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Link Articolo Originale: http://it.emcelettronica.com/ampli-mosfet-220-watt-12

Vi proponiamo la realizzazione di un amplificatore mosfet che può darvi molte soddisfazioni e soprattutto la potenza necessaria per diffondere musica all’aperto.

La musica è bella e in alcuni casi per gustarla al meglio bisogna dare un po’ di volume; se vi capita spesso di dover tirare per il collo il vostro impianto hi-fi senza riuscire ad ottenere quello che volete, non vi resta che una soluzione: cambiare almeno l’amplificatore.
Naturalmente con uno di maggior potenza. Se avete un po’ di soldi da spendere il problema è risolto: basta andare in un negozio a comperare quello che fa per voi. Altrimenti non vi resta che improvvisarvi abili tecnici elettronici e, con l’aiuto di questo articolo, costruire con le vostre mani un super amplificatore che soddisfi la vostra “fame” di watt.

Non è difficile, altrimenti non staremmo qui a proporvelo; l’idea (ovvero il progetto) ce la mettiamo noi, cosicché a voi non resta che la parte più facile e interessante: il montaggio e la messa a punto. L’idea, cioè il “succo” di questo articolo, è uno schema che abbiamo realizzato appositamente per l’occasione; si tratta di un amplificatore BF capace di erogare oltre 220 watt R.M.S. su 4 ohm, e circa 140 watt su 8 ohm. Insieme alla bella potenza il nostro amplificatore offre un bel suono, garantito dallo stadio finale realizzato con due coppie complementari di mosfet Hitachi: i nuovi 2SK1058 e 2SJ162. L’impiego di mosfet di potenza al posto dei tradizionali transistor bipolari rende il nostro amplificatore adatto ad impieghi gravosi quali l’uso in impianti di sonorizzazione per sale da ballo, feste, piccoli concerti, ecc.; infatti il mosfet distorce in maniera diversa dal transistor BJT, producendo comunque un suono più dolce anche qualora un picco di potenza facesse arrivare al taglio (clipping) la forma d’onda applicata all’altoparlante.

Inoltre il mosfet ha un coefficiente di temperatura positivo, il che significa che limita la propria corrente di drain (e di conseguenza quella di source) in funzione della temperatura che raggiunge; perciò se impiegato a potenze molto elevate l’amplificatore tendesse a surriscaldare, automaticamente i finali limiterebbero l’erogazione di potenza ad un valore non dannoso.

Vi proponiamo quindi la realizzazione di un amplificatore che, pur non volendo fare concorrenza ai più accreditati prodotti commerciali, può darvi molte soddisfazioni e soprattutto la potenza necessaria per diffondere musica all’aperto o per poter ascoltare come si deve la musica classica, i cui “pieni” d’orchestra, per la loro straordinaria dinamica, possono essere ascoltati senza distorsione e in tutta la loro forza solo con un amplificatore molto potente, anche se tenuto normalmente a basso volume. Se volete capire meglio come è fatto l’amplificatore che vi proponiamo, e che cosa lo caratterizza, seguiteci perché ora andiamo ad esaminarne lo schema elettrico.

Potete subito notare lo stadio finale realizzato dai mosfet T9, T10, T11 e T12, che lavorano in simmetria complementare; l’adozione di due coppie in parallelo è stata dettata principalmente dalla necessità di erogare al carico la corrente necessaria ad ottenere la massima potenza su 4 ohm: un solo mosfet (sia esso un 2SK1058 o un 2SJ162) può erogare 7 ampère (valore corrispondente alla massima corrente di drain) mentre per ottenere i 220 watt su 4 ohm di ampère ne occorrono almeno 7 e mezzo.

I mosfet sono pilotati in parallelo a due a due, ovvero i 2SK1058 ricevono il medesimo segnale di gate e lo stesso accade per i due 2SJ162. Per minimizzare gli effetti delle differenze di amplificazione tra i mosfet di ciascun ramo, entrambi hanno in serie al source una resistenza che funziona come elemento di retroazione.

Quindi le resistenze R25, R26, R27, R28, retroazionano i mosfet limitandone l’amplificazione e rendendola uguale per tutti, indipendentemente dai parametri individuali. Notate che le resistenze di source non sono necessarie nel caso in cui si impiega una sola coppia di mosfet, poiché non è necessaria alcuna retroazione, nemmeno quella in continua; infatti, come abbiamo detto poco fa, i mosfet limitano automaticamente la corrente nel proprio canale in funzione della temperatura a cui lavorano.

Lo stadio realizzato con i mosfet non è che la parte finale del nostro amplificatore, cioè quella che deve alimentare l’altoparlante e perciò deve poter fornire una tensione di ampiezza notevole e tutta la corrente che serve.

I mosfet funzionano connessi a source comune, perciò sono pilotati a coppie da un segnale la cui ampiezza è un po’ più alta di quella del segnale che alimenta l’altoparlante. Il segnale di pilotaggio viene dato da ciò che li precede, cioè dallo stadio preamplificatore e pilota; vediamo le cose con ordine: il segnale in arrivo dalla fonte BF (preamplificatore hi-fi, registratore, lettore CD, mixer, ecc.) viene applicato ai punti marcati con “IN” dai quali procede verso il primo stadio amplificatore.

La parte del circuito che amplifica per prima il segnale è il differenziale composto da T2 e T3; entrambi sono transistor PNP a basso rumore, tra i migliori per quanto riguarda la realizzazione di stadi amplificatori d’ingresso. T2 e T3 sono 2N3963, come T1, che nel circuito funge da generatore di corrente costante per il differenziale. La presenza del generatore di corrente costante contribuisce a ridurre la distorsione dell’amplificatore poiché riduce l’ampiezza della componente di modo comune all’uscita del differenziale.

T1 è polarizzato mediante il partitore formato da R2, R4 ed R5; il trimmer R4 permette quindi di regolarne la corrente di collettore, perciò il valore della tensione continua (offset) all’uscita dell’intero amplificatore. La tensione presente tra il collettore del T2 e il ramo d’alimentazione negativa dell’amplificatore serve a polarizzare T5; quest’ultimo, un BF471, funge da amplificatore del segnale del differenziale.

Il carico di collettore di T5 non è la solita resistenza ma qualcosa di più complesso: un altro generatore di corrente costante, realizzato in questo caso con il transistor PNP T4. Quest’ultimo è il complementare del T5, cioè un BF472, ed è polarizzato mediante le resistenze R12 , R13, e R15.

CARATTERISTICHE TECNICHE

Potenza di uscita r.m.s. su 4 Ohm .... 220 watt
Potenza di uscita r.m.s. su 8 Ohm .... 140 watt
Banda Passante ................................. 10-60.000 Hz
Distorsione armonica totale .............. 0,1 %
Rapporto segnale/disturbo ................ 102 dB
Sensibilità di ingresso ....................... 0,81 V r.m.s. (4 ohm)
1 V r.m.s. (8 ohm)
Tensione di alimentazione max ........ 65 volt per ramo
Corrente massima assorbita ............. 4 A (4 ohm)

Abbiamo preferito il generatore di corrente alla solita resistenza principalmente per una ragione: con le tensioni di alimentazione che occorrono al buon funzionamento dell’amplificatore la resistenza di collettore per T5 avrebbe dovuto essere di valore abbastanza elevato (circa 30 Kohm).
Pertanto inevitabilmente l’amplificatore avrebbe presentato una certa distorsione della forma d’onda di uscita, dovuta ad un appiattimento delle semionde positive.

Per capire questo concetto occorre considerare l’amplificatore impegnato ad amplificare un segnale sinusoidale: in semionda negativa T5 va maggiormente in conduzione (rispetto alla condizione di riposo) e polarizza maggiormente T8, la cui corrente di base scorre senza problemi nel collettore del T5; in semionda positiva T5 tende ad interdirsi, cosicché diminuisce la caduta sulla sua resistenza di collettore e la base di T7 assume un potenziale via via crescente. E’ chiaro che in un transistor NPN aumentando il potenziale di base cresce la corrente in questo stesso terminale, ma è altrettanto chiaro che questa corrente deve venire da qualche parte: dal ramo positivo di alimentazione, attraverso la resistenza di collettore di T5.

E’ quindi evidente che quando T7 conduce di più, la corrente richiesta aumenta e ciò provoca maggior caduta sulla resistenza di collettore; è altrettanto evidente che la caduta di tensione forza l’abbassamento del potenziale di base di T7, che perciò non può entrare in conduzione più di tanto.

Quindi la tensione di uscita dell’amplificatore può venire cimata ad un valore limite minore di quello relativo alla semionda negativa, determinando perciò distorsione. Con il generatore di corrente tutto ciò viene evitato; vediamo come: se la corrente di collettore di T4 (generatore) è costante è ovvio che quando T5 tende ad interdirsi e la sua corrente di collettore diminuisce, quella che avanza può alimentare senza difficoltà la base del T7, che quindi può condurre fino al limite e comunque al pari di T8 (in semionde diverse, naturalmente).

Il segnale presente sui collettore di T4 e T5 polarizza la coppia di transistor pilota T7 e T8; questi ultimi lavorano a collettore comune, quindi come amplificatori di corrente, e nel nostro circuito servono ad abbassare l’impedenza dello stadio preamplificatore in modo da pilotare senza difficoltà i mosfet, anche quando (in alta frequenza ai transienti) i loro terminali di gate assorbono picchi di corrente non trascurabili. Il transistor collegato tra le basi di T7 e T8 permette di stabilire con esattezza la corrente dell’intero amplificatore a riposo, cioè in assenza di segnale all’ingresso; allo scopo abbiamo inserito il trimmer R16 che ci permette di determinare il grado di polarizzazione del T6.

Il funzionamento della regolazione è semplice: più il transistor conduce, maggiore è la sua corrente di collettore; la corrente che scorre nel collettore di T6 passa da quello di T4 a quello di T5, perciò viene sottratta alle basi di T7 e T8 che quindi vengono polarizzati un po’ meno. Regolando il trimmer R16 in modo da polarizzare di meno T6, così da farlo tendere all’interdizione, diminuisce la corrente sottratta alle basi di T7 e T8, che perciò possono essere polarizzati maggiormente, avendo una maggior corrente di collettore. La corrente di collettore di T7 e T8 è poi proporzionale a quella di emettitore, che determina la caduta di tensione ai capi di R19 (per T7) ed R20 (per T8) e quindi la differenza di potenziale Vgs dei mosfet. Più è elevata tale tensione, maggiore è il valore della corrente di drain di ogni singolo mosfet, quindi la corrente assorbita a riposo dall’amplificatore.

Minore è la polarizzazione (potenziale di base) di T7 e T8, minore è la Vgs dei singoli finali che perciò conducono meno ed hanno così una minor corrente di drain. Questo, l’abbiamo detto, vale a riposo, perché quando l’amplificatore lavora con segnale BF all’ingresso la corrente che assorbe cambia continuamente ed è sicuramente superiore; infatti non scorre solamente tra i due rami di alimentazione ma va anche nell’altoparlante collegato all’uscita (punti OUT).