تقویت کننده قدرت 100W

این تقویت کننده 100W که یک مسیر تداخلی مناسب را بدون اعوجاج در خروجی دنبال می کند، می تواند به عنوان یک تقویت کننده قدرت فرعی به کار رود و یا به عنوان یک تقویت کننده مستقل، قدرت 100W را به بار 4 اهم تحویل دهد. بعضی مشخصات یک تقویت کننده قدرت 100W ایده ال عبارتند از:

1- 100W توان را به بار (4 اهمی) تحویل دهد.

2- اعوجاج (Distortion) آن نباید از 0.3 درصد در 100W بیشتر گردد (حتی در 20KHz).

3- دارای حفاظت اتصال کوتاه باشد تا ترانزیستورهای قدرت خروجی آسیب نبینند.

4- پهنای باند قدرت آن وسیع باشد.

5- منبع تغذیه آن متقارن باشد تا به خازن های الکترولیت برای طبقه خروجی نیاز نباشد.

6- تنها عناصر استاندارد و قابل دسترس در آن به کار رفته باشد.

7- ساخت و تنظیم آن ساده باشد.

8- تقویت کننده باید ارزان و ممطمئن باشد.

در لحظه اول ممکن است بیشتر خواننده ها فکر کنند که ساخت تقویت کننده ای با ویژگی های بالا غیرممکن باشد، اما پس از ساخت تقویت کننده ترانزیستوری زیر نادرست بودن برداشت اولیه آنها اثبات خواهد شد.

شکل 1 نقشه شماتیک تقویت کننده قدرت 100W

توصیف مدار

شکل (1) مدار کامل تقویت کننده را نشان می دهد. بخش ورودی، یک تقویت کننده تفاضلی است که شامل ترانزیستورهای T1 و T2 می باشد. این بخش با ترانزیستور تحریک T5 دنبال می شود که کلکتور آن به امیتر T4 وصل است. این قسمت به عنوان یک دیود زنر قابل تنظیم عمل می کند. T3 یک منبع جریان 10mA است. این جریان از T4 گذشته و بایاس طبقه خروجی را تأمین می کند. ولتاژ کلکتور T5 به وسیله ولتاژ بیس – امیتر آن تعیین می شود. از آن جا که این ترانزیستور دارای جریان کلکتور تقریبا ثابتی است، بهره ولتاژ آن خیلی بزرگ می باشد. بهره ولتاژ در فرکانس های بالا به وسیله CV تضعیف می شود.

ترانزیستور T5 به وسیله زوج تفاضلی T1 و T2 کنترل می شود. با توجه به فیدبک منفی ناشی از R7 و R9 عملکرد T1 و T2 منبعث از یک تقویت کننده خطا می باشد. بنابراین سعی می شود ولتاژ ورودی آنها (بیس T1 و T2) ثابت نگه داشته شود. بدین دلیل ولتاژ خروجی حاصل ضرب ولتاژ ورودی در مقدار زیر در نظر گرفته می شود.

این امر، بهره ولتاژ 22 را برای تقویت کننده نتیجه می دهد. بهره ولتاژ را می توان به وسیله RV تغییر داد، اما باید مقدار C6 را به طور مناسب عوض نمود. زیرا مقدار مشخص شده زیر فرکانس قطع پایین (3db-) را مشخص می سازد.

جریان بایاس خروجی که برای حذف اعوجاج تقاطعی مورد نیاز است به وسیله VR1 تنظیم می شود. یک طبقه خروجی کاملا مکمل (متشکل از T10 و T11) به ترانزیستور تحریک T5 وصل شده است. امتیاز مهم استفاده از منبع تغذیه متقارن این است که نقطه وسط بین T10 و T11 دارای ولتاژ صفر است و نیازی به خازن خروجی نمی باشد. تقویت کننده دارای امپدانس ورودی بسیار بالای 100 کیلو اهم است. ترانزیستور تحریک T5 به کلکتور T1 وصل شده است. T1 سیگنال را تقویت می کند.

از آن جا که ترانزیستور تحریک T5 نمی تواند جریان بیس کافی را برای ترانزیستورهای خروجی تامین نماید، زوج ترانزیستورهای اضافی T6 و T7 بدین منظور به کار رفته است. مقاومت های R21 و R22 جریان نقطه کار ترانزیستورهای خروجی را نسبت به حرارت پایدار می سازند. افت ولتاژ روی مقاومت های R21 و R22 به وسیله پتانسیومتر VR1 تنظیم می شود زیرا این عنصر ولتاژ کلکتور- امیتر T4 را تعیین می کند. قلب طبقه خروجی را ترانزیستورهای MJ2955 و 2N3055 تشکیل می دهند. این سری ها در دمای 25 درجه سانتی گراد دارای مشخصات زیر هستند:

الف) حداکثر ولتاژ کلکتور- امیتر = 100V

ب) حداکثر (Peak) جریان کلکتور = 15A

پ) تلفات ثابت عنصر = 150W

مشخصات بدی نیست! در جریان کلکتور 10A، ولتاژ اشباع کلکتور- امیتر 2V و بهره DC برابر 1000x است در جریان کلکتور 5A، ولتاژ اشباع کلکتور- امیتر 0.5V و بهره 4000x می باشد. این ترانزیستورها برای چنین مداری ایده آل هستند. نگران قدرت ترانزیستورهای خروجی نباشید، زیرا در برابر اضافه بار محافظت شده اند. افت ولتاژ روی R21 و R22 نسبتی از جریان خروجی است. بنابراین از آنها می توان برای محدود کردن جریان خروجی استفاده نمود.

هنگامی که افت ولتاژ مقاومت های R21 و R22 به اندازه کافی بزرگ می شود، ترانزیستورهای T8 و T9 از طریق تقسیم کننده های ولتاژ بیس R17/R18 و R19/R20 روشن می گردند. T8 و T9 بخشی از توان را از طریق دیودهای D4 و D5 جذب می کنند و در نتیجه تحریک بیس ترانزیستورهای T10 و T11 محدود می گردد. خازن C2، پهنای باند ورودی را محدود می کند. C5 باعث می شود که فرکانس افت 3db- پاسخ فرکانسی در 150KHz قرار گیرد.

خازن های C9 ، C7 و C10 خازنهای میلر هستند.

شکل 2 مدار چاپی تقویت کننده 100W

شکل 3 نقشه قطعات مدار چاپی شکل 2

مشخصات فنی

مشخصات فنی تقویت کننده در جدول I آمده است. از آن جا که مدار بسیار ساده است، با رعایت نکات زیر هنگام ساخت آن هیچ مشکلی پیش نخواهد آمد.

درصد اعوجاج در محدوده 30Hz تا 20KHz کاملا ثابت است و کمتر از 0.2 درصد می باشد. برای مدولاسیون کامل، حداقل ورودی 0.8V لازم است که بیشتر پیش تقویت کننده های مدرن آن را تأمین می کنند. چنانچه از پیش تقویت کننده ای استفاده شود که خروجی بزرگتری را تولید کند، بهتر است در ورودی تقویت کننده قدرت یک پتانسیومتر 10K قرار داده شود.

شکل 4 نقشه شماتیک منبع تغذیه

شکل 5 اندازه واقعی مدار چاپی شکل 4

شکل 6 نقشه قطعات مدار چاپی منبع تغذیه

جدول I مشخصات فنی تقویت کننده

منبع تغذیه

این مبالغه نیست اگر گفته شود که کیفیت یک تقویت کننده قدرت به کیفیت منبع تغذیه آن بستگی دارد. برای این تقویت کننده قدرت ولتاژ تغذیه نامی 40V± مورد نیاز است. در تحریک کامل، تقویت کننده جریان 2.25A را مصرف می کند. به خاطر سادگی و ارزانی در اینجا از یک منبع تغذیه تثبیت نشده استفاده شده است. با توجه به طبیعت این نوع منبع، چنانچه در بار کامل ولتاژ 40V± را تحویل دهد با کاهش جریان مصرفی ولتاژ خروجی آن از 40V± بیشتر می گردد.

اگر چه ترانزیستورهای خروجی تا ولتاژ 100V (در تغذیه متقارن تا50V±) را تحمل می کنند اما برای اطمینان بیشتر بهتر است ولتاژ تغذیه در بی باری برابر 46V± تنظیم گردد. بنابراین اختلاف ولتاژ بی باری با بار کامل 6V خواهد بود و باید از یک منبع با امپدانس داخلی بسیار کوچک استفاده شود. بدین منظور یک ترانسفورماتور با کیفیت بالا مورد نیاز است. علاوه بر ترانسفورماتور، یک پل دیودی و تعدادی خازن الکترولیت برای ساخت منبع مورد نیاز است.

کاربرد فیوز برای دو خط تغذیه ضروری است زیرا مدار محدود کننده جریان در طبقه خروجی حفاظت مدار در برابر اتصال کوتاه دائمی را تضمین نمی نماید. مدار محدود کننده تنها سوختن ترانزیستورها را به تعویق می اندازد تا فیوزها بسوزند. برای تقویت کننده استریو دو مجموعه از این مدار لازم است و ظرفیت جریان منبع تغذیه باید به 5A افزایش یابد.

ساخت مدار

نقشه مدار چاپی تقویت کننده در شکل 2 نشان داده شده است. برد مدار چاپی باید تحمل ولتاژهای بالا را داشته باشد. به ترتیب ابتدا مقاومت ها، خازن ها و سپس ترانزیستورها لحیم کاری شوند. مقاومت های R21 و R22 حداقل باید 5mm از برد دور باشند تا به خوبی خنک گردند. ترانزیستورهای T10 و T11 باید در خارج از برد روی گرمابر (heat sink) با مقاومت دمایی 1.2 درجه سانتی گراد بر وات نصب گردند. اگر بین گرمابر و ترانزیستور ورق میکا گذاشته شود، مقاومت 1.8 درجه سانتی گراد بر وات نیز قابل قبول است.

نمایی از نصب ترانزیستورهای قدرت روی گرمابر

یادآور می شود هنگامی که چند عنصر روی یک گرمابر نصب می شوند مقاومت دمایی گرمابر باید به نسبت تعداد آنها کوچکتر شود. بنابراین اگر T10 و T11 روی یک گرمابر نصب گردند مقاومت دمایی آن باید حدود یا 0.6 یا 0.9 درجه سانتی گراد بر وات باشد. تحت هیچ شرایطی نباید بدنه یا پایه های ترانزیستورهای قدرت با گرمابر تماس داشته باشند، زیرا ممکن است اتصال کوتاه ایجاد شود. اطمینان حاصل کنید که بدنه ترانزیستورها همان پایه کلکتور آنها می باشد. خازن های C9 و C10 به طور مستقیم به ترانزیستورهای T10 و T11 وصل می شوند.

لیست قطعات پروژه تقویت کننده قدرت 100W

تنظیم تقویت کننده

تنظیم تقویت کننده بسیار آسان می باشد. البته در چنین تقویت کننده ای، تنظیم اشتباه گران درخواهد آمد. به همین دلیل، روش تنظیم به طور کامل در زیر شرح داده شده است.

همه سیم بندی ها و اتصالات مدار چاپی، ترانزیستورهای قدرت و منبع تغذیه را به طور کامل بررسی کنید. به وسیله یک اهم متر آزمایش کنید که بدنه فلزی ترانسفورماتورهای قدرت از گرمابرها و شاسی مدار ایزوله باشد. بدین منظور استفاده از واشر میکا برای عایق کاری مناسب می باشد. پتانسیومتر VR1 را در حداکثر مقدار خود قرار دهید. فیوزها را از مدار منبع تغذیه برداشته، منبع تغذیه را به برق وصل کرده بررسی کنید که آیا ولتاژ بین 40 تا 46 ولت تولید می شود یا خیر.

پس از وصل بلندگو به مدار، در خروجی منبع تغذیه به جای فیوز 2، یک مقاومت 10 اهم 0.25 وات قرار دهید و مدار را به برق وصل کنید. اگر مقاومت 10 اهمی دود کرد، مدار دارای اتصالی است و باید آن را برطرف نمود. پس از اصلاح مدار دوباره به همین روش مدار را آزمایش کنید، اگر دودی بلند نشد، فیوز 2 را به جای مقاومت قرار داده، به جای فیوز 1، یک آمپرمتر با پلاریته درست نصب نمایید.

مدار را روشن نموده VR1 را طوری تنظیم کنید که آمپر متر جریان 60mA را نشان دهد. اجازه دهید مدار در این حالت برای مدت پنج دقیقه کار نماید. با گرم شدن ترانزیستورها، جریان نیز افزایش می یابد. پس از پنج دقیقه VR1 را به گونه ای تنظیم کنید که جریان آمپرمتر 750mA گردد. برق را قطع نموده، آمپر متر را برداشته فیوز 1 را به جای آن قرار دهید. دوباره برق را وصل کرده، ولتاژ پایه های خروجی تقویت کننده را اندازه گیری نمایید. ولت متر معمولی آن را صفر ولت و ولت متر دیجیتال آن را حدود 100mV با هر پلاریته ای نشان می دهد.

اگر همه آزمایش های بالا موفقیت آمیز باشد، تقویت کننده آماده کار خواهد بود. بلندگو را به خروجی وصل نموده و به ورودی سیگنال اعمال کنید.