¿Cómo seleccionar la resistencia para el seguidor de emisor cuando se conduce el altavoz?

Question

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

El objetivo es conducir 1 vatio al altavoz. R1 representa la impedancia de salida de la etapa de colector común anterior.

Esto es lo que creo saber:

• 1 vatio a 4 ohmios significa 2V RMS o 2,8V de pico.
• Si la beta de Q1 es algo así como 70, entonces la impedancia de entrada del seguidor de emisor es algo así como 700, bastante baja.
• En el estado de reposo C1 está cargado y la corriente a través del altavoz es cero.
• Cuando la tensión sube a +2,8V, 700mA (2,8V/4 ohmios) van a SPKR1. (Confundido sobre si todo va a SPKR1, parece que algunos deben ir a través de R2).
• Cuando el voltaje cae a -2.8V, 700mA son jalados de vuelta a través de SPKR1 y deben ser hundidos a través de R2.

El problema en una frase es que R2 es demasiado alto para hundir la corriente que viene de SPKR1 cuando el voltaje es bajo. Si el voltaje del emisor es de unos 6V, entonces cuando oscila de -2,8V a 3,2V, R2 sólo hundirá 320mV. Así que la corriente de retorno hace que el voltaje del emisor aumente, apagando Q1 y creando un punto plano en la parte inferior de la forma de onda.

Si disminuyo R2, la impedancia de entrada cae y es difícil mantener la oscilación de tensión. Además, la corriente de reposo aumenta y empiezo a necesitar un gran disipador de calor para Q1.

Mi pregunta es: ¿hay algún proceso para determinar un valor para R2 que pueda cumplir el objetivo de conducir 1 vatio al altavoz, o es sólo una pérdida de tiempo?

Answer 1

Como sabes, el pico de la señal de entrada de CA para suministrar una potencia determinada a una carga de altavoz concreta es:

$$V_\text{P}=\sqrt{2\:R\:P}$$

En su caso, con \$1\:\text{W}\$ y \$R_\text{SPKR}=4\:\Omega\$ Esto se traduce en \$V_\text{P}=2.83\:\text{V}\$ y \$I_\text{P}=710\:\text{mA}\$ .

Además, el condensador debe tener una baja impedancia en relación con el altavoz, así que digamos que \$400\:\text{m}\Omega\$ para el condensador. Si decide que \$f=200\:\text{Hz}\$ es la frecuencia más baja que se quiere manejar, esto sugiere una capacitancia de \$2\:\text{mF}\$ . Un poco más grande de lo que muestras. Supongamos también que has ajustado la capacitancia, de forma adecuada.

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En general, se desea que el BJT funcione con un rango dinámico de corriente de colector inferior a 5:1. (Es decir, alrededor de \$42\:\text{mV}\$ variación de \$V_\text{BE}\$ .) Esto significa que su corriente mínima de emisor debe ser \$I_{\text{E}_\text{MIN}}\ge \frac{1}{2}\left[I_\text{P}+\frac{V_\text{P}}{R_\text{E}}\right]=\frac{1}{2}\frac{V_\text{P}}{R_\text{E}\vert\vert R_\text{SPKR}}\$ . En el caso de su circuito, esto significa \$I_{\text{E}_\text{MIN}}\ge 495\:\text{mA}\$ . Sea cual sea la decisión que tomes para \$I_{\text{E}_\text{MIN}}\$ es su elección, sin embargo. Es sólo una recomendación.

Una vez que tienes ese valor, y estoy eligiendo \$I_{\text{E}_\text{MIN}}=500\:\text{mA}\$ se puede calcular que la tensión de reposo del emisor debe ser \$V_{\text{E}_\text{Q}}\ge R_\text{E}\left(I_\text{P}+I_{\text{E}_\text{MIN}}\right)+V_\text{P}\$ . En su caso, esto significa \$V_{\text{E}_\text{Q}}\ge 14.83\:\text{V}\$ . Estoy eligiendo \$V_{\text{E}_\text{Q}}= 15\:\text{V}\$ . (La base de su BJT tendrá que ser conducida con un voltaje de reposo que sea uno \$V_\text{BE}\$ superior).

(Se pueden omitir los pasos indicados anteriormente y simplemente calcular \$V_{\text{E}_\text{Q}}\ge \frac{3}{2}V_\text{P}\left(1+\frac{R_\text{E}}{R_\text{SPKR}}\right)\$ y obtener la misma respuesta. Obsérvese que cuanto mayor sea la relación de \$\frac{R_\text{E}}{R_\text{SPKR}}\$ mayor debe ser la tensión de reposo del emisor).

La tensión de colector del BJT debe ser como mínimo \$2\:\text{V}\$ mayor que la tensión de reposo más el pico. Así que eso te indica el raíl que necesitarás, como mínimo.

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Acabo de hacer una prueba rápida basada en el análisis anterior, salvo que no me he molestado en calcular el \$V_\text{BE}\$ para el BJT. Acabo de establecer el sesgo de CC para la señal de entrada como se muestra. Bastante cerca.

Spice informa de la potencia del altavoz en \$1.0043\:\text{W}\$ y la tensión RMS a través del altavoz como \$V_\text{SPKR}=2.0043\:\text{V}_\text{RMS}\$ . No está mal para disparar desde la cadera, por así decirlo.

Lamentablemente, Spice también informa que la potencia para el BJT aquí es de aproximadamente \$3.9\:\text{W}\$ y para \$R_\text{E}\$ es \$20.7\:\text{W}\$ . Esto ignora todo el material del controlador que normalmente tendría que respaldar esta sección de salida y sólo aumentaría la disipación de energía. Pero en números redondos esto significa quemar alrededor de \$25\:\text{W}\$ en un circuito que entregará \$1\:\text{W}\$ al altavoz. (Lo cual es bueno, supongo, si tienes muchas acciones de tu compañía eléctrica local. Recuperarás parte de tu coste en dividendos).

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Mi pregunta es: ¿existe un proceso para determinar un valor para R2 que que pueda cumplir el objetivo de conducir 1 vatio al altavoz, o es esto una pérdida de tiempo?

Puedes trabajar esto al revés. Dado que su \$V_\text{CC}=12\:\text{V}\$ , entonces encuentra que \$R_\text{E}\le 2.5\:\Omega\$ . (De: \$R_\text{E}\le R_\text{SPKR}\left(\frac{2}{3}\frac{V_\text{CC}-V_\text{P}-2\:\text{V}}{V_\text{P}}-1\right)\$ .)

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NOTAS FINALES

Aquí hay un esquema de LTspice que puede ser utilizado para programar y probar cualquier amplificador de clase A de este tipo. He utilizado un BJT particular en él que puede manejar algo de corriente - pero siéntase libre de cambiarlo. Aparte de eso, las especificaciones son, con suerte, claras. Haz algunos cambios y ejecútalo.

Aparte de configurar los valores de potencia y carga deseados, sólo uno de los dos, ya sea \$R_\text{E}\$ o bien V_ \text {CC}\$ -- puede establecerse, ya que la otra se determina entonces por esa elección. Por lo tanto, establecer exactamente uno de ellos, no ambos. El otro debe ser puesto a cero.

El archivo .ASC sigue aquí para ahorrar tiempo al tener que escribir el esquema anterior, a mano.

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 96 80 96 48
WIRE 32 128 -32 128
WIRE -32 160 -32 128
WIRE 96 192 96 176
WIRE 176 192 96 192
WIRE 288 192 240 192
WIRE 96 224 96 192
WIRE 288 224 288 192
WIRE -32 272 -32 240
WIRE 96 336 96 304
WIRE 288 336 288 304
FLAG 96 336 0
FLAG 288 336 0
FLAG 96 48 Vcc
FLAG -32 272 0
FLAG 288 192 Vspkr
SYMBOL npn2 32 80 R0
SYMATTR InstName Q1
SYMATTR Value D44H11
SYMBOL res 80 208 R0
SYMATTR InstName RE
SYMATTR Value {REV}
SYMBOL cap 240 176 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value {CV}
SYMBOL res 272 208 R0
SYMATTR InstName Rspkr
SYMATTR Value {LOAD}
SYMBOL voltage -32 144 M0
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value SINE({VQ+.7} {VPEAK} 1k)
TEXT 152 32 Left 2 !V99 Vcc 0 {VCCV}
TEXT 152 56 Left 2 !.tran 0 .1 0 100n
TEXT -392 -112 Left 2 !* INPUT SPECIFICATIONS\n.param POWER={1}\n.param LOAD={4}\n.param FMIN={200}
TEXT -392 376 Left 2 !* INTERMEDIATE CALCULATIONS\n.param VPEAK={sqrt(2*POWER*LOAD)}\n.param VQ=if({RE+.5},{3/2*VPEAK*(1+RE/LOAD)},{VCC-VPEAK-2})\n.param REV={LOAD*(2/3*VQ/VPEAK-1)}\n.param VCCV={VQ+VPEAK+2}\n.param CV={5/pi/FMIN/LOAD}
TEXT 48 -112 Left 2 !* SET ONLY ONE OF THESE TO NON-ZERO VALUE\n.param RE={0}\n.param VCC={20}
TEXT -232 -184 Left 2 ;CRAZY-MINDED CLASS-A OUTPUT STAGE AMPLIFIER