¿Cómo mantener constante la corriente de polarización en la etapa de salida de clase AB?

Estoy trabajando en un proyecto de pasatiempo para construir un pequeño amplificador de audio. En realidad, la idea detrás del circuito es construir un amplificador de audio de 0.5W-1W que pueda alimentarse con una sola batería de 9V y tenga un rendimiento de audio decente en términos de THD. Tenga en cuenta que quiero que sea un diseño discreto y no quiero usar ningún IC.

Construí y probé el siguiente circuito con una entrada sinusoidal pura de 1 KHz y una carga resistiva pura de 8 ohmios.

ingrese la descripción de la imagen aquíEsto es lo que encontré

  1. La corriente en la etapa del controlador (PNP) está entre 6-7 mA. Esto parece funcionar mejor para una salida de 0,5 W. si se reduce, aparece la distorsión de salida.

  2. La oscilación de la señal de salida es de casi 6 V pico a pico antes de que comience a mostrar signos de distorsión. Esto significa que obtengo una salida de 0.5W.

  3. Tomé FFT de la salida e intenté calcular THD con las condiciones de trabajo dadas anteriormente, es inferior al 1,5% a 1 KHz. Hay armónicos impares en la salida a -60 dB menos que la frecuencia fundamental.

  4. Suena muy limpio.

Aquí está mi pregunta:

La corriente de polarización de salida sin entrada y sin carga es de aproximadamente 12-13 mA. Tan pronto como conecto mi sinusoide de entrada y la carga resistiva, se dispara. Para una oscilación máxima de pico a pico de 6 V, sube a 120 mA. Si se reduce la oscilación de salida, la corriente CC también se reduce. No entiendo este comportamiento. ¿No debería ser constante la corriente continua y no verse afectada por la variación de la señal y la carga?

Por favor, ayúdame a entender esto. Me está matando. Me gustaría saber si la forma en que estoy probando el circuito y midiendo la corriente CC es correcta y cuál sería un valor típico de corriente de polarización para dicho circuito.

Muchas gracias a todos de antemano por sus comentarios. Saludos, VK

¿Cómo está midiendo la corriente de polarización de salida mientras la fuente y la carga están conectadas?
¿La corriente de polarización también aumenta para una señal de entrada mucho más pequeña (como 10 veces más pequeña)? Encuentro las conexiones alrededor del emisor de la entrada BC547 un poco extrañas, la corriente de polarización del emisor solo puede pasar a través de 10k a la salida. Esto no deja mucho margen para esta NPN. Puede ser que se sature dando resultados inesperados.
Sí, el circuito emisor del BC547 se ve MUY extraño.
@ Colin_s: Estoy midiendo la corriente a través de la resistencia de 0,33 ohmios. Conecto el medidor entre el terminal del emisor de BD139 y la resistencia de 0,33 ohmios.
@Bimpelrekkie: Sí, pero como dije, el aumento en la corriente de polarización está 'más o menos' relacionado linealmente con la amplitud de la señal de entrada. Hmm, sin embargo, los voltajes de CC no cambian mucho. Tengo aproximadamente la mitad del voltaje de suministro en la salida. Tal vez como dijiste, BC547 lo está causando. Lo que no entiendo es por qué las condiciones de CC cambian al cambiar la fuente de señal que está aislada con un condensador.
@LvW: ¿puede explicar por qué se ve extraño?
Ok, entonces en ese caso no solo estás midiendo el sesgo, sino también la señal amplificada.
@ Colin_s: ¿cómo? Estoy midiendo solo corriente continua, no el valor RMS. El medidor que estoy usando muestra corrientes de CA y CC.
Bob Cordell ha escrito muchos artículos sobre amplificadores/preamplificadores de audio. Utilice Google para encontrar un buen punto de partida.
Acerca de los circuitos alrededor del emisor de la primera NPN: extraño una ruta de CC "adecuada" a tierra. Esperaría una resistencia (de unos pocos kohmios) entre ese emisor y tierra. Ahora, la parte de CC de la corriente del emisor solo puede fluir a la salida del amplificador, que está polarizada a 4,5 V (idealmente). Además, la resistencia es de 10k, por lo que la corriente continua solo puede ser pequeña. No digo que esto no pueda funcionar (obviamente lo hace), pero puede ocurrir un comportamiento inesperado. Es posible que la retroalimentación lo "arregle" de alguna manera a un estado de funcionamiento.
Gracias a todos por sus opiniones y comentarios. Como muchos de ustedes mencionaron, lo que estaba viendo en el medidor era la corriente inactiva combinada con la corriente de carga. Tomé más medidas, midiendo solo la corriente de carga y la corriente a través de la resistencia de 0,33 ohmios y todo encaja perfectamente. ¡¡Gracias de nuevo!!

Respuestas (4)

El transistor superior (BD139) suministra corriente positiva a la carga, así como corriente de polarización. No extrae corriente DE la carga, solo el transistor inferior lo hace, por lo que se llama amplificador push-pull.

Solo está midiendo la mitad de "empuje" de la forma de onda de salida de CA (además de la corriente de polarización) a través de esa resistencia, que, en un multímetro, se verá como una corriente de CC.

Entonces, el aumento que está viendo NO es una corriente de polarización sino una corriente de salida.

No puede eliminarlo, excepto eliminando la impedancia de carga o la entrada de CA.

(Además, @Bimpelrekkie tiene razón, falta una resistencia de emisor en la primera etapa)

EDITAR: si desea medir la corriente de polarización por separado de la corriente de salida, deberá medir el voltaje en el 0.33R que NO está suministrando salida actualmente, es decir, el inferior durante los semiciclos positivos o el superior durante los negativos semiciclos.

Esto prácticamente requiere una sonda diferencial (o la diferencia entre dos canales) en un osciloscopio.

Gracias por su respuesta. Sé que estoy midiendo solo empujar la mitad de la señal. También he medido la corriente a través de la resistencia inferior de 0,33 ohmios (o el lado de tracción) y los valores estaban cerca.
Esa es la mitad del tirón. ¿Y tu problema es...?
Hmm, creo que comprobaré la forma en que estoy midiendo la corriente y publicaré una actualización.
Tenía razón sobre el medidor que muestra la corriente de empuje como CC. Fue mi error pensar que era solo la corriente de polarización. ¡¡Gracias por señalarlo!!
Sobre la resistencia en la primera etapa. Hay una ruta de CC desde el emisor hasta la salida a través de 10K. El voltaje a través de esta resistencia es de aproximadamente 1 V, lo que da como resultado una corriente de 100 uA. ¿Quizás es demasiado pequeño? pero los comentarios solucionan el problema como mencionó Bimpelrekkie.

Entrada de energía = salida de energía más pérdidas.

La potencia de salida es de 0,56 vatios (6 voltios pp y carga de 8 ohmios)

La entrada de energía es de 9 voltios x 120 mA = 1,08 vatios.

Las pérdidas son por lo tanto de 0,52 vatios.

Suena bien, no muy bien, pero está bien.

Bien, entonces, ¿por qué el voto negativo? El OP mide la corriente CC (con un medidor) y esto aumenta a medida que aumenta el voltaje de la señal para una carga determinada. Debería ser bastante obvio, pero alguien ha votado en contra.
Tal vez sea obvio para ti, pero no lo entiendo, por eso publiqué la pregunta. ¿Crees que publicaría una pregunta si la respuesta fuera obvia para mí? La respuesta que diste no es lo que te pregunté.
¿Qué medidor está utilizando para medir la corriente a través de la resistencia de 0,33 ohmios? ¿Qué configuración en el medidor estás usando? Estamos aquí para ayudarte y mi conocimiento de ti es nulo porque, como dice en tu perfil "Aparentemente, este usuario prefiere mantener un aire de misterio sobre ellos". Entonces, respondí asumiendo que tenía el medidor configurado en CC y eso también mostraría la corriente de carga y mi respuesta fluyó por la ruta de que no puede esperar que se apague sin energía y voltios x amperios es su energía en...
Entonces, antes de que alguien vote negativamente una respuesta que no entiende, tenga la cortesía de preguntar: no debería tener que preguntar por qué alguien votó negativamente mi respuesta para obtener una respuesta de usted. Recuerde que estamos para ayudar y no para ser abusados. Votar a favor sin explicación es abuso en lo que a mí respecta.
Primero, no sé quién te votó negativo porque yo no lo hice. es mi primera publicación aquí en realidad y todavía estoy tratando de averiguar cómo funciona esto. Mi perfil no muestra mucho porque lo acabo de crear y lo primero que pensé fue hacer esta pregunta :) Tengo un título en ingeniería electrónica y la electrónica analógica es mi pasatiempo. Cada día aprendo algo nuevo y lo aprendo haciendo. Me interesan los amplificadores de audio (diseños discretos) y los convertidores de voltaje de conmutación.
Acerca de su comentario sobre el medidor y la configuración: estoy usando el medidor Fluke (no recuerdo el número en este momento) Tiene una opción para ver CC, CA o ambos al mismo tiempo. Puedo tomar una foto del escenario mañana y publicarla aquí.

Entonces, la corriente de polarización significa exactamente lo que dice: los transistores de la etapa de salida están ligeramente polarizados (es decir, AMBOS conductores) cuando no hay señal de entrada, esto se hace para mover la línea de carga de salida a una porción lineal de la curva V/I. En perfecto etapa de clase B o / p, no habría corriente de polarización en absoluto. No veo cómo puede medir la "parcialidad" cuando la etapa de salida está amplificando una señal; no tiene sentido ya que la polarización de CC estática o permanente sin entrada se convierte en un Señal de conducción de base de CA cuando se aplica una entrada de CA. La corriente de polarización debe mantenerse constante, debe disminuir con la temperatura del dispositivo de salida. Tradicionalmente, esto se hacía utilizando 2 uniones de base de emisor de transistores similares a los dispositivos de salida. Estos estarían en lugar de los 2 diodos que se muestran en su esquema, Estas 2 uniones de voltaje separan las 2 bases del dispositivo de salida en aproximadamente 2 x Vbe. Además, la corriente de polarización debe reducirse a medida que aumenta la temperatura de la unión del colector base del dispositivo de salida. Al colocar las uniones de la base de 2 emisores en contacto térmico con los dispositivos de salida, se puede lograr cierto grado de compensación térmica.

Como dijeron los demás, el sesgo debe medirse como voltaje a través de las resistencias del emisor de la etapa de salida sin carga y señal de entrada (o de lo contrario, medirá la corriente de salida del amplificador).

Bien, cómo configurar el sesgo en una etapa de salida push-pull clase AB...

El Vbe de su BD139 y BD140 depende de la temperatura de unión interna del transistor. Disminuye en 2mV/°C.

En condiciones inactivas, una disminución en Vbe hará que pase una corriente más alta a través del transistor, lo que hace que se caliente, lo que disminuye Vbe, lo que aumenta la corriente...

Con solo 9 V en el suministro, sus transistores no corren el riesgo de sufrir un desbocamiento térmico, pero los diodos deben acoplarse térmicamente al disipador de calor. De esta forma, cuando los transistores se calientan, la caída de voltaje de los diodos disminuye en los mismos 2mV/°C, y esto compensa el cambio de Vbe.

Hay un circuito mejor, que se usa universalmente en amplificadores de potencia:

ingrese la descripción de la imagen aquí

( crédito de la imagen )

El circuito alrededor de Q1 crea un voltaje entre las dos bases del transistor. Q1 actúa como un amplificador de emisor común, que amplifica su propio Vbe según una relación establecida por el potenciómetro. Q1 está instalado en el disipador térmico de los transistores de potencia, por lo que sigue la temperatura de los transistores de salida y la compensa.

Luego, simplemente ajusta el potenciómetro para obtener la corriente de polarización que desea, mientras monitorea el voltaje en las resistencias del emisor de los transistores de potencia (no se muestra en este esquema).

Simplemente reemplace sus dos diodos con este multiplicador Vbe, conecte el transistor al disipador de calor y configure la polarización con la olla, es bastante práctico.

Ahora, sobre tu circuito:

Los transistores de salida están controlados por corriente, por lo que el comportamiento de la distorsión cruzada dependerá de cómo coincida su hFe, y el valor de las resistencias del emisor no es crítico.

El circuito alrededor del transistor de entrada es raro. La corriente en el BC547 se establece mediante retroalimentación, para hacer que el voltaje en la resistencia de 4k7 sea igual a Vbe de BC557. Por lo tanto, el transistor de entrada está polarizado a 130 µA, que es muy bajo. A través de la resistencia de retroalimentación de 10k, esto crea una caída de 1.3V, esta debe ser la razón por la cual las resistencias de 10k/20k que establecen el voltaje base de CC del BC547 no son iguales...

¿Cómo mantener constante la corriente de polarización en la etapa de salida de clase AB?
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