Amplificatore per Subwoofer con Potenza Massima di 28W RMS. Dispone di un Filtro da 60dB/Dec e un Finale in Classe AB a Mosfet…
INTRO
Gli amplificatori per i subwoofer devono avere una banda molto ristretta con un taglio netto delle frequenze più elevate. Questo è possibile con un filtro a due poli, come il filtro Sallen-Key e poi un filtro semplice attivo che tra l’altro fa da blocco di retroazione per il blocco di potenza. Il finale, essendo in classe AB e con Mosfet, è formato da Mosfet di tipo N e Mosfet di tipo P. Il Mosfet N amplifica le semionde positive, quello P quelle negative.
Le caratteristiche di questo schema sono:
L’amplificatore per subwoofer è alimentato con una tensione di 30V garantendo una potenza di circa 15W RMS su 8ohm e 30W RMS su 4ohm. La potenza assorbita è molto piccola a riposo mentre sotto carico dipende dall’impedenza dell’altoparlante usato. La banda passante va da frequenze minori di 1Hz fino a 90Hz garantendo dei bassi molto profondi.
L’amplificazione di tensione è di 11 volte e questo permette di calcolare la massima tensione di picco in ingresso: Vin(pk-pk)=VDD/11, quindi considerando che la tensione di alimentazione è 30V si può avere in ingresso massimo 2.55V picco picco ovvero 900mV RMS.
SCHEMA
Lo schema è il seguente:
Il circuito è composto da un primo blocco che è il filtro, poi il blocco di retroazione e infine il blocco di potenza.
Il segnale di ingresso entra dalle boccole VIN e subito viene filtrato dalla componente continua grazie al condensatore C3 e alla resistenza R12.
Il filtro a due poli è di tipo Sallen-Key ed è formato da R11, R10, R13, C11, C10 e C9 inoltre è formato dall’amplificatore operazionale U1. Le resistenze R6 ed R7 servono a polarizzare l’amplificatore operazionale con una tensione pari a 0.45VDD mentre la capacità C8 mantiene stabile la tensione di polarizzazione.
Il guadagno del filtro Sallen-Key è unitario ed in realtà è una struttura modificata visto che C11 è un elemento extra che garantisce una pendenza del filtro maggiore. La frequenza di taglio è 90Hz.
Il segnale esce dal filtro e giunge all’ingresso non invertente dell’amplificatore operazionale U1. L’uscita dell’amplificatore operazionale giunge a due diodi di segnale (1N4148 o simili, meglio se al germanio) che fanno passare la semionda negativa verso il Mosfet N M2 e la semionda positiva verso il Mosfet P M1. Le resistenza R1 e R2 servono per polarizzare i diodi D1 e D2 e i gate dei Mosfet.
Il segnale dai source dei Mosfet giunge all’uscita.
Il segnale in uscita giunge tramite la rete di retroazione formata da R4, R3, C7 e C1 al piedino negativo dell’amplificatore operazionale.
Il transistor Q2 insieme a R8 e R9 garantiscono di avere una corrente a riposo molto piccola andando a bilanciare la tensione sui gate dei Mosfet M1 e M2.
Il condensatore C2 fa giungere verso l’altoparlante solo la componente alternata mentre R5 e C12 filtrano le componenti ad alta frequenza. I condensatori C5, C4 e C6 evitano che l’amplificatore va in autoscillazione.
In particolare il condensatore C7 della rete di retroazione va a creare un filtro passa basso in modo tale da non amplificare le autoscillazioni smorzandole.
Per quanto riguarda i componenti, l’operazionale scelto è un NE5532 che ha alimentazione massima di 30V e garantisce una bassissima distorsione. Questo può essere sostituito con uno equivalente come un LM358 o con un amplificatore operazionale rail to rail con maggiore tensione di alimentazione così da aumentare la potenza in uscita.
I Mosfet di potenza sono la coppia IRF7343N e IRF7406, anche essi possono essere sostituiti con dei Mosfet equivalenti che supportano VGS e VDS superiori a 30V, con tensione di soglia di 1V per l’N-Mosfet e -1 per il P-Mosfet con corrente superiori a 3A.
ALIMENTAZIONE
Il circuito per l’alimentazione a 30V è il seguente:
Il trasformatore ha il primario a 230V e il secondario a 23V mentre la potenza deve essere intorno i 50VA considerando correnti di picco intorno i 2A e la tensione di 23V. Il ponte di diodi deve avere una corrente DC di 2A, ovviamente quella di picco sarà tale da sopportare i picchi richiesti dal circuito. Per garantire una tensione di ripple molto piccola un condensatore di filtro da 6800µF è usato.
RISULTATI
Per misurare la distorsione armonica è stato usato un distorsimetro ottenendo un valore intorno allo 0.1% utilizzando il valore massimo di tensione di ingresso, mentre il valore diminuisce se la tensione di ingresso è più piccola.
La banda passante è la seguente: 
Il segnale in ingresso e in uscita, misurati con l’oscilloscopio hanno la seguente forma:
Il circuito montato su breadboard ha la seguente configurazione:
POTENZA E SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO
I Mosfet M1 e M2 assorbono una buona quantità di potenza quindi hanno bisogno di un sistema di raffreddamento. Si possono usare due diversi dissipatori, uno per ogni Mosfet oppure uno solo e si connettono i Mosfet con due miche isolanti per evitare corto circuiti. In particolare al massimo i Mosfet assorbono 8W.
Considerando che i transistor usati hanno una resistenza termica del case del Mosfet di 1.5°C/W con una temperatura massima di giunzione di 175°C, inoltre considerando che con la mica isolante si ha una resistenza termica di contatto di 1°C/W si può calcolare la resistenza termica del dissipatore considerando una temperatura ambiente di 30°C. Supponendo di volere una temperatura massima di giunzione di 130°C che è accettabile visto che è la temperatura di giunzione e non del case e inoltre è minore di quella massima, effettuando i calcoli si ottiene la seguente resistenza termica del dissipatore:
Rtermica_dissipatore = (Tmax_desiderata-Tamb)/Potenza_max – Rt_case – Rt_contatto =
(130-30)/8 – 1.5 -1 = 10°C/W circa
Serve quindi un dissipatore da 10°C/W circa.
Se si usa una tensione di alimentazione minore si possono usare dissipatori più piccoli e si può misurare la potenza massima considerando i Mosfet nella simulazione e aspettando un tempo di 1s per far si che tutti i transitori siano conclusi.
DOWNLOAD
Potete scaricare le simulazioni del circuito con LTSPICE al seguente LINK!!!
