并尽可能靠近输入走线。

将音频信号线与嘈杂的电源线分开。

注意迹线的厚度。由于这是 50 W 设计，因此需要更大的电流路径，因此请最大化走线宽度。

需要在整个电路中创建接地层。保持接地返回路径尽可能短。

取得更好的结果

在这种 50 瓦设计中，几乎无法进行改进以获得更好的输出。

在正负电源轨道上增加额定电压至少为63V的220uF去耦电容。

使用 1% 额定 MFR 电阻器以获得更好的稳定性。

将 1N4002 二极管更换为 UF4007。

用 1k 电位计更换 R13，以控制功率 MOSFET 两端的静态电流。

使用环形电感器代替 .25uH 5A 的空芯。

在输出端添加保险丝，它将在扬声器过载或输出短路情况下保护电路。