【導(dǎo)讀】功放是音頻電子中關(guān)鍵的一環(huán)。它常用于將輸入信號(hào)的功率放大許多倍。在音頻電子中，運(yùn)算放大器會(huì)提高信號(hào)的電壓，但無(wú)法提供驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電流。本文我們來(lái)講如何用TDA2040功放、2個(gè)功率晶體管以及一個(gè)4Ω阻抗的揚(yáng)聲器來(lái)打造一個(gè)40W的放大器。
功放是音頻電子中關(guān)鍵的一環(huán)。它常用于將輸入信號(hào)的功率放大許多倍。在音頻電子中，運(yùn)算放大器會(huì)提高信號(hào)的電壓，但無(wú)法提供驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電流。本文我們來(lái)講如何用TDA2040功放、2個(gè)功率晶體管以及一個(gè)4Ω阻抗的揚(yáng)聲器來(lái)打造一個(gè)40W的放大器。
放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在一個(gè)放大器的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)中，功放用于負(fù)載前的最后一級(jí)。一般來(lái)說(shuō)，音頻放大器系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下。
如上圖可見(jiàn)，功率放大器是與負(fù)載相連的最后一級(jí)。一般情況下，在功率放大器之前，需要使用前置放大器和電壓控制放大器來(lái)修正信號(hào)。同時(shí)，某些情況下還需要用到音調(diào)控制，音調(diào)控制的電路應(yīng)放在功率放大器前。
了解你的負(fù)載
在音頻放大器系統(tǒng)中，負(fù)載和放大器的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力是需要考慮的重要參數(shù)。而功率放大器的主要負(fù)載就是揚(yáng)聲器。功放輸出取決于負(fù)載的阻抗，所以不合適的負(fù)載會(huì)影響功放的效率和穩(wěn)定性。
揚(yáng)聲器既是感性負(fù)載也是阻性負(fù)載。功放輸出交流電，因此揚(yáng)聲器的阻抗是功率傳輸?shù)年P(guān)鍵因素之一。
在音頻電子中，不同的揚(yáng)聲器功率和阻抗都不相同。市面上的揚(yáng)聲器大多數(shù)是4Ω，8Ω，16Ω以及32Ω的，其中4Ω和8Ω的成本比較低。同時(shí)我們需要知道，放大器標(biāo)注的5W，6W或10W等指的是RMS（有效值）。
簡(jiǎn)單40W放大器的構(gòu)造
上圖為T(mén)DA2040，屬于比較常見(jiàn)的音頻功放。它的封裝為Pentawatt，且有5個(gè)引腳。引腳圖可以在規(guī)格書(shū)中找到，如下圖所示。
1：同相輸入端；
2：反相輸入端；
3：負(fù)電源；
4：輸出端；
5：正電源。
頂部凸起部分與引腳3即負(fù)電源相連。如果要添加散熱器的話(huà)也應(yīng)使用相同的連接方式。從規(guī)格書(shū)中我們可以發(fā)現(xiàn)。
以上參數(shù)證明了該IC的性能良好。它提供了對(duì)地的短路保護(hù)。同樣，熱保護(hù)在過(guò)載的情況下提供了額外的安全保障。從最后兩條數(shù)據(jù)中，我們可以看出TDA2040可以在4Ω的負(fù)載以及±17V的情況下輸出25W。這個(gè)情況下，THD（總諧波失真）為0.5%。同樣配置下，要想獲得30W的輸出，THD應(yīng)變?yōu)?0%。
同樣規(guī)格書(shū)中提供了供電電壓與輸出功率的關(guān)系圖。
從圖中可以看出，如果使用大于±15V的電源，我們就可以實(shí)現(xiàn)26W以上的輸出。
為了生成額外的電壓，我們還需要兩個(gè)功率晶體管NPN和PNP，這里我們用的是BD712和BD711.這兩個(gè)三極管都是TO-220C的封裝。
兩者的引腳圖如下。
為了實(shí)現(xiàn)完美運(yùn)作且THD不受影響，我們需要36V的輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)40W的輸出。盡管這個(gè)電路只需15V到40V就可以啟動(dòng)了。
所需元器件
36V電源輸出
4Ω 40W的揚(yáng)聲器
1.5Ω 0.5W的電阻x 4
100Ω 0.25W的電阻x 4
12Ω電阻 x 1
1Ω 2W的電阻 x 1
470nF電容
100uF電容
TDA2040
散熱器
二極管1N4148 x 2
220nF電容
2200uF電容
4.7uF電容
BD711和BD712
電路圖及原理
40W音頻放大器的電路圖也比較簡(jiǎn)單；TDA2040放大信號(hào)后提供到了25W的有效值功率。其余的功率放大則由BD711和BD712三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸入電容470nF是隔直流的電容，只允許交流信號(hào)通過(guò)。還有一項(xiàng)重要因素就是單電源供電。因?yàn)榉糯笃魇怯蓡坞娫垂╇?，所以輸入信?hào)需要拔高幾伏，從而使得放大器能在正負(fù)峰值上放大信號(hào)。電阻R6，R9，R7和R8負(fù)責(zé)為功率晶體管和功放提供偏置電壓。R10和C5則屬于RC緩沖電路，用于保護(hù)放大器免受揚(yáng)聲器這個(gè)感性負(fù)載的影響。
測(cè)試40W的放大器電路
我們用proteus的仿真工具來(lái)檢查電路的輸出；我們可以在虛擬示波器中觀察輸出。
仿真結(jié)果如下圖所示
放大器功率的計(jì)算
我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式來(lái)計(jì)算放大器的功率
放大器功率=V的平方/R
仿真工具中，我們?cè)谳敵龆私尤胍粋€(gè)交流電壓表。該電壓表顯示的是交流電峰峰值。
我們輸入的是200Hz的低頻正弦波信號(hào)。因?yàn)樵诘皖l下，放大器會(huì)在負(fù)載上輸出更多電流，因此萬(wàn)用表也能準(zhǔn)確檢測(cè)到交流電壓。
如上圖所示，電壓為+12.5V，按照上面的公式，且負(fù)載為4Ω可得
放大器功率=12.5 x 12.5 / 4 = 39.06（接近40W）
搭建40W放大器需要注意的事
當(dāng)搭建電路時(shí)，功放TDA2040需要與散熱器正確連接。越大的散熱器結(jié)果越好。同時(shí)使用音頻級(jí)的電容能獲取更好的結(jié)果。
同時(shí)，音頻相關(guān)的應(yīng)用最好使用PCB。但必須了解以下幾個(gè)準(zhǔn)則。
1.音頻信號(hào)布線要盡可能短，從而減少不必要的噪聲耦合。
2.功率晶體管應(yīng)與合適的散熱器相連。
3.不要使用單一散熱器來(lái)固定TDA2040，BD711和BD712。不同的元件使用不同的散熱器，不然會(huì)出現(xiàn)短路的情況。
4.一定要注意揚(yáng)聲器的功率，否則揚(yáng)聲器很可能會(huì)被燒壞。
5.不要去除緩沖電路。在保護(hù)功率晶體管和功放上它起著至關(guān)重要的作用。
6.不要在放大器上施加放大過(guò)后信號(hào)，其THD會(huì)增加。
