使用MOSFET和晶体管构建一个100W RMS输出功率放大器电路

功率放大器是音频电子器件的一部分。它旨在最大化给定输入信号的功率f的大小。在声音电子学中，运算放大器增加信号的电压，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和晶体管构建一个100W RMS输出功率放大器电路，并连接一个4欧姆阻抗扬声器。

放大器的结构拓扑

在放大器链系统中，功率放大器在负载之前的最后一级或最后一级使用。通常，声音放大器系统使用以下拓扑结构，如框图所示。

如上面的框图所示，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对信号进行校正。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

在音频放大器系统中，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，它来自与欧姆电阻和电抗相关的综合效应。

在音频电子中，不同类型的扬声器有不同的功率和不同的阻抗。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。只要把扬声器想象成一根水管，流经水管的水就是交替的音频信号。现在，如果管道的直径变大，水将很容易流过管道，水的体积会更大，如果我们减小直径，流经管道的水就会越少，所以水的体积就会降低。直径是由欧姆电阻和电抗产生的效应。如果管道直径变大，阻抗将很低，因此扬声器可以获得更多的功率，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和8欧姆扬声器以便宜的价格广泛使用。此外，我们需要了解，具有5瓦，6瓦或10瓦甚至更多的放大器是RMS（均方根）瓦数，由放大器在连续运行中传递到特定负载。

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。

简单的100W音频放大电路的构造

在之前的教程中，我们制作了10W功率放大器，25W功率放大器和50W功率放大器。但在本教程中，我们将使用MOSFET设计一个100 W RMS 输出功率放大器。

在100瓦放大器的结构中，使用多个晶体管和MOSFET。让我们看一下重要的MOSFET和晶体管的规格和引脚图。在放大器的放大阶段，我们使用了高压晶体管MPSA43。它是一种高压NPN晶体管，可用作放大器。MPSA43 NPN 晶体管的引脚是

我们使用了两个互补的中等功率晶体管MJE350和MJE340。MJE350 是采用 TO-225 封装的 500 mA PNP 晶体管，相同的 NPN 对晶体管为 MJE340。MJE340的规格与MJE350相同，但它是NPN中等功率晶体管。

下面给出了它们两者的引脚排列图-

在最后阶段，使用两个功率MOSFET IRFP244和IRFP9240。这两者的组合在4 Ω负载上提供100 W RMS功率输出。

功率放大器电路所需元件

Vero板（虚线或连接任何人都可以使用）

烙铁

焊锡丝

钳子和剥线钳工具

电线

根据要求的音频连接器

细铝制散热器，厚度为5mm，尺寸为90 mm x 45mm。

40V轨到轨电源，带+40V GND -40V电源轨道输出

4 欧姆 100 瓦扬声器

电阻器 1/4千瓦特 （39R， 390R， 1k， 1.5k， 4.7k， 15k， 22k， 33k， 47k， 150k） – 1nos.

330R 电阻器 1/4千瓦特 – 3 件

10R 电阻器 10 W

0.33R – 7 瓦 – 2 件

0.22R – 10 瓦

100nF 100V 电容器 – 2 个

47uF 100V 电容

470pF 100V

470nF 63V

10pF 100V

1n4002 二极管

红外线244

断续器9240

MJE350

MJE340

BC546 – 2 件

MPSA43 – 3 件

100W音频放大器电路图及说明

该100 W 音频放大器的原理图有几个阶段。在第一级放大开始时，滤波器部分可阻隔不需要的频率噪声。此筛选器部分是使用 R3、R4 和 C1、C2 创建的。

在电路的第二级，MPSA43晶体管Q1和Q2用作差分放大器，并将信号馈送到进一步的放大级。

接下来，在两个 MOSFET IRFP244N 和 IRF9240 上完成功率放大。这两个MOSFET是电路的重要组成部分。这两个MOSFET充当推挽驱动器（一种广泛使用的放大拓扑或架构）。为了驱动这两个 MOSFET Q5 和 Q7，使用了晶体管 MJE350 和 MJE340。这两个功率晶体管提供足够的栅极电流来驱动MOSFET。R15 和 R14 是限流电阻器，用于保护 MOSFET 栅极免受浪涌电流的影响。R12和R13也发生同样的事情，以保护输出负载免受浪涌电流驱动的影响。R18是一种高功率电阻器，其与100nF电容器一起充当钳位电路。R16 还提供额外的过流保护。

测试 100 瓦放大电路

我们使用变形杆菌仿真工具来检查电路的输出;我们在虚拟示波器中测量了输出。您可以查看下面给出的完整演示视频

我们使用+/- 40V为电路供电，并提供输入正弦信号。示波器的通道A（黄色）在输出端连接，反对4欧姆负载，输入信号通过通道B（蓝色）连接。

放大器功率计算

我们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的非常低频正弦信号。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+20.9V AC。因此，根据公式，功率放大器在4 Ω负载下的输出为

Amplifier Wattage = 20.92 / 4

Amplifier Wattage =

109.20 

(more than 100W approximately)

构建100w音频放大器时要记住的事情

构建电路时，MOSFET需要在功率放大器级与散热器正确连接。较大的散热器提供更好的效果。功率晶体管 Q5 和 Q7 需要使用小型 U 形铝散热器正确散热。

最好使用音频级额定盒式电容器以获得更好的效果。

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，并尽可能接近输入走线。

将音频信号线与嘈杂的电源线分开。

小心迹线厚度。由于这是100瓦设计，因此需要更大的电流路径，因此可以最大化走线宽度。最好在双面布局中使用70微米铜板，具有最大的过孔，以获得更好的电流。

需要在整个电路中创建接地层。保持地面回路尽可能短。

取得更好的成果

在这种 100 瓦设计中，为了更好的输出，几乎无法进行哪些改进。

在正负电源轨上添加额定值至少为 100V 的 4700uF 去耦电容器。

使用额定值为 1% 的 MFR 电阻器以获得更好的稳定性。

将 1N4002 二极管更换为 UF4007。

使用1k电位计更换R11，以控制功率MOSFET两端的静态电流。

在输出端添加保险丝，它将在扬声器过驱或输出短路时保护电路。