Edukacyjny wzmacniacz mocy audio MOSFET, dla początkujących

Witam

Prezentuję wzmacniacz mocy audio dobry do nauki dla początkujących. Jeśli ktoś chce przesiąść się z TDA na MOSFET'a to jest to dobra alternatywa. Prosta konstrukcja wzorowana na AVT2625. Projekt powstał z potrzeby wymiany wzmacniacza w starym gramofonie, a do tego zaliczyłem dzięki niemu zajęcia projektowe.




Układ zasilany napięciem symetrycznym 2x25V, pasują do niego stare transformatory Unitry np. TS90/16, które kosztują grosze. W stopniu wejściowym znajduje się wzmacniacz operacyjny, ja zastosowałem TL071. Natomiast w stopniu końcowym jest przeciwsobna para tranzystorów u mnie IRFP9240/IRFP240, ale można spokojnie zastosować dużo tańsze IRF530 i IRF9530. Posiada układ regulacji prądu spoczynkowego, popularny oparty o BD139. Wzmacniacz został dość dobrze pomierzony, w dalszej części wrzucę kilka wyników. Jeśli ktoś się zdecyduje wykonać ten wzmacniacz to polecam ustalić prąd spoczynkowy na ok 30 mA co odpowiada spadkowi napięcia na rezystorach drenowych 15 mV. Nie polecam zasilania niższym napięciem niż 25V ponieważ mogą pojawić się zniekształcenia.
Współczynnik THD : 0,06% (Uwe 1V, 1 kHz)
Maksymalne napięcie wejściowe : 1 Vpp
Pasmo przenoszenia: 2 Hz - 30 kHz
Moc RMS: 16W (8R)
Wzmocnienie: 14x



Można spokojnie uzyskać większe moce zmieniając wzmacniacz operacyjny, oraz zwiększając wzmocnienie i oczywiście podnosząc zasilanie, należy jednak pamiętać by nie przekroczyć maksymalnej mocy na diodach D3 i D4. Polecam dla świętego spokoju wstawić 5W. U mnie gra przy 1W ale są dość ciepłe. Tranzystory nie parzą. Po kilku godzinach grania na max radiator można spokojnie złapać. Takie a nie inne umiejscowienie radiatora to pomysł prowadzącego projekt. Do małych mocy wystarczy tyle miejsca. Płytka ma wymiar 170x90 mm.
W załączniku schemat, projekt płytki i wykaz elementów. Dorzucam też model do LTSpice, można sobie posymulować i zobaczyć jak działa.

Jak słusznie zauważono w schemacie występuje tranzystor BD139, którego nie ma w bibliotekach LT. Model jaki posiadam pochodzi ze strony onsemi.com oto on:

**************************************
* Model Generated by MODPEX *
*Copyright(c) Symmetry Design Systems*
* All Rights Reserved *
* UNPUBLISHED LICENSED SOFTWARE *
* Contains Proprietary Information *
* Which is The Property of *
* SYMMETRY OR ITS LICENSORS *
* Modeling services provided by *
* Interface Technologies www.i-t.com *
**************************************
.MODEL Qbd139 npn
+IS=1e-09 BF=222.664 NF=0.85 VAF=36.4079
+IKF=0.166126 ISE=5.03418e-09 NE=1.45313 BR=1.35467
+NR=1.33751 VAR=142.931 IKR=1.66126 ISC=5.02557e-09
+NC=3.10227 RB=26.9143 IRB=0.1 RBM=0.1
+RE=0.000472454 RC=1.04109 XTB=0.727762 XTI=1.04311
+EG=1.05 CJE=1e-11 VJE=0.75 MJE=0.33
+TF=1e-09 XTF=1 VTF=10 ITF=0.01
+CJC=1e-11 VJC=0.75 MJC=0.33 XCJC=0.9
+FC=0.5 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.5
+TR=1e-07 PTF=0 KF=0 AF=1
* Model generated on Feb 14, 2004
* Model format: PSpice

Żeby go użyć wchodzimy w folder, w którym Spice jest zainstalowany, wchodzimy w lib następnie w cmp i otwieramy przy pomocy LTSpice standard bjt i żywcem kopiujemy kod modelu jaki wrzuciłem na wzór tych, które już tam są. Symulacja gotowa.

Co do odsłuchu u mnie gra on z zasilaniem z TS90/16, mostek 8A. Obciążenie to głośnik Thomsona 20W 4R. Gra fajnie czysto i wystarczająco głośno jak na pokój 15m2. Polecam także ekranowany kabel sygnałowy by wyeliminować wszelkie buczenia.

Pozdrawiam

Nie wziąłeś pod uwagę kilku rzeczy.
W tym rozwiązaniu układowym moc maksymalna jest ograniczona napięciem zasilania wzmacniacza operacyjnego. Zwiększanie napięcia zasilania tu nic nie pomoże, a jedynie zwiększy straty. Teoretycznie nie da się uzyskać więcej niż 14W przy 8R (bez zniekształcenia sygnału).
W bardziej typowych rozwiązaniach wzmacniacz operacyjny jest połączony w ten sposób, że wyjście jest połączone z masą, a tranzystory mocy są sterowane prądem w gałęziach zasilania wzmacniacza operacyjnego.
Tranzystory z serii IRFP średnio nadają się do wzmacniacza klasy Hi-Fi, mają bardzo dużą pojemność bramki.
Problem w uzyskaniu szybkości wzmacniacza mają rezystory znajdujące się R7, R8 znajdujące się między wyjściem wzmacniacza operacyjnego a bramkami tranzystorów mocy.
Na pewno znajdą się osoby które będą kwestionować sens wykorzystania wzmacniacza operacyjnego z serii TL ze względu na jakość dźwięku.
Jako wzmacniacz dla początkujących - moim zdaniem dla początkujących, ale do dalszych zabaw i modyfikacji.

Tak dokladnie do zabaw i modyfikacji. Wziąłem TL bo byl pod ręką no i kosztuje 1,5zl. No i oczywiście podnosząc napięcie trzeba zaopatrzyć sie w inny wzmacniacz operacyjny na wyższe napięcie. O ile pamiętam seria AD jest zasilana +/- 22 chyba. Tak jak pisałem do zabawy i testów jest fajny. Wiele osób nie chce sie brać za mosfety bo nie wie czy da rade. Ten wzmacniacz można złożyć za najwyzej 30 zl. Sprzęt hi-fi to nie będzie;) Ze względu na pojemność bramki lepiej jest stosować tranzystory z serii 530 będą szybsze. Poza tym producenci IRFow podają czasy przełączania bardzo dobre. Lepsze od Toshiby audio.

Znalezienie wzmacniacza operacyjnego na wysokie napięcie może być bardziej kłopotliwe dla początkujących.
Wzmacniacz ten, jak każdy inny oparty na MOSFETach, przy niskich napięciach zasilania nie uzyska pełnej mocy wyjściowej ze względu na napięcie Uds tranzystorów wyjściowych (ok. 4V). Trzeba stosować wyższe napięcie zasilania stopnia sterującego lub układy bootstrap lub powielaczy napięcia (jak w tamtej konstrukcji z AVT).
Odbiegając już trochę od tematu, w datasheet jednego układu scalonego znalazłem ciekawe rozwiązanie stopnia końcowego. Wycinek przedstawiam w załączniku.
Tranzystory końcowe NPN/PNP zostały odwrócone, bardziej fachowo mówiąc pracują one w układzie wspólnego emitera, zamiast wspólnego kolektora jak to zazwyczaj się realizuje. Dzięki temu spadki napięć na tranzystorach wyjściowych zostały zredukowane niemal do zera. Idealne rozwiązanie do urządzeń mobilnych, zasilanych z bardzo niskiego napięcia. Takie rozwiązanie warto byłoby przebadać.

Możesz podać co to wzmacniacz operacyjny? Zasilanie można zrobić na DC-DC step-up. Nawet samemu zaprojektować można taką przetwornice.
Stopień końcowy jaki wrzuciłeś przypomina trochę rozwiązania z klasy G. Myślę właśnie nad taką końcówką, ale trzeba przewertować zagraniczną literaturę.

kula001 napisał:

Tak dokladnie do zabaw i modyfikacji. Wziąłem TL bo byl pod ręką no i kosztuje 1,5zl. No i oczywiście podnosząc napięcie trzeba zaopatrzyć sie w inny wzmacniacz operacyjny na wyższe napięcie. O ile pamiętam seria AD jest zasilana +/- 22 chyba. Tak jak pisałem do zabawy i testów jest fajny. Wiele osób nie chce sie brać za mosfety bo nie wie czy da rade. Ten wzmacniacz można złożyć za najwyzej 30 zl. Sprzęt hi-fi to nie będzie;) Ze względu na pojemność bramki lepiej jest stosować tranzystory z serii 530 będą szybsze. Poza tym producenci IRFow podają czasy przełączania bardzo dobre. Lepsze od Toshiby audio.

Co ma maksymalne napięcie zasilania wzmacniacza operacyjnego do mocy stopnia końcowego w w tym układzie?
Najważniejsze wartości graniczne lub minimalne dla wzmacniaczy Hi-Fi (ustalone w normie DIN 45 500

Znamionowa moc wyjściowa stopni mocy oraz wzmacniaczy mocy powinna wynosić co najmniej:

dla wzmacniaczy monofonicznych 10 W
dla wzmacniaczy stereofonicznych 2 × 6 W

Znormalizowane wartości znamionowej rezystancji obciążenia: 2, 4, 8, 16, 32, 40, 100, 400, 800 Ω, przy czym zalecane są wartości 4 Ω i 16 Ω.

Współczynnik zawartości harmonicznych (zmierzony wg DIN 45 403) nie powinien przekraczać 1%:

dla wzmacniaczy w zakresie 40 Hz ÷ 4 kHz i pełnym wysterowaniu,
dla stopni i wzmacniaczy mocy przy szerokości pasma co najmniej 40 Hz do 12,5 kHz, w zakresie od pełnego wysterowania (od znamionowej mocy wyjściowej) do poziomu -20 dB.

Współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych (częstotliwości pomiarowe 250 Hz i 8 kHz o stosunku amplitud 4 : 1, zmierzony wg DIN 45 403) nie powinien przy znamionowej mocy wyjściowej przekraczać 3%.

Szerokość pasma przenoszenia mocy (przy współczynniku zawartości harmonicznych 1%) powinna wynosić co najmniej 40 Hz ÷ 12,5 kHz.

Współczynnik niedopasowania w zakresie 40 Hz ÷ 12,5 kHz powinien wynosić co najmniej 3. Najmniejsze wartości rezystancji wejściowej: 470 kΩ (przy wejściu bez korekcji) oraz 47 kΩ z korekcją dostosowującą wzmacniacz do współpracy z magnetyczną wkładką gramofonową.

Znamionowe napięcia wejściowe (w wartościach skutecznych) nie powinny być większe niż: 500 mV (przy wejściu bez korekcji), 5 mV (przy wejściu 47 kΩ, zmierzone przy 1 kHz).

Pasmo przenoszenia zawiera się w granicach co najmniej 40 Hz ÷ 16 kHz. Względny współczynnik przenoszenia mierzony w stosunku do wartości odpowiadającej częstotliwości 1 kHz nie może być większy niż:

dla wejścia bez korekcji ±1,5 dB,

dla wejścia skorygowanego ±2,0 dB.

Względny współczynnik przenoszenia obu kanałów stereofonicznych odniesiony do wartości przy 1 kHz, w zakresie pasma przenoszenia, nie powinien przekraczać:

dla wzmacniaczy bez regulacji zrównoważenia układu ±3 dB,

dla wzmacniaczy z regulacją zrównoważenia układu w granicach ±8 ÷ ±6 dB.

Względne tłumienie przesłuchu między dwoma kanałami stereofonicznymi powinno wynosić przy 1 kHz co najmniej 40 dB, w zakresie 250 Hz ÷ 10 kHz co najmniej 30 dB, przy czym pomiar powinien być wykonany przy znamionowym napięciu wejściowym kanału zakłócającego.

Odstęp od poziomu zakłóceń przy wzmocnieniu ustawionym na takim poziomie, aby moc wyjściowa wynosiła 100 mW względnie 2 × 50mW, dla wzmacniaczy o znamionowej mocy wyjściowej nie przekraczającej 20 W, powinien wynosić co najmniej 50 dB. Dla wzmacniaczy o większych wartościach tej mocy wymagana wartość odstępu od poziomu zakłóceń jest mniejsza.

We wspomnianej normie DIN znaleźć można jeszcze wiele innych informacji.

Klasa G to rozwiązanie oparte na dwóch szynach zasilających (niskie i wysokie napięcie), gdzie jedna para tranzystorów pracuje normalnie z niskiego napięcia zasilającego, a druga para tranzystorów pracuje przy maksymalnych poziomach sygnału wejściowego.
Na dość podobnej zasadzie działa system poprawy sprawności, stosowane obecnie w miniwieżach. Różnica polega na tym, że przy większych poziomach sygnału wyjściowego na zasilanie stopnia mocy podaje się wysokie napięcie, przy małych poziomach sygnału wzmacniacz jest zasilany z niskiego napięcia redukując moc strat. Taki układ działa z każdym wzmacniaczem, scalonym czy tranzystorowym, zasilanym symetrycznie i niesymetrycznie.
Na temat tamtego rozwiązania tranzystorów należałoby poczytać w kontekście wzmacniaczy operacyjnych rail-to-rail, bo tam takie stopnie wyjściowe są standardem.
@peloks, ten schemat rosyjskiego wzmacniacza odpowiada idei tego stopnia końcowego. Tylko gdyby wyeliminować tranzystory z kanałem P, które mają dwa razy gorsze parametry od tych z kanałem N...

BANANvanDYK napisał:

Klasa G to rozwiązanie oparte na dwóch szynach zasilających (niskie i wysokie napięcie),.

A co to ma się do tego rozwiązania.
On pracuje w klasie AB a wzmacniacz operacyj to zwykły wzmacniacz napięciowy z ujemny sprzężeniem zwrotnym, sterujący stopniem końcowym. Typowe klasyczne rozwiązanie.

Wydaje mi się, że podniesienie napięcia zasilania spowoduje pojawienie się wyższego napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego, co spowoduje z kolei większe napięcie na bramkach tranzystorów końcowych.
Nie wiedziałem, że taka norma jaką podałeś istnieje. Dobrze na przyszłość wiedzieć.
Klasa G do wzmacniacz z tematu nie ma nic to dygresja powstała w toku dyskusji, polecam dokładniej poczytać.

BANANvanDYK mniej więcej wiem jak działa klasa G. Ale w Polsce chyba nie wiele osób konstruuje takie końcówki. A wydaje mi się to ciekawym tematem.

BANANvanDYK napisał:

Tranzystory końcowe NPN/PNP zostały odwrócone, bardziej fachowo mówiąc pracują one w układzie wspólnego emitera, zamiast wspólnego kolektora jak to zazwyczaj się realizuje.

Nie jest to żadna nowość, lecz układ Sziklai wynaleziony w czasach, kiedy tranzystory mocy PNP były bardzo marne i bardzo drogie. Dzięki niemu para PNP małej/średniej mocy + NPN dużej mocy mogła udawać układ Darlingtona PNP o całkiem niezłych parametrach. Teraz mamy bardzo dobre tranzystory o obu polaryzacjach i możemy na wyjściu zastosować pary Sziklai dla dodatniej i ujemnej połówki sygnału. Zalety są takie, że to jest układ z lokalnym USZ, dzięki czemu jest bardziej liniowy i ma lepszą stabilność termiczną. Wadą jest większa skłonność do pasozytniczych oscylacji.

[/quote] BANANvanDYK mniej więcej wiem jak działa klasa G. Ale w Polsce chyba nie wiele osób konstruuje takie końcówki. A wydaje mi się to ciekawym tematem.[/quote]
A słuchał Kolega wzmacniacza pracującego w class G albo H.
Totalna porażka! Zero esencji twarde niskie tony o wysokich już nie wspomnę, brak soczystości.
Może moje wrażenia odsłuchowe są kojarzone kulinarnie, ale porównanie jest na miejscu. Na pewno każdy jadł szynkę ze sklepu, ale nie każdy jadł wadzoną u Babci. Dlatego Class A i AB to szynka od Babci

No to zapewne i zdaję sobie z tego sprawę, ale interesuje mnie coś na estradę w tej klasie nie do domu. Zwłaszcza klasa H. Bo według mnie klasa D, która jest na estradę chyba najlepsza, jest ciężka do zaprojektowania, a na pewno nie na mój poziom. A klasa H czy G to właściwie sklejone dwie czy trzy klasy AB tylko różnice oczywiście są w zasilaniu. Klasa H jest o tyle fajna, że przypomina trochę odzyskiwanie energii z hamowania.

Ja od siebie dodam że przy projektowaniu wypada odsuwać kondensatory od elementów grzejących się. Do tego radiator postawiony na płytce gorzej odprowadza ciepło konwekcyjnie(bez wymuszonego obiegu powietrza)

HHH! A co class AB to odkryto w tyn roku? AC/DC w H koncerty robiło ?
ostatni post!

@elektronik666 racja też miałem wątpliwości czy będzie to dobry pomysł, ale okazało się, ze ten radiator bardzo mało się grzeje, więc nie ma problemu z odprowadzeniem ciepła i nie wpływa to na kondensatory. Pomysł prowadzącego jak pisałem.

Chciałem sprawdzić symulację ale niestety nie działa. Brak model dla Qbd139. Może chodziło o BD139 ale w takiej sytuacji należy dołączyć model wszystkich elementów, których nie ma w standardowej instalacji LTSpice.

Marek

kula001 napisał:

Wydaje mi się, że podniesienie napięcia zasilania spowoduje pojawienie się wyższego napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego, co spowoduje z kolei większe napięcie na bramkach tranzystorów końcowych.

Wzmacniacz operacyjny jest zasilany napięciem ±15V, co dla TL071 daje zakres napięcia na wyjściu ok. ±13.5V (zgodnie z datasheet). Stopień końcowy ma wzmocnienie napięciowe równe 1, co daje napięcie na wyjściu wzmacniacza mocy ±13.5V, nie uwzględniając spadków napięć i innych zjawisk (jeszcze napięcie zasilania stopnia wyjściowego musiałoby wynosić ok. ±18V ze względu na Uds).
@Krzysiek16, dzięki za wyjaśnienie. Taki układ tranzystorów kojarzył mi się z rozwiązaniem "quasi-komplementarnym" po ujemnej stronie stopnia wyjściowego, jak to kiedyś robiło się wzmacniacze na tranzystorach mocy 2N3055. W wzmacniaczu "MOSFIT" stopień końcowy ma wzmocnienie napięciowe większe od 1, więc wzmacniacz operacyjny pracuje z niewielką amplitudą sygnału na wyjściu. Pytanie, ile ono wynosi?

peloks napisał:

A słuchał Kolega wzmacniacza pracującego w class G albo H.
Totalna porażka! Zero esencji twarde niskie tony o wysokich już nie wspomnę, brak soczystości.

Dość treściwy opis, czy może kolega podać jakie to modele wzmacniaczy były?
Do jakiegoś budżetowego Philipsa, z układem poprawy sprawności i z zasilaczem "wysokiego" napięcia przysiadającego niemal o połowę pod obciążeniem, nie mam nawet zamiaru porównywać.

Marek2006 tak zapomniałem że dodałem tam element z zewnątrz. Wieczorem wrzucę model BD139 i opisze jak go dodac.

Istnieje "prosty" sposób na ominięcie ograniczania związanego z napięciem zasilania samego wzmacniacza operacyjnego. Trzeba przenieść "masę" z zasilacz na stopień końcowy.
Schematycznie tak to wygląda

Jak widać mamy tu klasyczny przykład pływającego zasilana. Gdzie stopień końcowy procuje w układzie wspólnego źródła. Główną zaletą tego rozwiązania jest oczywiście możliwość pełnego wysterowania stopnia końcowego za pomocą WO zasilanego niskim napięciem.
Rozwiązanie te od dawna stosuje firma QSC jak i Peavey.

Wadą jet właśnie te pływające zasilanie. I konieczność stosowania osobnego zasilacza dla każdego kanału wzmacniacza.

Jest jeszcze plan B.
Można zrobic wzmacniacz z sprzężeniem prądowym oraz pętle NFB podzielić na dwie części, tak żeby wzmacniacz operacyjny był w stanie w pełni wysterować napięcie wyjściowe.
Można oczywiście dołożyć kilka bajerów ale jak to ma być prosty wzmacniacz to można tak zostawić. Parametry w symulatorze są bardzo dobre.
Są na rynku dość tanie i bardzo dobre wzmacniacze operacyjne - lepsze od TL072.
Dodatkowo wzmacniacz operacyjny działa jako DC servo !!

Kosmetykę można dorobić nieco później.

Umieszczając wzmacniacz tutaj chciałem raczej zaproponować coś co można sobie zasymulować i wykonać by dobrze zrozumieć zasadę działania. Jeśli już brać się za bardziej skomplikowaną konstrukcję to wydaje mi się, że coś na tranzystorach zamiast wzmacniacza operacyjnego będzie bardziej elastyczne. Będzie możliwe zwiększenie mocy bez komplikacji układu. Jednak można też próbować rozwijać tą konstrukcję. Jeśli ktoś się zdecyduje zrobić taką konstrukcję, będzie miał w jednym wątku kilka możliwości rozwojowych.

kula001

Ja już mam gotową płytkę pod ten schemat z postu nr 20, tylko stopień wyjściowy będzie inny. Jak nie wybuchnie to dam znać.
Wydaje mi się, że lepiej jak wzmacniacz operacyjny będzie mial obciążenie o większej impedancji - czyli całość będzie miała lepsze parametry. Możesz spróbować przerobić trochę schemat.
Obecnie produkowane wzmacniacze operacyjne mają świetne parametry i to nie jest zły pomysł żeby go zastosować w stopniu wejściowym.

Pozdr

Ciekawy jestem jak Ci wyjdzie @borysgo2. Jak zrealizowałeś stopień końcowy? Jak będę miał czas spróbuję coś pokombinować.

kula001
A no polutowałem ustrojstwo z postu #20 (dosyć podobne ustrojstwo).
Wyniki i zdjęcia poniżej. Gra bardzo fajnie, narazie na pokładzie jest OPA2134 (bo miałem pod ręką). Wzmacniacz jest bardzo szybki, miękko ''klipuje'' i trzyma bardzo niskie napięcie stałe na wyjściu. Postaram się wcisnąć w płytkę wejściową inne wzmacniacze operacyjne, które mam na stanie. Mam nadzieję, że nie będzie żadnej eksplozji

Właśnie szybkość... U mnie siedzi TL i jest z szybkością niezbyt ciekawie.
Wyniki bardzo fajne zwłaszcza napięcie na wyjściu, ładnie. Na płytce końcówki widzę dużo Mundorf-ów raczej nie przypadkiem. Możesz rozwinąć koncepcje końcówki?

Witam, nie chcąc zakładać nowego tematu by nie zaśmiecać forum podczepię się pod temat.
A więc do sedna... Kupiłem ostatnio okazyjnie końcówkę mocy Harrison K3000 lecz okazało się ze jest ina uszkodzona na jednym kanale. Po dogłębnym "przebadaniu" okazało się, że uszkodzona jest płytka sterująca tranzystorami końcowymi.
Płytka ta to zestaw 4 wzmacniaczy operacyjnych smd i kilku innych elementów na porcelanowej zalanej płytce- nie do naprawy.
Topologia budowy tej końcówki zbliżona jest do końcówek QSC lecz jest ona na mosfetach 2sk135 i 2sj50 po 6 par na stronę.
i tu rodzi się moje pytanie. Chcę dorobić całą część sterującą tranzystorami mocy tylko potrzebuje wiedzieć jak zmodyfikować schemat końcówki QSC by tranzystorami mocy były moje mosfety które są skręcone wszystkie razem bez izolacji do wspólnego radiatora, a dreny odpowiednio do szyny + i - .

Jak trzeba zmodyfikować ten układ pod mosfety? Dodam, że w tej końcówce mam możliwość zasilania wzmacniacz operacyjnego z osobnego zasilacza +-15V który zasila wskaźniki, zabezpieczenia.
Proszę o pomoc bo nie chciałbym uszkodzić ciężko dostępnych mosfetów.

Zobacz sobie na te pliki

Dzięki za te schematy, wiele wyjaśniły lecz próba wymiany wzmacniacza operacyjnego nie powiodła się. Moduł jest tak zgrzany ze miejsca lutowania scalaków odklejają się przy jednym podejściu lutowniczki. Nie pozostaje mi nic innego jak stworzyć własny moduł najlepiej oparty na wzmacniaczu operacyjnym.
Dysponuje ktoś jakimś schematem w oparciu o scalaka?