Leistungsprobleme des Verstärkers, Einschränkungen der Stromversorgung oder Basisstromaufnahme der Endstufe

Ich bekomme eine schöne Sinuswelle mit etwa 6,5 ​​V Spitze zu Spitze ... Leistungsendstufe, die mit einem Paar BC547-npn- und BC557-pnp-Transistoren aufgebaut ist. Es gibt mir eine schöne, saubere, unverzerrte Welle am Ausgang. Wenn ich jedoch den kleinen Lautsprecher mit einer Nennleistung von 8 Ω und 5 W anschließe, werden die Ausgangswellen plötzlich bei etwa 2 V von Spitze zu Spitze stark begrenzt

Bedenken Sie, dass der Strom durch 8 Ω bei 3,25 V ~400 mA beträgt. Ihre Transistoren sind nur für ein absolutes Maximum von 100 mA ausgelegt , sodass dies weit über ihrer Nennleistung liegt. Um den Spitzenausgangsstrom innerhalb der Nennwerte der Transistoren zu halten, müssen Sie die Spitzenspannung auf weniger als 8 Ω * 0,1 A = 0,8 V reduzieren.

Bei 2 V beträgt der Ausgangsstrom 2 V / 8 Ω = 0,25 A, weit unter der Kapazität Ihres Netzteils. Die eigentliche Ursache für das Clipping ist, dass der Operationsverstärker aufgrund des internen Spannungsabfalls in der bipolaren Ausgangsstufe des Operationsverstärkers (~2 V) und des Basis-Emitters nicht die erforderliche Treiberspannung liefern kann, um den Ausgang auf 3,25 V zu bringen Sperrschicht des externen Transistors (~1 V).

Dies ist ein häufiges Problem, mit dem Niederspannungs-Audio-Leistungsverstärker konfrontiert sind. Der Spannungsabfall kann durch Verwendung einer quasi-komplementären Ausgangsstufe minimiert werden, und die Treiberspannung kann durch „Bootstrapping“ vom Ausgang erhöht werden. Dazu benötigen Sie jedoch eine vollständig diskrete Leistungsverstärkerstufe.

Der einfachste Weg, Ihr Verzerrungsproblem zu lösen, besteht darin, einfach die Treiberamplitude zu reduzieren, wodurch auch der Spitzenstrom unter die Transistornennwerte fällt. Wenn es Ihnen egal ist, Ihre Transistoren zu überlasten, können Sie eine 12-V-Versorgung verwenden, um zusätzliche 2 V Spitzen-„Headroom“ zu erhalten, aber Sie müssen eine „virtuelle Erde“ bei der halben Versorgungsspannung und der AC-Kopplung schaffen Eingang und Ausgang. Die Schaltung würde in etwa so aussehen: -

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Diese Operationsverstärker haben bjt-Ausgänge, sodass Sie am Ausgang des Operationsverstärkers einen Vdrop von 1,2 Volt erleiden. Wenn Sie nun weitere Transistoren hinzufügen, um den Treiberstrom zu erhöhen, ist dies ein weiterer Abfall von 0,6 Volt oder 1,2 Volt, wenn Sie Darlingtons verwenden. 5 Volt minus 1,8 lassen nur +/-3,2 Volt, um den Lautsprecher anzutreiben, +/-2,6 Volt, wenn Sie Darlingtons verwenden. Das Hinzufügen einer 8-Ohm-Last senkt dies auf ein paar Volt am Lautsprecher.

Normalerweise haben Niederspannungslautsprecher 16 Ohm bis 32 Ohm, sodass der Ausgang den vollen Spannungshub hat, selbst wenn es nur wenige Volt sind. Denken Sie an die niedrige Spannung in Mobiltelefonen, aber die Ohrstöpsel können ziemlich laut werden. Ohrstöpsel sind typischerweise =>16 Ohm und 32 Ohm ist üblich.

Wenn Sie einen Brückenausgang bauen könnten, könnten Sie die vierfache Leistung in dieselbe Last pumpen, aber wie in den Kommentaren erwähnt, muss die Ausgangsstufe richtig ausgelegt sein, insbesondere wenn Sie eine geringe Verzerrung wünschen. Schlagen Sie „Leistungsverstärker-Schaltpläne“ nach und studieren Sie die Ausgangsstufen. Obwohl Sie nur +/- 5 Volt und nicht +/- 50 Volt haben, kann es funktionieren, aber das direkte Ansteuern von 8-Ohm-Lasten mit hoher Lautstärke ist aufgrund von Vdrop pro Ausgangsstufe nicht möglich.

Ich habe es herausgefunden, dank des Hinweises, dass der Operationsverstärker nicht genug Basisstrom speisen konnte. Es war schließlich nicht das Netzteil – abgesehen von der Tatsache, dass die Spannung nicht ausreicht, um diesen kleinen 5-W-Lautsprecher voll auszulasten.

Da alle sagten, dass die Darlington-Konfiguration mir einen zusätzlichen Basis-Emitter-Spannungsabfall bescheren würde, dachte ich, ich würde es mit Sziklai versuchen, und dann habe ich stattdessen ein quasi-komplementäres Push-Pull-Paar gemacht, weil ich es auf Google-Bildern nachgeschlagen habe und bekam die falschen Schaltpläne. Aber siehe da, es hat wunderbar funktioniert!

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Und das alles habe ich nicht gemacht, bevor ich mein ganzes Steckbrett aufgeräumt habe, um wirklich ordentlich angeordnet zu sein, dafür musste ich den LM324-Chip um 180 Grad drehen, um V+ auf der oberen Schiene und V- auf der unteren zu bekommen, ich bin das pedantisch Weg. Die obere Stromschiene des Steckbretts hat V + auf + und GND auf - darüber. Die untere Stromschiene hat V- auf der - Schiene und GND auf der + Schiene (weil GND positiv von V- ist). Auf diese Weise komme ich nicht durcheinander und habe überall viele Kondensatoren hinzugefügt, um den Strommangel loszuwerden, alles schön und stabil.

Ich möchte Ihnen auch zeigen, wie genial der Op-Amp-Treiber für die Endstufe ist , weil er die Übergangsverzerrung wirklich wunderbar beseitigt. Wie ich hier irgendwo in einem Kommentar erwähnt habe, können Sie sogar sehen, wo die obere Welle und die untere Welle zusammengeklebt sind, wenn der Operationsverstärker während des Übergangsmoments durch die Totzone springt. Es ist wunderschön.

Ich zeige immer noch die abgeschnittene Version von der Basisstromverknappung durch den Operationsverstärker, damit Sie deutlich sehen können, welches das Signal am Eingang von OA3 ist und welches das Signal am Ausgang der Endstufe ist. Sie sehen diese "Pixel" -Effekte auf dem Oszilloskop, es zeigt sich als 3 Punkte oder ein kleines Wackeln am Ausgang, aber nichts Wichtiges, und am Eingang sehen Sie einen einzelnen Punkt, der möglicherweise vom Umschalten des benachbarten Operationsverstärkers in denselben stammt Chip oder von der plötzlichen Stromänderung.

Und hier ist dann endlich das Ein- und Ausgangssignal auch unter Belastung des Lautsprechers mit der Endstufe mit dem TIP31 in diesem quasi-komplementären Darlington-Paar-Setup, und siehe da, ich bekomme keine Probleme mit weiteren Spannungseinbrüchen, ich Ich denke, das ist alles dank der Operationsverstärker-Treiberstufe, die in der Lage ist, alle Probleme zu kompensieren, ohne die Spitzen zu beschneiden. Es ist pure Operationsverstärker-Magie. (Ich weiß nicht, ob der Typ vom YouTube-Kanal „Simply Put“ nicht ein Patent für diese Schaltung hätte anmelden sollen, denn es sieht so aus, als hätte hier niemand gewusst, wie gut sie funktioniert!)

Können Sie sagen, welche Kurve das Eingangssignal ist und welche am Lautsprecher gemessen wird, während er eingeschaltet ist? Ich kann es auch nicht, aber wir können die 3 kleinen Flecken am Abhang sehen, die wir auf der abgeschnittenen Kurve gesehen haben.

Ein paar mehr verschiedene Frequenzen. Das Obige war ungefähr 1,5 kHz (Bereich bei 0,1 ms pro Teilung). Jetzt maximal die höchste Frequenz, die ich bekommen kann, 25 kHz. Sie sehen, der Gewinn ist schrecklich. Ich denke, vom Wellenformgenerator, welche Filter ich für jede Frequenz einstellen muss, bekomme ich ungefähr die gleichen 2 V von Spitze zu Spitze. Aber jetzt bekomme ich nur 3 V von Spitze zu Spitze von der Endstufe, und ich denke, dies ist eine Einschränkung des Operationsverstärkers, da er in einem viel kleineren Bereich stark übersteuert. Das ist also das Beste, was ich tun kann.

Bei 25 kHz (oder sogar 33 kHz?) stammt die obere Welle vom anfänglichen Spannungsfolgerausgang, die untere von der Endstufe:

Die gleiche obere Welle von 25 kHz (oder sogar 33 kHz?) ist die Endstufe am Q3-Emitter, die untere am OA2-Ausgang. Unter Last wellig-pixelig im Downhill.

Ohne Last sind der OA3-Eingang und der Endstufenausgang ziemlich ähnlich, das geschweifte Schaltzeug und irgendwie wirkt sich dies auch auf den OA2-Ausgang aus. Ich nehme an, für eine gute Hi-Fi-Leistung sollte ich kein 4-fach-Operationsverstärkerpaket verwenden, sondern jedes mit einem eigenen Kondensator für eine saubere Stromversorgung.

Endlich ist bei 13 kHz wieder ein anständiger Gewinn und unter Last derselbe wellige Pixel-Downslope.

aber nicht ohne last. Wenn du es sehen willst, sag es mir. Genug Scope-Bilder.

Nun also ist dieses Projekt ein voller Erfolg. Morgen werde ich auch die Sziklai-Konfiguration ausprobieren. Und ich werde einen besseren Operationsverstärker bekommen, einen Rail-to-Rail-MOSFET-basierten, TLV2374, wenn ich ihn beschaffen kann.

UPDATE: Jetzt habe ich den LM324 von einer Vielzahl hochwertigerer Operationsverstärkerpakete getrennt, die ich ausprobiert habe, dem NE5533 und dem LM4558. Und das Ergebnis ist viel besser. Ich bekomme eine bessere Verstärkung bei hohen Frequenzen, so ziemlich die gleichen 6 V von Spitze zu Spitze und weniger von diesen Wellen in den Hängen. Ich bin mir nicht sicher über diese gepunkteten Wellen auf den Gefällen, weil ich sie immer noch gesehen habe, als keine Last angelegt wurde.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Dies ist bei meiner maximalen Frequenz und mit Last, viel besserer Verstärkung und weniger Welligkeiten:

Es gibt eine andere Ablaufverfolgung, die ich interessant fand. Dies hier stammt vom Ausgangspin von OA3 (die Rechteckwelle stammt vom 555 vor dem Filtern, das können Sie ignorieren). Dies liegt bei etwa 1,5 kHz, wo ich auf der Endstufe 6 V von Spitze zu Spitze erhalten würde. Und wir können hier sehen, wie der OA3 „überschießen“ muss, um die Übergangsverzerrung zu korrigieren.

Endlich habe ich vorerst angefangen, die Sziklai-Konfiguration auszuprobieren, die nur die hohe Seite in das richtige Sziklai ändert, die niedrige Seite des Quasi-Komplementärs war bereits Sziklai.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Das Enttäuschende ist, dass ich es nicht stabil bekomme. Sicher, es ist Steckbrettzeug mit allen möglichen flockigen Kapazitäten und losen Kontakten, aber es gibt eindeutig ein Problem mit der Stabilität der hohen Seite. Hier ohne Last:

und jetzt mit der Lautsprecherlast:

Es gibt eindeutig ein Problem, diese Seite stabil zu bekommen. Nicht sicher warum. Stimmt etwas mit meinen Teilen nicht? TIP32? Der andere BC547, den ich verwendet habe?

Aber wenn man den hässlichen Flaum außer Acht lässt, scheint es, als ob der Gewinn mit Sziklai auf der hohen Seite größer ist.