¿Por qué el circuito se comporta de esta manera?

Question

Esta es la vista de mi circuito relacionada con la pregunta. Mi intención era que el opAmp ajustara su salida para que el voltaje en el altavoz fuera igual a la forma de onda de entrada en la entrada no inversora del opAmp (V(out_adder)).

Aquí puedes ver que (ver flechas rojas), la salida del opAmp U5 y la potencia en los transistores cambian a medida que pasa el tiempo y se estabilizan en algún nivel. Sin embargo, esto no es deseado. Me gusta el circuito tal como está en su situación inicial.

Aquí puedes ver los primeros resultados en un vistazo más cercano.

Aquí puedes ver los resultados finales en un vistazo más cercano. Las distorsiones en la salida del opAmp U5 resultan en (asumo) distorsiones (por favor, concéntrate en los picos, hay un poco de recorte en algunos puntos que altera el voltaje del altavoz desde V (out_adder)) en mi voltaje del altavoz (carga).

¿Por qué cambia la salida del opAmp U5 de esa manera? Supongo que los cambios en el consumo de potencia de los transistores están relacionados con este cambio.

Editado para arriba.

Answer 1

Es un diseño pobre.

• La limitación de corriente LM741 está causando distorsión y también tiene una saturación de 2V desde Vcc,Vee. Obtén Darlington.

• Si estos 9V fueran baterías, el 1 uohm sería >=10 ohms

• Los condensadores no son necesarios, excepto AGREGA un Zoebel RC Snubber.

• No se requiere C8.

• 2SB1258 2SD2642 pueden ser buenas opciones para Darlington o equivalentes DIY

• aquí abajo mostré un PNP cuasi usando un NPN de potencia, PNP de señal

• NPN de potencia 10A por ejemplo

Para obtener más salida, usa un amplificador de operación CMOS Rail to Rail con Darlington

6W pico 3W RMS 8 ohms REV C 200R representa el límite de corriente en el Op Amp

Rev D Ganancia =5 (error corregido)

Si aún estás utilizando un OA LM741 deficiente, puedes reducir la tensión de saturación de los Darlington usando pares de potencia cuasi con PNP, NPN de potencia para hacer lo opuesto NPN-PNP SIMULACIÓN AQUÍ

Answer 2

Su enfoque básico está bien...un escenario de buffer lineal que acepta una señal de entrada, seguido por un amplificador de corriente discreto de transistores NPN/PNP de tipo Clase-B.
Si eres nuevo en este tipo de diseño, lo mejor es abordarlo paso a paso. Eventualmente, puedes llevar este enfoque básico a un amplificador de alta calidad Clase AB completo con ganancia y realimentación general.

1er paso: ganancia simple de uno Clase B

Aquí, el amplificador operacional se utiliza como un simple buffer. Ganancia de +1. Solo realimentación local. El par de transistores NPN/PNP permite una ganancia significativa de corriente, pero tiene una ganancia de voltaje ligeramente inferior a 1. Este diseño produce una distorsión significativa de cruce, pero por lo demás es razonablemente lineal. Si usas baterías de 9V, se utiliza un modelo de batería de Thevenin simple: Vt=9V, Rt=2 ohms. Ten en cuenta que esos resistores de 2 ohms no deben agregarse a tu circuito.

Se muestra un amplificador operacional genérico LM741. Hay mejores opciones. Ten cuidado de elegir un amplificador operacional que permita altas tensiones de suministro de CC (muchos tienen un rango de suministro limitado). Una mejor opción sería una que permita un rango de salida de raíl a raíl...te gustaría que la tensión de salida pueda acercarse a +9V en su oscilación positiva, y también acercarse a -9V en su oscilación negativa cuando aumentas la amplitud de la señal. La red de Zobel no se muestra por simplicidad:

simula este circuito – Esquemático creado utilizando CircuitLab

2do paso: realimentación de ganancia global de uno

Parece similar, pero la realimentación global del circuito tiene un resultado sutil: la distorsión de cruce de los transistores de salida Clase-B se reduce considerablemente por el amplificador operacional. La ganancia de voltaje debería estar ahora muy cerca de +1.0. Esto puede ser un circuito aceptable que funcione a frecuencias de entrada bajas. A frecuencias más altas, muchos amplificadores operacionales no cambian lo suficientemente rápido para adaptarse adecuadamente al error de cruce:

simula este circuito
Hay otras formas de lidiar con la distorsión de cruce. Cada una implica separar las bases de Q1 y Q1 con una tensión de polarización de CC. Esto es arriesgado, porque puedes agregar demasiada polarización de CC, lo que tiende a sobrecalentar esos dos transistores con corriente de disparo que se desperdicia (no fluye a través de la carga).
Agregar polarización mueve la etapa de salida de Clase-B pura a Clase AB, y es un paso avanzado (no vamos a abordarlo aquí). Es arriesgado porque la mayoría de los circuitos de polarización necesitan ser compensados térmicamente. Esos transistores a menudo funcionan calientes.

Answer 3

Con la ayuda de mi imaginación y los bolígrafos de fibra de mi nieto:) Visualicé las cantidades eléctricas invisibles voltaje y corriente para hacer más claro el funcionamiento del circuito. En esta interpretación geométrica, los voltajes están representados por barras verticales (como columnas de agua) en rojo y las corrientes - por bucles (como flujo de agua) en verde.

He mostrado solo la mitad positiva de este circuito complementario; la parte restante está debajo de la hoja. He ilustrado la versión Darlington de 2 transistores como más sofisticada... y ya que es necesaria aquí. Sería interesante mostrar también la versión de 1 transistor... y comparar el comportamiento del amplificador operacional (op-amp) en ambos casos. Entonces podemos ver cómo el "astuto" op-amp aumenta menos o más su voltaje de salida para compensar uno o dos voltajes base-emisor VBE.

A continuación se muestra una captura de pantalla de una película Flash animada dedicada a este fenómeno del circuito. Espero que los administradores no tengan nada en contra de poner aquí un enlace a este recurso útil - Cosas extrañas que se pueden poner en un bucle de retroalimentación (selecciona el transistor de la biblioteca a la izquierda y "oculta al perro" a la derecha:)