Control de la salida de los altavoces con transistores

Soy terriblemente nuevo en el diseño de circuitos y estoy un poco confundido sobre algunas de las cosas que puedo y no puedo hacer aquí, así que tengan paciencia conmigo.

En un proyecto simple de Arduino, estoy tratando de controlar la salida de un altavoz de 8 ohmios y 300 mW desde tres pines de control digital separados, usando el siguiente circuito.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Quiero que cada uno de los pines represente un nivel de salida diferente: Pin1=Alto, Pin2=Medio, Pin3=Bajo, etc. El usuario activa los pines cambiándolos a ALTO, activando así el transistor NPN y permitiendo que la corriente fluya a través de la carga. lado (al menos eso es lo que creo que estoy haciendo).

Tengo el siguiente hardware:

  • Una fuente de alimentación: salida regulada de 5 V de un Adafruit PowerBooster a través de una batería LiOn de 3,7 V.
  • un altavoz de 8 ohmios, 300 mW (eso es todo lo que dice la hoja de datos),
  • 3, transistores 2N2222ATA NPN (1A, 40V, creo que 100hFE) para los interruptores,
  • Un arduino de 3.3V para controlar los pines digitales.

El circuito funciona (...), pero no tengo idea si es seguro y si expongo alguna de las partes a daños indebidos y, lo que es más importante, si durará y no se destruirá con el tiempo. - No tengo idea de qué resistencias base debo usar en la base de los tres transistores (Rb1, Rb2 y Rb3: en la mamá, estoy usando ciegamente 1K para los tres), y no tengo idea si mis transistores son aptos para la tarea. - Estoy un poco preocupado por un cortocircuito en el caso de que Q1 esté activado. Decidí NO usar ninguna resistencia aquí, porque quería una salida completa y no alcancé el nivel de sonido que quería, pero temo que esto no sea muy seguro...

Ésta es mi pregunta:

  1. ¿Es este circuito una respuesta viable a mi problema? En particular, no sé si es una buena práctica colocar resistencias de carga (RL1 y RL2) de la forma en que lo hice y si no usar ninguna resistencia en el colector Q1 es una buena idea.
  2. ¿Es seguro para Arduino?
  3. ¿Podría ayudarme a calcular qué resistencias base debo usar?
  4. ¿Son estos transistores apropiados para esta tarea?

Espero haberlo dicho todo.

Gracias de antemano por la experiencia brindada.

Ediciones (siguientes comentarios/sugerencias):

  • Resistencia RL1 agregada (10 ohmios, 1 W para disipar el calor)
  • Modificar resistencias base Rb1, Rb2 y Rb3 a 510ohm desde 1k.
No está claro lo que está tratando de lograr/diseñar.
Lo que dice Andy y: Es muy probable que el Q1 se destruya, ya que puede fluir demasiada corriente a través de él. El altavoz también podría sufrir daños. Es posible que esté extrayendo demasiada corriente de la línea de 5V. La resistencia de 50 ohmios podría calentarse demasiado. No está utilizando el altavoz de forma adecuada, ya que la corriente solo puede fluir en una dirección. Este artilugio no puede producir ningún sonido que sea agradable para sus oídos. El diseño de circuitos requiere aprender sobre circuitos , simplemente juntaste algo, no va a hacer nada útil.
Asegúrese de poner un límite, digamos 10uF o 100uF, entre el altavoz y los transistores. Solo desea que la CA pase por el altavoz; si lo golpea con CC, entonces el cono simplemente llegará a su extremo y se quedará allí, y la bobina de voz posiblemente se queme. Digamos que el 2n2222 tiene un Vce de 0,6 V, entonces el voltaje máximo a través del altavoz es ~ (5 V - 0,6 V)/8 ohmios = 0,55 A, y la potencia disipada P=IV = 0,55 A x 4,6 V = 2,53 W. Por lo tanto, eso haría que el altavoz se fumara con seguridad si la fuente de alimentación pudiera generar tanta corriente y el transistor (que solo tiene una capacidad nominal de 500 mA como máximo) no se quemó primero.
Pensé que estaba claro lo que estaba tratando de lograr, pero aquí vamos de nuevo: operar un solo altavoz a diferentes niveles de sonido usando tres puertas (aquí alta, media, baja) operadas por tres pines arduino distintos. Por supuesto, ese es el diseño que imaginé, y parece defectuoso... así que disculpe si digo que si funcionara muy bien, no estaría aquí preguntando a los expertos cómo hacerlo.

Respuestas (2)

no debe emitir una señal digital desde el arduino. En su lugar, conéctelo a uno de los pines pwm y use analogwrite a 127 cuando desee reproducir un sonido y use el método setPwmFrequency para ajustar la frecuencia que desea reproducir en el altavoz.

En realidad, la salida de una señal de CA probablemente también solucionará su problema de volumen.

Un condensador entre el altavoz y los transistores es una buena idea. y también debe colocar una resistencia en Q1 para que deje el transistor en un estado saturado que evitará que se caliente y se queme. las resistencias de 1k en la base son un buen valor.

Gracias por su respuesta. ¡Me siento ayudado aquí por primera vez...! En este momento estoy enviando un tono () directamente al Pin digital que, según he leído, es similar a usar un enfoque PWM y me permite seleccionar la frecuencia pero el nivel quedó fuera de control... ¿Cómo debería hacerlo exactamente? ¿Debo colocar la tapa entre el altavoz y el transistor? Para facilitar un poco las cosas (y ayudarme a hacer mi tarea), ¿tendrías un enlace que pudieras compartir mostrando un ejemplo? Soy nuevo en esto y confieso mi ignorancia (+ Estoy construyendo un juguete para mis hijos para Navidad y el tiempo corre...). Una vez más, gracias.
Cuando dice "usar escritura analógica a 127", ¿se refiere a la instrucción analogWrite (myPWMPin, 127); ? ¿Por qué 127?
127 es aproximadamente la mitad de 255, lo que generará una onda cuadrada de ciclo de trabajo del 50%. Te dibujaré un esquema de cómo debes conectar los transistores.
ughh en realidad el circuito que tienes es adecuado. el ingeniero eléctrico que hay en mí quiere diseñar un amplificador pero, sinceramente, no lo necesitas. cambie q1 a algo que maneje más corriente (1a debería ser bueno) y cambie rb1 a una resistencia de 510 ohmios. puede apagar el altavoz, pero si lo necesita en voz alta... lo necesita en voz alta.
Primero, déjame decirte que estoy impresionado por tu honestidad. Pero...ahora me tienes también totalmente confundido. Permítanme aclarar: 1. ¿Todavía se requiere resistencia en el colector Q1? (Creo que es necesario ahora que lo ha mencionado) 2. ¿Ya no se necesita condensador? 3. ¿Está bien modular el nivel de salida del altavoz con resistencias en CC como en los esquemas? Para mi orientación y para no morir estúpido, aún me ayudaría ver cómo los profesionales deben hacer esto de manera adecuada / elegante ... si no es demasiado problema. txs (y sí, lo necesito fuerte)
Si lo quiere alto y está limitado a un suministro de 5 V, cambie a un altavoz de impedancia de 4 ohmios con buena sensibilidad como este mpja.com/4-Ohm-Mini-Speaker/productinfo/14618+SP y use la lógica MOSFET de nivel como IRL540 vs transistores NPN. Luego, puede obtener el voltaje máximo a través del altavoz para obtener un sonido más actual y más fuerte. Potencia = V*V/R, por lo que 5V x 5V / 4,06 ohmios = ~6W. (~0,06 ohmios Rds con Vgs = 4,5 V) El 2N2222 no está diseñado para transportar ese tipo de corriente. digikey.com/product-detail/en/infineon-technologies/IRL540NPBF/… Necesito la tapa.
mosfets será una mejor opción. sin embargo, debe tenerse en cuenta que el voltaje rms será la mitad, ya que es una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50 %. por lo que la potencia real en el altavoz es de solo ~ 1,25 W
@CrossRoads: gracias por sus sugerencias y las referencias. Muy útil. Estudiaré la opción de altavoz de 4 ohmios. Considerará MOSFET sobre NPN. Ahora bien, ¿cómo y dónde coloco la tapa en el circuito? Me dijeron que las tapas están aquí para proteger los componentes contra los consumos de corriente, pero aquí, ¿no es más preventivo que la bobina del altavoz explote los transistores? Si esto es correcto, ¿no debería simplemente colocar un diodo en paralelo con el altavoz? (No es que yo supiera cómo hacer esto en primer lugar...) Por favor avise.
@CrossRoads: agregó el límite de 100uF. Por favor, compruebe que está colocado correctamente. tx.
Una tapa sería buena si estuvieras construyendo un amplificador real. sin embargo, debido a que este es un enfoque básico para amplificar el sonido, el capacitor se cargará y luego no saldrá ningún sonido del altavoz. Realmente no es necesario. En este caso.
Roger que @Daniel.
Creo que eso es incorrecto. Hice ese circuito y derretí mi protoboard cuando no tenía la tapa para bloquear DC.
Probaré ambos a ver qué pasa.
@CrossRoads es muy probable que esto se deba a que estaba activando el transistor con solo una señal alta. no una onda cuadrada.

Primero, parece que hay un pequeño error en tu circuito. El cable entre la parte superior de Q1 y la parte superior de Q2 debe ser un error. De lo contrario, el circuito parece estar bien y, a continuación, consideraría los valores de RL1, RL2 y RL3.

Un aspecto crítico es la corriente máxima que puede fluir:

1) La corriente que fluye desde los PIN a través de la resistencia de 1KOhm no puede exceder los 5mA. Los pines de arduino están clasificados para 20mA con un total de 40mA para todos los pines. Así que parece salvar.

2) La corriente que fluye por Q1 cuando solo está activado está limitada por el altavoz y RL1. I = 5V / (8Ohm + RL1). Digamos que elimina RL1 y luego tiene 5V / 8Ohm = 0.625A. ¿Q1 está clasificado para 0.625A? RL1 debe ser lo suficientemente grande para mantener la corriente dentro de los límites.

3) La corriente a través del altavoz es máxima si todos los Q1 - Q3 están activados. Esto es un poco más complejo pero 1/R = 1/RL1 + 1/RL2 + 1/RL3te da R = 7.964Ohm. Entonces la corriente total es `I = 5V / (8Ohm + 7.964Ohm) = 0.313A. ¿El altavoz está clasificado para 0.313A?

Si mantiene la corriente dentro de las especificaciones, entonces debería guardarse. Ajuste RL1, RL2 y RL3 para mantenerse dentro de los límites de sus componentes.

A continuación, reconsideraría el circuito. Está utilizando 3 pines para obtener 3 niveles de voltaje diferentes (+0 V, por lo que son 4 en total). No mencionaste la combinación de pines, pero eso te daría 8 voltajes diferentes. Dado su circuito, sería difícil trabajar con los voltajes que puede alcanzar. Si, en cambio, cambia a una escalera de resistencia logarítmica (o escalera R-2R), entonces estaría implementando un DAC (convertidor digital a analógico).

Si solo necesita 4 niveles, entonces 2 pines serían suficientes.

PD: Para que un altavoz haga ruido, debe encender y apagar la corriente rápidamente. Entonces, esas corrientes anteriores solo fluirían por un corto tiempo y podría exceder la corriente sostenida permitida. Pero, ¿qué sucede si su código falla y deja de desactivar los pines? Lo mejor es calcular los pines restantes y luego está muy por debajo de cualquier límite.

@Gaswin, muchas gracias por su respuesta. Sí, tenías razón, el rastro entre Q1 y Q2 fue un error tipográfico (editado). Los pines no están destinados a estar todos ALTOS al mismo tiempo, sino solo uno de ellos. El altavoz tiene una potencia nominal de 300 mW, pero la hoja de datos no menciona nada sobre la corriente máxima. Gracias por este punto. El 2N2222 tiene una clasificación máxima de 1A, por lo que debería estar bien. Por seguridad, tal vez debería usar 1.5A. Por supuesto, estudiaré su sugerencia de una escalera de resistencia Log que suene más elegante.
muy buena respuesta una cosa que te perdiste es que la corriente máxima que puede fluir también depende de la cantidad de corriente que fluye a través de la base del transistor y la ganancia de los transistores. una ganancia típica para un 2n2222 es 100, lo que significa que la corriente máxima a través del colector sería 100 * .005 = 500 mA que, sin RL1, pondrá el transistor en la región activa, lo que hará que disipe energía y, posteriormente, se calentará. Ahora que RL1 es de 10 ohmios, el transistor ya no se calentará, pero RL1 ahora disipará la potencia de aproximadamente 770 mW. por lo tanto, necesitará al menos una resistencia de 1w.
pero esto también significa que está desperdiciando energía que de otro modo entraría en el altavoz haciéndolo más fuerte. en su lugar, debe cambiar rb1 a 510 ohmios, que todavía está en la especificación de la salida de 20 mA del arduino y ahora generará hasta 1 A de corriente en el colector. entonces no necesitarás rl1.
@Daniel. Gracias de nuevo. Probaré y, con suerte, eso será todo.
@jeruinsky Es posible que tenga la intención de establecer solo un pin ALTO. ¿Pero tal vez cometes un error? Es fácil fallar durante el desarrollo y obtener los pines en cualquier estado aleatorio. Así que diseñaría el hardware para hacer frente a cualquier estado de pin.
Buen punto en realidad.
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