Daftar Isi:
2025 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2025-01-13 06:57
Hallo teman-teman!
Proyek ini adalah desain dan implementasi amplifier Low Power Audio menggunakan MOSFET. Desainnya sesederhana mungkin dan komponennya mudah didapat. Saya menulis instruksi ini karena saya sendiri mengalami banyak kesulitan dalam menemukan beberapa materi yang berguna mengenai proyek dan metode implementasi yang mudah.
Harap Anda menikmati membaca instruksi dan saya yakin itu akan membantu Anda.
Langkah 1: Pendahuluan
"Audio power amplifier (atau power amp) adalah penguat elektronik yang memperkuat sinyal audio elektronik berdaya rendah dan tidak terdengar seperti sinyal dari penerima radio atau pickup gitar listrik ke tingkat yang cukup kuat untuk menggerakkan pengeras suara atau headphone."
Ini termasuk amplifier yang digunakan dalam sistem audio rumah dan amplifier alat musik seperti amplifier gitar.
Penguat audio ditemukan pada tahun 1909 oleh Lee De Forest ketika ia menemukan tabung vakum triode (atau "katup" dalam bahasa Inggris Britania). Triode adalah perangkat tiga terminal dengan grid kontrol yang dapat memodulasi aliran elektron dari filamen ke pelat. Penguat vakum triode digunakan untuk membuat radio AM pertama. Penguat daya audio awal didasarkan pada tabung vakum. Padahal, amplifier berbasis transistor saat ini digunakan yang lebih ringan, lebih andal, dan membutuhkan lebih sedikit perawatan daripada amplifier tabung. Aplikasi untuk amplifier audio termasuk sistem audio rumah, penguatan suara konser dan teater, dan sistem alamat publik. Kartu suara di komputer pribadi, setiap sistem stereo dan setiap sistem home theater berisi satu atau beberapa amplifier audio. Aplikasi lain termasuk amplifier instrumen seperti amplifier gitar, radio seluler profesional dan amatir, serta produk konsumen portabel seperti game dan mainan anak-anak. Penguat yang disajikan di sini menggunakan MOSFET untuk mencapai spesifikasi penguat audio yang diinginkan. Gain dan power stage digunakan dalam desain untuk mencapai gain dan bandwidth yang dibutuhkan.
Langkah 2: Desain dan Beberapa Tahap Amplifier Penting
Spesifikasi dari amplifier tersebut antara lain:
Keluaran daya 0,5 W.
Bandwidth 100Hz-10KHz
KEUNTUNGAN SIRKUIT: Tujuan pertama adalah memperoleh penguatan daya yang cukup besar yang cukup untuk memberikan sinyal audio bebas noise pada output melalui speaker. Untuk mencapai ini, tahapan berikut digunakan dalam amplifier:
1. Tahap Penguatan: Tahap penguatan menggunakan rangkaian penguat mosfet bias pembagi potensial. Rangkaian bias pembagi potensial ditunjukkan pada gambar 1.
Ini hanya memperkuat sinyal input dan menghasilkan keuntungan sesuai dengan persamaan (1).
Perolehan = [(R1 || R2)/ (rs+ R1 || R2)] * (-gm) * (rd || RD || RL) (1)
Di sini, R1 dan R2 adalah resistansi input, rs adalah resistansi sumber, RD adalah resistansi antara tegangan bias dan drain dan RL adalah resistansi beban.
gm adalah transkonduktansi yang didefinisikan sebagai rasio perubahan arus drain dengan perubahan tegangan gerbang.
Ini diberikan sebagai
gm = Delta (ID) / delta (VGS) (2)
Untuk menghasilkan penguatan yang diinginkan, tiga rangkaian bias pembagi potensial di-cascade secara seri dan penguatan total adalah produk dari perolehan masing-masing tahapan.
Keuntungan Total = A1*A2*A3 (3)
Dimana, A1, A2 dan A3 adalah perolehan masing-masing tahap pertama, kedua dan ketiga.
Tahap-tahap tersebut diisolasi satu sama lain dengan bantuan kapasitor yang saling berhubungan yaitu kopling RC.
2. Tahap Daya: Penguat dorong tarik adalah penguat yang memiliki tahap keluaran yang dapat menggerakkan arus ke kedua arah melalui beban.
Tahap keluaran penguat dorong tarik khas terdiri dari dua BJT atau MOSFET yang identik, satu sumber arus melalui beban sementara yang lain menenggelamkan arus dari beban. Amplifier push pull lebih unggul daripada amplifier ujung tunggal (menggunakan transistor tunggal pada output untuk menggerakkan beban) dalam hal distorsi dan kinerja. Penguat ujung tunggal, seberapa baik desainnya pasti akan menimbulkan beberapa distorsi karena karakteristik transfer dinamis yang tidak linier.
Amplifier push pull biasanya digunakan dalam situasi di mana distorsi rendah, efisiensi tinggi dan daya output tinggi diperlukan.
Operasi dasar penguat push-pull adalah sebagai berikut:
Sinyal yang akan diperkuat pertama-tama dipecah menjadi dua sinyal identik yang berbeda fasa 180 °. Umumnya pemisahan ini dilakukan dengan menggunakan transformator kopling masukan. Transformator kopling masukan diatur sedemikian rupa sehingga satu sinyal diterapkan ke input satu transistor dan sinyal lain diterapkan ke input transistor lain."
Keuntungan penguat dorong tarik adalah distorsi rendah, tidak adanya saturasi magnetik pada inti transformator kopling, dan pembatalan riak catu daya yang mengakibatkan tidak adanya dengung sedangkan kerugiannya adalah kebutuhan dua transistor yang identik dan persyaratan kopling yang besar dan mahal transformer. Tahap penguatan daya mengalir sebagai tahap akhir dari rangkaian penguat audio.
RESPON FREKUENSI SIRKUIT:
Kapasitansi memainkan peran dominan dalam membentuk respons waktu dan frekuensi sirkuit elektronik modern. Penyelidikan eksperimental yang luas dan mendalam telah dilakukan peran berbagai kapasitor dalam rangkaian penguat MOSFET sinyal kecil.
Penekanan khusus telah diberikan untuk mengatasi masalah dasar yang melibatkan kapasitansi dalam amplifier MOSFET, daripada memodifikasi desain. Tiga peningkatan yang berbeda n-channel MOSFET (model 2N7000, selanjutnya disebut sebagai MOS-1, MOS-2 dan MOS-3) yang diproduksi oleh Motorola Inc. telah digunakan untuk percobaan. Studi ini mengungkap beberapa fitur baru yang penting dari amplifier. Ini menunjukkan bahwa dalam desain amplifier MOS sinyal kecil, tidak boleh dianggap remeh bahwa kopling dan kapasitor bypass bertindak sebagai hubung singkat dan tidak berpengaruh pada tegangan input dan output ac. Faktanya, mereka berkontribusi pada level tegangan yang terlihat pada port input dan output amplifier. Ketika dipilih secara bijaksana untuk operasi kopling dan bypass, mereka menentukan penguatan tegangan aktual penguat pada berbagai frekuensi sinyal input.
Frekuensi cut-off yang lebih rendah diatur oleh nilai kapasitor kopling dan bypass sedangkan cut-off atas adalah hasil dari kapasitansi shunt. Kapasitansi shunt ini adalah kapasitansi nyasar yang ada di antara persimpangan transistor.
Kapasitansi diberikan oleh rumus.
C = (Luas * Ebsilon) / jarak (4)
Nilai kapasitor dipilih sedemikian rupa sehingga bandwidth keluaran antara 100-10KHz dan sinyal di atas dan di bawah frekuensi ini dilemahkan.
Angka:
Gambar.1 Rangkaian MOSFET Bias Pembagi Potensial
Gambar.2 Rangkaian Power Amplifier menggunakan BJT
Gambar.3 Respon Frekuensi MOSFET
Langkah 3: Implementasi Perangkat Lunak dan Perangkat Keras
Sirkuit dirancang dan disimulasikan pada perangkat lunak PROTEUS seperti yang ditunjukkan pada gambar 4. Sirkuit yang sama diimplementasikan pada PCB dan komponen yang sama digunakan.
Semua resistor diberi nilai 1 Watt dan kapasitor 50 volt untuk menghindari kerusakan.
Daftar komponen yang digunakan tercantum di bawah ini:
R1, R5, R9 = 1MΩ
R2, R6, R11 = 68Ω
R3, R7, R10 = 230KΩ
R4, R8, R12 = 1KΩ
R13, R14 = 10KΩ
C1, C2, C3, C4, C5 = 4,7µF
C6, C7 = 1,5µF
Q1, Q2, Q3 = 2N7000
Q4 = TIP122
Q5 = TIP127
Rangkaian hanya terdiri dari tiga tahap penguatan yang terhubung secara kaskade.
Gain tahapan terhubung melalui kopling RC. Kopling RC adalah metode kopling yang paling banyak digunakan dalam amplifier multistage. Dalam hal ini Resistansi R adalah resistor yang terhubung pada terminal sumber dan kapasitor C terhubung di antara amplifier. Ini juga disebut kapasitor pemblokiran, karena akan memblokir tegangan DC. Input setelah melewati tahap-tahap tersebut mencapai tahap daya. Tahap daya menggunakan transistor BJT (satu npn dan satu pnp). Loudspeaker terhubung pada output tahap ini dan kami mendapatkan sinyal audio yang diperkuat. Sinyal yang diberikan pada rangkaian untuk simulasi adalah gelombang sin 10mV dan keluaran pada loudspeaker gelombang sin 2,72 V.
ANGKA:
Gambar.4 Sirkuit PROTEUS
Gambar.5 Tahap Keuntungan
Gambar.6 Panggung Daya
Gambar.7 Output gain tahap 1 (Gain = 7)
Gambar.8 Output gain tahap 2 (Gain = 6.92)
Gambar.9 Output gain tahap 3 (Gain = 6.35)
Gambar.10 Output dari tiga tahap gain (Total Gain = 308)
Gambar.11 Output pada loudspeaker
Langkah 4: TATA LETAK PCB
Sirkuit yang ditunjukkan pada Gambar 4 diimplementasikan pada PCB.
Di atas adalah beberapa cuplikan dari desain perangkat lunak PCB
ANGKA:
Gambar.12 Tata letak PCB
Gambar.13 Tata letak PCB (pdf)
Gambar.14 Tampilan 3D (TAMPILAN ATAS)
Gambar.15 Tampilan 3D (TAMPILAN BAWAH)
Gambar 16 Perangkat Keras (TAMPILAN BAWAH) Tampilan atas sudah ada di gambar pertama
Langkah 5: Kesimpulan
Memanfaatkan gain tinggi dan impedansi input tinggi dari MOSFET daya saluran pendek, rangkaian sederhana telah dirancang untuk menyediakan drive yang cukup untuk amplifier hingga output 0,5 watt.
Ini menawarkan kinerja yang memenuhi kriteria untuk reproduksi audio berkualitas tinggi. Aplikasi penting termasuk sistem alamat publik, sistem penguatan suara teater dan konser dan sistem domestik seperti sistem stereo atau home-theatre.
Amplifier instrumen termasuk amplifier gitar dan amplifier keyboard elektrik juga menggunakan amplifier audio.
Langkah 6: Terima kasih khusus
Saya terutama berterima kasih kepada teman-teman yang membantu saya dalam mencapai hasil dari proyek ini.
Saya harap Anda menikmati instruksi ini. Untuk bantuan apa pun, saya akan senang jika Anda berkomentar.
Tetap diberkati. Sampai ketemu lagi:)
Tahirul Haq, EE DEPT, UET
Lahore, Pakistan