SONIC
مدیر بخش برق و الکترونیک (SONIC)
پرسنل مدیریت
مدیر انجمن
استاد و مشاور الکترونیک
عضو افتخاری گروه الکترونیک
به شدت دوست داشتنی
مدیر انجمن
- Oct 14, 2021
- 1,957
- 4,683
ساب ووفر یک بلندگو است که سیگنال های صوتی با فرکانس های پایین تولید می کند. اولین تقویت کننده ساب ووفر در سال 1970 توسط Ken Kreisler ساخته شد. اساساً برای بهبود کیفیت باس سیگنال های صوتی استفاده می شود. در اینجا ما یک تقویت کننده ساب ووفر را طراحی می کنیم که سیگنال های صوتی را در فرکانس های پایین از 20 هرتز تا 200 هرتز و با توان خروجی 100 وات تولید می کند که برای هدایت بار 4 اهم استفاده می شود.
اصل مدار تقویت کننده ساب ووفر
سیگنال صوتی ابتدا فیلتر می شود تا سیگنال های فرکانس بالا حذف شود و فقط سیگنال های فرکانس پایین از آن عبور کنند. سپس این سیگنال فرکانس پایین با استفاده از تقویت کننده ولتاژ تقویت می شود. سپس این سیگنال کم توان با استفاده از یک تقویت کننده قدرت کلاس AB مبتنی بر ترانزیستور تقویت می شود.
شماتیک مدار
طراحی فیلتر صوتی:
در اینجا یک فیلتر پایین گذر Sallen Key با استفاده از OPAMP LM7332 طراحی شده است. فرکانس قطع 200 هرتز و ضریب کیفیت 0.707 در نظر گرفته شده است. همچنین با فرض اینکه تعداد قطب ها برابر با 1 و مقدار C1 برابر با 0.1uF باشد، مقدار C2 را می توان 0.1uF محاسبه کرد. با فرض یکسان بودن R1 و R2، مقدار را می توان با جایگزین کردن مقادیر شناخته شده در معادله پیدا کرد.
R1 = R2 = Q/(2*pi*fc*C2)
این مقدار 5.6K برای هر مقاومت به دست می دهد. در اینجا ما مقاومت های 6K را به عنوان R1 و R2 انتخاب می کنیم. از آنجایی که ما یک فیلتر افزایش حلقه بسته می خواهیم، به مقاومت در ترمینال غیر معکوس نیاز نداریم، که به ترمینال خروجی متصل است.
طراحی پیش تقویت کننده:
پیش تقویت کننده بر اساس عملکرد کلاس A ترانزیستور 2N222A است. از آنجایی که توان خروجی مورد نیاز 100 وات و مقاومت بار 4 اهم است، در اینجا به ولتاژ تغذیه 30 ولت نیاز داریم.
با فرض جریان ساکن کلکتور 1 میلی آمپر و ولتاژ ساکن کلکتور نیمی از ولتاژ تغذیه، یعنی 15 ولت، مقدار مقاومت بار برابر با 15K محاسبه می شود.
R5 = (Vcc/2Icq)
جریان پایه با Ib = Icq/hfe داده می شود
با جایگزینی مقادیر hfe یا افزایش جریان AC، جریان پایه برابر با 0.02 میلی آمپر است. جریان بایاس، Ibias ده برابر جریان پایه، یعنی 0.2 میلی آمپر فرض می شود.
ولتاژ امیتر 12 درصد ولتاژ تغذیه، یعنی 3.6 ولت در نظر گرفته شده است. سپس ولتاژ پایه Vb برابر است با Ve +0.7، یعنی 4.3V.
سپس مقادیر R3 و R4 به صورت داده شده محاسبه می شوند:
R3 = (Vcc – Vb)/ Ibias و R4 = Vb/Ibias
با جایگزینی مقادیر، R3 برابر با 130 K و R4 برابر با 22K دریافت می کنیم.
مقاومت امیتر برابر با 3.6K (Ve/Ie) محاسبه شده است. با این حال این مقاومت بین دو مقاومت R6 و R7 مشترک است، جایی که R7 به عنوان مقاومت بازخوردی برای کاهش اثر جداسازی C4 استفاده می‌شود. مقدار R7 با مقادیر R5 و بهره محاسبه می شود و برابر با 300 اهم است. سپس مقدار R6 برابر با 3.2K است.
از آنجایی که راکتانس خازنی C4 باید کمتر از مقاومت امیتر باشد، مقدار C4 را برابر با 1uF محاسبه می کنیم.
طراحی تقویت کننده قدرت:
تقویت کننده قدرت با استفاده از ترانزیستور دارلینگتون TIP142 و TIP147 در حالت کلاس AB طراحی شده است. دیودهای بایاس به گونه ای انتخاب می شوند که خواص حرارتی آنها برابر با ترانزیستورهای دارلینگتون باشد. در اینجا 1N4007 را انتخاب کنید.
از آنجایی که مقدار زیادی از مقاومت بایاس برای جریان بایاس کم مورد نیاز است، R9 را برابر با 3K انتخاب می کنیم.
مرحله درایور برای ارائه یک ورودی امپدانس بالا به تقویت کننده قدرت استفاده می شود. در اینجا ما از ترانزیستور قدرت TIP41 در حالت کلاس A استفاده می کنیم. مقاومت امیتر، R8 با مقادیر ولتاژ امیتر، Ve (1/2Vcc- 0.7) و جریان امیتر، یعنی (برابر جریان کلکتور، یعنی 0.5A) داده می شود و برابر با 28.6 اهم است. در اینجا ما یک مقاومت 30 اهم را انتخاب می کنیم.
مقدار مقاومت بوت استرپ R10 باید به اندازه ای باشد که امپدانس بالایی برای ترانزیستورهای دارلینگتون فراهم کند. در اینجا R10 را 3K انتخاب می کنیم.
عملکرد مدار تقویت کننده ساب ووفر:
سیگنال صوتی توسط فیلتر پایین گذر Sallen Key با استفاده از OPAMP فیلتر می شود به طوری که فقط فرکانس های زیر و برابر با 200 هرتز عبور داده می شوند و فیلتر باقی می مانند. این سیگنال فرکانس پایین از طریق خازن کوپلینگ C3 به ورودی ترانزیستور Q1 داده می شود. ترانزیستور در حالت کلاس A کار می کند و یک نسخه تقویت شده از سیگنال ورودی را در خروجی خود تولید می کند. سپس این سیگنال تقویت شده توسط Q2 به سیگنال امپدانس بالا تبدیل می شود و به تقویت کننده توان کلاس AB داده می شود. دو ترانزیستور دارلینگتون به گونه ای عمل می کنند که یکی برای نیم سیکل مثبت و دیگری برای نیم سیکل منفی هدایت می شود، بنابراین یک سیکل کامل سیگنال خروجی تولید می کند. مقاومت امیتر R11 و R13 برای به حداقل رساندن هر گونه اختلاف بین ترانزیستورهای منطبق استفاده می شود. از دیودها برای اطمینان از حداقل اعوجاج متقاطع استفاده می شود. سپس از این سیگنال خروجی توان بالا برای راه اندازی یک بلندگو یا ساب ووفر با امپدانس کم، حدود 4 اهم استفاده می شود.
کاربردهای مدار تقویت کننده ساب ووفر:
از این مدار می توان در سیستم های سینمای خانگی برای راه اندازی ساب ووفرها برای تولید موسیقی با کیفیت بالا و باس بالا استفاده کرد.
از این مدار می توان به عنوان تقویت کننده قدرت سیگنال های فرکانس پایین نیز استفاده کرد.
محدودیت های مدار:
مدار فیلتر تمایل به افزایش سطح DC سیگنال صوتی دارد و باعث اختلال در بایاس می شود.
استفاده از دستگاه های خطی باعث اتلاف توان و در نتیجه کاهش راندمان مدار می شود.
اصل مدار تقویت کننده ساب ووفر
سیگنال صوتی ابتدا فیلتر می شود تا سیگنال های فرکانس بالا حذف شود و فقط سیگنال های فرکانس پایین از آن عبور کنند. سپس این سیگنال فرکانس پایین با استفاده از تقویت کننده ولتاژ تقویت می شود. سپس این سیگنال کم توان با استفاده از یک تقویت کننده قدرت کلاس AB مبتنی بر ترانزیستور تقویت می شود.
شماتیک مدار
برای دیدن تصاویر باید ثبت نام کنید
| R1 | 6K |
| R2 | 6K |
| R3 | 130K |
| R4 | 22K |
| R5 | 15K |
| R6 | 3.2K |
| R7 | 300 Ohms |
| R8 | 30 Ohms |
| R9, R10 | 3 K |
| C1, C2 | 0.1uF, electrolyte |
| C3,C5,C6 | 10uF, electrolyte |
| C4 | 1uF, electrolyte |
| Q1 | 2N222A |
| Q2 | TIP41 |
| Q3 | TIP41 |
| Q4 | TIP147, PNP |
| D1, D2 | 1N4007 |
| Dual Supply | +/-30V |
طراحی فیلتر صوتی:
در اینجا یک فیلتر پایین گذر Sallen Key با استفاده از OPAMP LM7332 طراحی شده است. فرکانس قطع 200 هرتز و ضریب کیفیت 0.707 در نظر گرفته شده است. همچنین با فرض اینکه تعداد قطب ها برابر با 1 و مقدار C1 برابر با 0.1uF باشد، مقدار C2 را می توان 0.1uF محاسبه کرد. با فرض یکسان بودن R1 و R2، مقدار را می توان با جایگزین کردن مقادیر شناخته شده در معادله پیدا کرد.
R1 = R2 = Q/(2*pi*fc*C2)
این مقدار 5.6K برای هر مقاومت به دست می دهد. در اینجا ما مقاومت های 6K را به عنوان R1 و R2 انتخاب می کنیم. از آنجایی که ما یک فیلتر افزایش حلقه بسته می خواهیم، به مقاومت در ترمینال غیر معکوس نیاز نداریم، که به ترمینال خروجی متصل است.
طراحی پیش تقویت کننده:
پیش تقویت کننده بر اساس عملکرد کلاس A ترانزیستور 2N222A است. از آنجایی که توان خروجی مورد نیاز 100 وات و مقاومت بار 4 اهم است، در اینجا به ولتاژ تغذیه 30 ولت نیاز داریم.
با فرض جریان ساکن کلکتور 1 میلی آمپر و ولتاژ ساکن کلکتور نیمی از ولتاژ تغذیه، یعنی 15 ولت، مقدار مقاومت بار برابر با 15K محاسبه می شود.
R5 = (Vcc/2Icq)
جریان پایه با Ib = Icq/hfe داده می شود
با جایگزینی مقادیر hfe یا افزایش جریان AC، جریان پایه برابر با 0.02 میلی آمپر است. جریان بایاس، Ibias ده برابر جریان پایه، یعنی 0.2 میلی آمپر فرض می شود.
ولتاژ امیتر 12 درصد ولتاژ تغذیه، یعنی 3.6 ولت در نظر گرفته شده است. سپس ولتاژ پایه Vb برابر است با Ve +0.7، یعنی 4.3V.
سپس مقادیر R3 و R4 به صورت داده شده محاسبه می شوند:
R3 = (Vcc – Vb)/ Ibias و R4 = Vb/Ibias
با جایگزینی مقادیر، R3 برابر با 130 K و R4 برابر با 22K دریافت می کنیم.
مقاومت امیتر برابر با 3.6K (Ve/Ie) محاسبه شده است. با این حال این مقاومت بین دو مقاومت R6 و R7 مشترک است، جایی که R7 به عنوان مقاومت بازخوردی برای کاهش اثر جداسازی C4 استفاده می‌شود. مقدار R7 با مقادیر R5 و بهره محاسبه می شود و برابر با 300 اهم است. سپس مقدار R6 برابر با 3.2K است.
از آنجایی که راکتانس خازنی C4 باید کمتر از مقاومت امیتر باشد، مقدار C4 را برابر با 1uF محاسبه می کنیم.
طراحی تقویت کننده قدرت:
تقویت کننده قدرت با استفاده از ترانزیستور دارلینگتون TIP142 و TIP147 در حالت کلاس AB طراحی شده است. دیودهای بایاس به گونه ای انتخاب می شوند که خواص حرارتی آنها برابر با ترانزیستورهای دارلینگتون باشد. در اینجا 1N4007 را انتخاب کنید.
از آنجایی که مقدار زیادی از مقاومت بایاس برای جریان بایاس کم مورد نیاز است، R9 را برابر با 3K انتخاب می کنیم.
مرحله درایور برای ارائه یک ورودی امپدانس بالا به تقویت کننده قدرت استفاده می شود. در اینجا ما از ترانزیستور قدرت TIP41 در حالت کلاس A استفاده می کنیم. مقاومت امیتر، R8 با مقادیر ولتاژ امیتر، Ve (1/2Vcc- 0.7) و جریان امیتر، یعنی (برابر جریان کلکتور، یعنی 0.5A) داده می شود و برابر با 28.6 اهم است. در اینجا ما یک مقاومت 30 اهم را انتخاب می کنیم.
مقدار مقاومت بوت استرپ R10 باید به اندازه ای باشد که امپدانس بالایی برای ترانزیستورهای دارلینگتون فراهم کند. در اینجا R10 را 3K انتخاب می کنیم.
عملکرد مدار تقویت کننده ساب ووفر:
سیگنال صوتی توسط فیلتر پایین گذر Sallen Key با استفاده از OPAMP فیلتر می شود به طوری که فقط فرکانس های زیر و برابر با 200 هرتز عبور داده می شوند و فیلتر باقی می مانند. این سیگنال فرکانس پایین از طریق خازن کوپلینگ C3 به ورودی ترانزیستور Q1 داده می شود. ترانزیستور در حالت کلاس A کار می کند و یک نسخه تقویت شده از سیگنال ورودی را در خروجی خود تولید می کند. سپس این سیگنال تقویت شده توسط Q2 به سیگنال امپدانس بالا تبدیل می شود و به تقویت کننده توان کلاس AB داده می شود. دو ترانزیستور دارلینگتون به گونه ای عمل می کنند که یکی برای نیم سیکل مثبت و دیگری برای نیم سیکل منفی هدایت می شود، بنابراین یک سیکل کامل سیگنال خروجی تولید می کند. مقاومت امیتر R11 و R13 برای به حداقل رساندن هر گونه اختلاف بین ترانزیستورهای منطبق استفاده می شود. از دیودها برای اطمینان از حداقل اعوجاج متقاطع استفاده می شود. سپس از این سیگنال خروجی توان بالا برای راه اندازی یک بلندگو یا ساب ووفر با امپدانس کم، حدود 4 اهم استفاده می شود.
کاربردهای مدار تقویت کننده ساب ووفر:
از این مدار می توان در سیستم های سینمای خانگی برای راه اندازی ساب ووفرها برای تولید موسیقی با کیفیت بالا و باس بالا استفاده کرد.
از این مدار می توان به عنوان تقویت کننده قدرت سیگنال های فرکانس پایین نیز استفاده کرد.
محدودیت های مدار:
مدار فیلتر تمایل به افزایش سطح DC سیگنال صوتی دارد و باعث اختلال در بایاس می شود.
استفاده از دستگاه های خطی باعث اتلاف توان و در نتیجه کاهش راندمان مدار می شود.