電流増幅回路について

質問

こんにちは
電子回路初心者です。
参考書、ホームページなどを参考にして
方形波信号の増幅回路をLT spiceで設計して、実験で確認をしておりますが、
以下の課題が発生しております。

原因と対策についてご教示いただけると助かります。

【回路の構成】
・入力信号：方形波（１Vp-0）
・増幅率１５倍の電圧増幅回路に通す。
　→この時点で電圧は13.8Vまで増幅
・インピーダンス変換回路に通す
　→この時点で電圧は１３V程度となる　
・電流増幅回路につなげる
　→負荷抵抗（３．５Ω）につなげると電圧は５V程度。
　　（添付画像には未記載ですが負荷電流値は１．３A程度）

詳細は添付画像ご確認お願いします。

【課題】
添付のグラフのとおり、負荷抵抗3.5Ωにかかる電圧が５Vp-0までしか上がらない。
１３Vp-0まで上げたい。

電源電圧１５Vをつなげているので、負荷にも１５Vかかると単純に考えるのは
間違っておりますでしょうか？

シミュレーションおよび実機にて電源電圧を１５Vよりも大きくしていくと
負荷にかかる電圧も上がっていくことは確認しておりますが、
実機制約上、１５Vよりも電源を大きくとることは難しいです。

「電源補助のコンデンサをこの場所に実装すればよい」などの解決策が
ありましたらご教示いただけますようお願いいたします。

回答No.11

y772

根本的解決策でありませんが、大電流の場合ベースエミッタ間の電圧が０．６Ｖではなく昔、２Ｎ３０５５でコレクタ電流１０Ａで測ると２．５Ｖもありました。そのためダーリントンの初段側のコレクタは終段のコレクタにつながず別の少し高い電源電圧が用意できると改善します。オーディオパワーアンプが終段よりドライバーの電源電圧が少し高いのもこのあたりも理由です。
効果はわずかですがインバーテッドダーリントンは初段側Ｂ－Ｅ電圧が飽和電圧に加算されないのでわずかだけ有利です。またこのとき初段のエミッタを終段のコレクタで無く、より低い電圧を掛ければ終段のトランジスタの電圧降下は純粋にコレクタエミッタの飽和電圧だけに出来ます。これなら解決できる可能性があります。

回答No.10

kimamaoyaji

＞入力信号：方形波（１Vp-0）
・増幅率１５倍の電圧増幅回路に通す。
で電源電圧15Vですか？？１V✕15倍は15Vです、ラインアンプを使っても完全に電源電圧までスイングできません、OPAMPなら80％位まででしかも電流増幅にトランジスタを使っているのでトランジスタのサチュレーション電圧、ベース電圧とエミッタ抵抗の電圧降下、更にベス抵抗のため電流不足を考えると、15倍と言う事自体が矛盾しています、良いとこ５から７倍でしょう
＞負荷抵抗（３．５Ω）につなげると電圧は５V程度。
　　（添付画像には未記載ですが負荷電流値は１．３A程度）
単純にトランジスタのHFE（電流増幅率）が不足しているのでダーリントンにするか、PowerMOSFETでしょう。
それにそもそもフルスイングの場合この電流増幅回路では電源からベースへの抵抗でベース電流を供給しているので電源電圧に近づけば近づくほどベース電流は小さくなりますから、トランジストを正常にフルスイングで駆動できません。
ゆえに出力電流は不足します、例えば電流増幅部を別電源として±20Vにして、ベース抵抗をJFETや定電流ダイオードで定電流回路にすれば、電流回路の入力電圧フルスイングは可能です（終段の電流増幅率と前段のICの出力電流による（ICは出力電圧に反比例して出力電流の最大値は減ります（非直線的ですが）データーシートを確認して下さい。

回答No.9

4810noja

No.6さん
> トランジスタをワニ口で短絡して
> ３．５[Ω]に１５[V]を直結しても５[V]しか出ないんじゃ？

いやいや、出力は5VでもこのときオペアンプU2の出力が-13Vあるので、現時点で負電源は-15V近く出ていると思います。

No.5さん、そうです、私も反転増幅であることを見落としていて、正出力中心に書いてしまいました。その後、回答の文章を二つほど考えたのですが、思うことがあってやめていました。

U2出力が-13V、出力端子の3.5Ωで-5Vなので、D2はカットオフしてますね。R9（1kΩ）に流れるのはすべてQ2のベース電流です。電源-15Vとの差から9.3mA、コレクタ電流が1.4AあまりなのでQ2のhFEは大まかに150ぐらいでしょうか。

出力トランジスタをダーリントンにしても変わらず、というのはちゃんと回路ができていれば考えられないことです。

この添付回路は実は質問者さんが以前の質問の回路をちょい直ししたものですね。
Qトランジスタ回路(増幅回路）について
https://okwave.jp/qa/q9276464.html

それで質問文の中に
「電源補助のコンデンサをこの場所に実装すればよい」などの解決策が
ありましたらご教示いただけますようお願いいたします。
と、なぜこのように書かれているのかもわかりました。

また、なんで反転増幅するのかも、元の回路がそうだったからということのようですね。
入力となる方形波の信号源はファンクションジェネレーターのような装置でしょうか。であれば出力インピーダンスは75Ω（50Ω）でしょうね。
信号が1Vもあればわざわざオペアンプを使う必要もなく、正出力だけでいいのならトランジスタ2、3個で出来てしまうのですが。

回答No.8

m_and_dmp

No.5 です。
初め、回路図をよく見ませんでした。改めて１段目が反転増幅器、２段目が非反転増幅器、３段目が非反転増幅器になっているので、入力電圧0V → 1V に対して出力電圧Vout3は0V → - 5V(-10V欲しいが）となっています。
入力電圧0V のときは出力電圧も0V ですからちゃんと動作しているようです。
入力電圧1V のときについて考えてみます。
R7＝0Ωとします。
入力電圧が1V のとき、Vout2 が-13Vですから、Q1 のベース電圧はVout2よりD1の電圧降下分の0.7Vほど高い-12.3VになりますのでQ1 はオフになっています。
このとき、Q２ のベース電圧はどうなっているかオシロのプローブを当てて測ってみてください。Vout2 よりD2の電圧降下分の0.7V ほど低い-13.7V になっているなら正常動作(Vout3 はそれよりQ2のエミッタ・ベース間電圧相当の0.7Vほど高い-13V になる）ですが、Vout3 が-5Vしかないのですから、おそらく、Q2のベース電圧は-5.7V くらいしかないと思います。この状態ではD2 は逆バイアスになりますのでQ2 はインピーダンス変換器と接続がないと同じで、インピーダンス変換器により制御されていない状態です。
改善するにはQ2 にHFE が大きく、大電流が流せるトランジスタを使うしかないと思います。結論は前回の回答と似ていますが、前回はこの回路が全体として反転増幅器であることを認識していませんでしたので、Q1 の動作にのみ着目しておりました。

回答No.7

y772

>５０～１００Ｗオーディオパワーアンプについてトラ技などに
載っていないか確認いたします。

トラ技の記事は説明したい事以外は解っているものとして省略されています。製作に必要なことが全て書いてある本を探してください。

お礼

ありがとうございます。

CQ出版社の「トランジスタ回路の設計」（鈴木雅臣 著）も購入しておりますので
確認いたします。

回答No.6

lumiheart

＞先の方々のアドバイスなどを参考にダーリントントランジスタを組んで

実機の話だったの？
てっきりシミュレータだけでの話と思ってました

前出の先生方がなぜか指摘していらっしゃらないのですが
一番最優先で確認しなければならないのは電源容量
電源は何Ｗなのでしょう？

負荷抵抗３．５Ωに電圧を１３Ｖ発生させるなら
Ｉ＝Ｅ／Ｒ＝１３[V]／３．５[Ω]＝３．９４[A]
つまり１３．８[V]ｘ３．９４[A]＝５４[W]

損失を考慮すると６０[W]以上の電源が必須
安全率を見れば100[W]くらいは欲しい

＞→負荷抵抗（３．５Ω）につなげると電圧は５V程度。
＞　　（添付画像には未記載ですが負荷電流値は１．３A程度）
この条件から電源容量を憶測すると
１５[V]ｘ１．３[A]＝１９．５[W]

トランジスタをワニ口で短絡して
３．５[Ω]に１５[V]を直結しても５[V]しか出ないんじゃ？

恐らく、シリーズ電源かな？
過負荷になっても電圧が落ちるだけで耐えちゃってる
スイッチング電源ならトリップ停止してるんじゃ？

そんなオチとかじゃあ？

回答No.5

m_and_dmp

NO.1 です。
他の回答者さんから指摘がありました、R6, R7 の電圧降下についてですが、コレクタ電流が3.7A 流れると、プラス側、マイナス側それぞれに対して3.7V電源電圧が下がったと同じです。この抵抗の電圧降下の影響も無視できないと思いますので低い値のものに交換してみてください。

お礼

アドバイス何度もいただきありがとうございます。

＞低い値のものに交換してみてください。
　情報不足ですみません。
　R6,R7の電圧降下分は邪魔になると考え、0Ω（ジャンパ線）にして
　昨日から確認しておりました。

　その結果が、ダーリントン接続状態にもかかわらず５Vp-0程度に
　なっております。

回答No.4

y772

３．５Ωに１５Vも出力するのは結構たいそうな回路です。出力段だけでも２０V位必要でしょう。大電流のため小信号と多少振る舞いが違います。指摘する事柄はたくさんあるのですがまずは５０～１００Wのオーディオパワーアンプの製作記事があればそれを参考にして下さい。

お礼

ご回答いただき誠にありがとうございます。

先の方々のアドバイスなどを参考にダーリントントランジスタを組んで
確認しておりますが、まだ解決できていない状況です。

５０～１００Ｗオーディオパワーアンプについてトラ技などに
載っていないか確認いたします。

ありがとうございました。

回答No.3

4810noja

出力回路（電流増幅回路）の各素子の電圧プランはどうなっていますか？　電源から負荷までの電流経路は？

負荷抵抗3.5Ωに15Vの出力があるときに、R6にその負荷電流4.28Aが通過します。1Ωでは4.28Aの電圧降下が発生します。トランジスタQ1はその電流を出力制御しますが、仮に直流電流増幅率hFEが200あると仮定すればベース電流は20mA以上必要で、それはR8（1kΩ）から供給されるでしょう。1kΩに20mA流れるには20Vの電圧が必要ですね。
無駄に高い電源電圧が必要とならないように、ダーリントン回路の採用などを考えてください。

それぞれの素子は「ただ働き」してくれません。

電圧増幅のオペアンプも同じく、電源電圧までの出力電圧は出ません。このオペアンプLT1001は最大出力電圧が12V程度、3kΩ以上の負荷で使うべきです。データシートで特性を確認してください。

戻って、電流増幅回路のQ1は2N2222では定格オーバーになってしまいます。コレクタ電流5A以上のパワートランジスタを選定します。またオペアンプの出力以上の入力電圧が必要なので、この回路にも増幅度が必要です。（先のダーリントン回路を使用の上、LT1010を使うとか）

回路シミュレータで詳細な動作チェックをすることは必要ですが、その前に理にかなった回路構成ができるよう考察してください。

お礼

アドバイスいただき誠にありがとうございます。

本日、ダーリントントランジスタが手元になかったため、、トランジスタの連結によりダーリントントランジスタを作成してみましたが
結果としては、まだ電圧が５Vp-0程度までしかかからない状況です。

実際に実機で使用しているQ1,Q2は40V・3A、40V・-3Aのトランジスタ
を使用しておりました。

LT Spice上で実際に使用する部品のデータ取り込み方法などまだわからず
既存の部品でシミュレーションは確認しておりました。
（失礼しました。）

基本的な部分がまだわかっておりませんので、勉強しながら引き続き
確認してまいります。

ありがとうございました。

回答No.2

m_and_dmp

No.1 です。
先の回答で「R8, R9 を46Ωにする」としましたが、
Vout2=13V のとき、R9 に13V/46Ω = 283mAの電流が流れる計算です。
インピーダンス変換回路にそれだけのドライブ能力がなければ、Vout2は13V まで上がりませんのでVout3 も13V まであがりません。
Vout2=0V のとき、R9 に(0V－15V)/46Ω = -326mA の電流が流れます。インピーダンス変換回路にそれだけのドライブ能力がなければ、Vout2 は0V まで下がりません。よってVout3 も0V まで下がることができず、プラス側にかたよります。
どうやらR8, R9 を小さくする方法は現実的ではないので、Q1, Q2 にHFEの大きいダーリントントランジスタを使ってください。

お礼

代入する数値など具体的な方法で教えて頂きありがとうございます。
非常に勉強になりました。

本日、ダーリントントランジスタが手元になかったため、、トランジスタの連結によりダーリントントランジスタを作成してみました。

結果としては、まだ電圧が５Vp-0程度までしかかからない状況です。

トランジスタの選定に問題がないかなど確認してみます。