Warum kann ein Klasse-A-Verstärker keinen 8-Ohm-Lautsprecher mit nur einem BJT ansteuern?

Es kann getan werden. Entfernen Sie Rs und C2. Lassen Sie Ihren Sprecher RL sein. RE1 und RE2 sollten kleiner sein, da sie den Spannungshub über RL ernsthaft begrenzen.

Bereiten Sie sich darauf vor, kontinuierlich etwa 9 W zu verschwenden, die Hälfte davon im Lautsprecher und möglicherweise RE und die andere Hälfte in Q1, wenn Sie die maximale theoretische Audioausgangsleistung wünschen. Ich wette, 2N3904 hält keine Sekunde, du brauchst etwas Stärkeres und gut Gekühltes.

HINZUFÜGEN aufgrund der Kommentare:

Die 12-V-Versorgung ermöglicht einen Spitzenspannungshub von etwa 6 V. Der Gleichstromwiderstand des 8-Ohm-Lautsprechers liegt nahe bei 8 Ohm. Nehmen wir an, es sind 7 Ohm. Etwas RE ist nützlich für Linearität und thermische Stabilität. Nehmen wir ein RE, nur 1 Ohm. Jetzt haben wir 6 VDC über 8 Ohm. Das bedeutet Strom = 750 mA. Das bedeutet 9W DC Ausgangsleistung von 12V im Ruhezustand.

Der Lautsprecher sollte 750 mA Gleichstrom aushalten, wenn er beispielsweise 10 Watt verarbeiten kann.

Konstruktionen wie diese wurden von Bastlern in früheren Zeiten (z. B. 1960 - 1970) verwendet, weil sie ohne komplexe Gegentaktstufen eine akzeptable Audiosignal-Wechselstromleistung von ein paar Watt erhalten konnten und der kontinuierliche Leistungsverlust kein Problem war, wenn man 12 V verwendete Autobatterie als Energiequelle. Ein 20 cm x 20 cm x 4 mm großer Aluminiumkühlkörper konnte den Transistor ausreichend kühl halten. Der Preis der Transistoren und anderer Komponenten ist heute so niedrig, dass es sinnlos ist, die normale Gegentakt-Ausgangsstufe zu vermeiden. Selbst ein Class-A-Verstärker funktioniert am besten im Gegentakt.

Ein Trick : Legen Sie eine massive Induktivität parallel zum Lautsprecher. Der Gleichstrom fließt nicht durch den Lautsprecher und Sie können die Ausgangswechselstromleistung vervielfachen, da der Spannungshub mehr als 12 Vpp betragen kann. Der Induktor sollte etwa 50 mH oder mehr haben und sein Eisenkern sollte groß genug sein, um der Gleichstrommagnetisierung standzuhalten, ohne gesättigt zu werden.

Theoretisch können Sie demselben Induktorkern eine DC-Sättigungskompensationswicklung hinzufügen, wenn Sie den kompensierenden DC durch einen anderen Lautsprecher treiben, um den ausgegebenen AC aufzunehmen. Sonst ist es ein kurzgeschlossener Trafo.

Eine andere Möglichkeit zur Kompensation besteht darin, dem Magnetkreis einen Permanentmagneten hinzuzufügen.

Übersicht über das Design von Klasse-A-Verstärkern

Nachdem ich diese beiden Videos Single transistor, 1W und Adventures in a one transistor audio amplifier gesehen hatte , musste ich einen etwas vernünftigeren Designansatz veranschaulichen. Um zu beginnen, hier ist die Grundidee, wie man einen Lautsprecher antreibt (ohne einen flussbegrenzenden Audiotransformator mit Lücken finden und verwenden zu müssen – den Sie definitiv brauchen werden, wenn Sie vorhaben, Gleichstrom durch die Primärwicklung zu leiten):

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

$Q_1$ist ein Emitterfolger und kann Strom in den Lautsprecher speisen.$Q_2$ist ein gemeinsamer Emitter und kann Strom von der Last ziehen. Zusammen können sie einen fairen Job beim Sinken und Beschaffen von Strom leisten.

Ein 3. BJT liefert die erforderliche Spannungsdifferenz:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Beachten Sie, dass ich zwei Schaltpläne gezeigt habe.

Auf der linken Seite habe ich den Lautsprecher etwas anders angeschlossen (was auch gut funktionieren würde), um den Übergang in den rechten Übergang zu erleichtern. Ich habe auch den 3. BJT hinzugefügt, der benötigt wird. Links oben ist auch eine Stromquelle$Q_3$und ein kleiner Widerstand, um einen kleinen Überstrom zu senken.

Auf der rechten Seite habe ich das Design gebootstrapped, um die auf der linken Seite angegebene Stromquelle bereitzustellen. Kondensator$C_1$wird eine Spannung darüber entwickeln, die ziemlich konstant bleibt. Auch,$Q_1$'S$V_\text{BE}$wird auch eine relativ feste Spannung darüber haben. Als Folge Widerstand$R_2$wird eine nahezu feste Spannung darüber haben. Es bildet also das Äquivalent einer Konstantstromquelle. Genau das, was wir brauchten.

Designdetails des Klasse-A-Verstärkers

Das Design nimmt bereits Gestalt an. Aber es ist an der Zeit, einige Parameter einzugeben. In diesem Fall,$V_\text{CC}=12\:\text{V}$(in Übereinstimmung mit einem der Videos.) Ich möchte ungefähr gehen$1.5\:\text{V}$ $V_\text{CE}$Headroom für die beiden BJTs,$Q_1$Und$Q_2$, um sie aus der Sättigung zu halten und etwas Anständiges zu haben$\beta$übrig bleiben. Das bedeutet, dass ich herumgekommen bin$12\:\text{V}-2\cdot 1.5\:\text{V}=9\:\text{V}$der verbleibenden Schwingeneinspeisung$C_1$. So$V_\text{PEAK}=\frac{9\:\text{V}}{2}=4.5\:\text{V}$, oder$V_\text{RMS}=\frac{V_\text{PEAK}}{\sqrt{2}}\approx 3.2\:\text{V}$.

Die maximale Leistung in den Lautsprecher wird dann etwa sein$\frac{V_\text{RMS}^2}{8\:\Omega}\approx 1\frac{1}{4}\:\text{W}$.

Wir können jetzt den Spitzenstrom zum Lautsprecher als abschätzen$\frac{4.5\:\text{V}}{8\:\Omega}\approx 560\:\text{mA}$.$Q_2$muss so viel Strom versenken, plus etwas zusätzlichen Strom, um im Klasse-A-Betrieb zu bleiben. Lassen Sie uns dieses Minimum auf ungefähr setzen$100\:\text{mA}$. Also der Spitzenkollektorstrom für$Q_2$(und der Spitzenemitterstrom für$Q_1$) wird ungefähr sein$660\:\text{mA}$. Unter der Annahme eines aktiven$\beta=60$(das können wir erreichen), dies bedeutet, dass die Spitzenbasisströme in der Größenordnung von liegen$11\:\text{mA}$.

An diesem Punkt werde ich den D44H11 BJT im TO-220-Paket auswählen, da ich weiß, dass ich in jedem ein oder zwei Watt verbrauchen werde. Aus dem Datenblatt schätze ich einen Peak$V_\text{BE}\approx 800\:\text{mV}$. Ich würde gerne versinken$1.5\:\text{mA}$mit$R_1$, das suggeriert also$R_1=\frac{800\:\text{mV}}{1.5\:\text{mA}}\approx 533\:\Omega$. Also werde ich setzen$R_1=560\:\Omega$.

Ich will das Notwendige$11\:\text{mA}$, plus dies hinzugefügt$1.5\:\text{mA}$, In$R_2$. So$R_2=\frac{6\:\text{V}-800\:\text{mV}}{11\:\text{mA}+1.5\:\text{mA}}=416\:\Omega$. Ich stelle es etwas wärmer an$R_2=390\:\Omega$.

Aktualisieren wir den Schaltplan:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

NFB wird benötigt, um den Ausgang zu linearisieren und die AC-Verstärkung einzustellen. Also habe ich dieses Feedback-Netzwerk oben hinzugefügt, mit dem Zusatz von$R_3$,$R_4$, Und$C_2$. Ich werde eine AC-Verstärkung von wählen$15$, So$R_3=15\cdot R_4$.

Seit$Q_3$macht irgendwie einen Darlington aus$Q_2$, der Basisstrom erforderlich für$Q_3$wird in der Größenordnung von sein$\frac{13\:\text{mA}}{\beta=150}\approx 90\:\mu\text{A}$. (Es wird oft weniger sein, aber das ist sicher.) Das bedeutet also, dass ich möchte, dass ein Kollektorstrom für den vierten BJT ungefähr 10-mal höher oder ungefähr ist$1\:\text{mA}$.$C_2$muss nur "groß genug" sein. Ich könnte in die Details gehen, um das zu zeigen$1\:\mu\text{F}$könnte in Ordnung sein. Aber machen wir es 10x größer. So$C_2=10\:\mu\text{F}$.

Lassen Sie uns den 4. BJT anschließen, damit wir die obigen Details in einem besseren Licht besprechen können:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Jetzt können Sie sehen, dass ich bereits Werte für die AC-Verstärkungswiderstände und eingegeben habe$R_5$(hier neu hinzugefügt.) Ich habe dies getan, indem ich mich daran erinnerte, dass ich oben erwähnt habe, dass der Kollektorstrom für$Q_4$sollte sein$1\:\text{mA}$. Wenn Sie sich erinnern, stelle ich fest, dass die Mittenspannung eingespeist wird$C_1$wird ein Ruhetag sein$6\:\text{V}$. Ich würde gerne etwa die Hälfte davon über die fallen lassen$V_\text{CE}$von$Q_4$und den Rest teile ich gleichmäßig auf$R_3$Und$R_5$. Diese Werte sind also gesetzt. Und da der Gewinn 15 ist, ist der Wert von$R_4$wird damit auch gesetzt. Wie auf dem obigen Schema gezeigt.

Das einzige verbleibende Problem ist die Voreingenommenheit$Q_4$. Sie können im obigen Schema sehen, dass ich einige Teile hinzugefügt habe, um dies zu erreichen. Seit$Q_4$Der Kollektorstrom von beträgt ca$1\:\text{mA}$, wird der Basisstrom deutlich unter sein$10\:\mu\text{A}$. Ich beschloss, ungefähr zu wählen$80\:\mu\text{A}$für den Vorspannungsstrom in$R_6$Und$R_7$, um es steif genug zu machen. Ich brauche eine Basisspannung für$Q_4$von etwa$6\:\text{V}-1.5\:\text{V}-70\:\text{mV}=3.8\:\text{V}$. So$R_6=R_7=\frac{3.8\:\text{V}}{80\:\mu\text{A}}\approx 47\:\text{k}\Omega$.

$C_4$gibt mir einen AC-Boden für einen ausgewogenen Mittelpunkt. Bleibt nur noch zu rechnen$R_8=\frac{12\:\text{V}-3.8\:\text{V}}{80\:\mu\text{A}}-R_6=55.5\:\text{k}\Omega$. So$R_8=56\:\text{k}\Omega$.

Hier ist der endgültige Schaltplan:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Das ist ein Klasse-A-Verstärker, Bildungsniveau, nicht professionell.

(Update: Ich habe einen notwendigen Kompensationspolkondensator hinzugefügt,$C_5$, zu der obigen Schaltung mit einem Nennwert, den ich für richtig halte. Es war wichtig, um die hohen Frequenzen abzurollen. Also ist es jetzt enthalten.)

Ich habe versprochen, eine Klasse-AB hinzuzufügen. Es sind einige Anpassungen erforderlich, um mit diskreten BJTs umzugehen, die nicht enthalten sind, und es sind keine Diskussionen darüber erforderlich. Also noch einmal, das ist eher ein Bildungsniveau - obwohl ich davon ausgehe, dass Sie immer noch passable Ergebnisse erzielen würden, wenn Sie es bauen würden.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Es enthält Temperatur und Gerät$\beta$Und$V_\text{CE}$Anpassungskompensation für den Diff-Amp und die Spiegel sowie einige andere Bereiche. Anpassungen für den VBE-Multiplikator verfügbar, damit der Ruhestrom dort eingestellt werden kann, wo Sie ihn haben möchten, und damit auch die parabolische thermische Reaktion optimiert werden kann.