Parallele Lautsprecher klingen schlecht, aber Serien sind in Ordnung

Ich habe eine einfache Lautsprecherschaltung gemacht. Es klingt (zumindest für mich) überraschend gut (obwohl ein Audiophiler wahrscheinlich laut schreien und weglaufen würde). Ich bin derzeit auf ein Problem gestoßen.

Um die Lautstärke zu erhöhen und die Audioqualität zu erhöhen (Lautsprecher sollen die Last teilen ), habe ich verschiedene Konfigurationen für vier Lautsprecher ausprobiert, die alle parallel geschaltet, seriell und zwei parallel geschaltet wurden. Das Hinzufügen von Lautsprechern in Serie hat nur einen guten Effekt auf die Audioqualität, aber sobald ich einen von ihnen parallel verwende, wird die Audioqualität merklich lauter / verzerrt. Ich verstehe nicht wirklich warum. Was ist los? Ich möchte in der Lage sein, Lautsprecher parallel zu schalten, da das Serialisieren für die Audioqualität gut ist, aber die Lautstärke verringert, und das ist ein Problem, insbesondere wenn noch mehr Lautsprecher verwendet werden sollen.

Eine "einfache" Lösung wäre, die Stromversorgung zu erhöhen, damit ich sie mit höheren Spannungen betreiben kann, aber ich habe ein wenig Angst davor: P und es würde auch mehr Druck auf die beteiligten Komponenten ausüben. Die Verwendung eines Rail-to-Rail-Operationsverstärkers könnte die Situation vielleicht ein wenig verbessern, aber es wird immer noch einen Spannungsverlust zwischen den Push-Pull- BJTs geben (denke ich), und ich habe keinen geeigneten Rail-to-Rail - Operationsverstärker -ampere vorhanden.

Es ist ärgerlich, dass es fast funktioniert. Ich brauche nicht die beste Klangqualität oder Lautstärke, sondern nur etwas, das einigermaßen akzeptabel ist.

• Link zu einer etwas ungenauen Simulation meiner Schaltung

Zusätzliche Information:

• Es gibt zwei verschiedene Arten von Lautsprechern, aber selbst wenn ich nur zwei identische Lautsprecher parallel schalte, tritt das Problem des Rauschens / der Verzerrung auf (und die anderen beiden bleiben nicht verbunden).
• Es ist wahrscheinlich nicht relevant, aber meine doppelte Versorgung besteht aus zwei 5-V-Wandwarzen.
• Der von mir verwendete Operationsverstärker ist der Quad-Operationsverstärker LM324AN . Es ist nicht von Schiene zu Schiene.
• Ein 100 (bis ca. 220) Ohm Widerstand zwischen dem unmittelbaren Ausgang des rechten Operationsverstärkers und Masse verringert das Rauschen in allen Konfigurationen. Ich weiß nicht warum; Ich bin gerade darauf gestoßen, als ich ein Kabel falsch angeschlossen habe: p
• Übrigens: Ich glaube nicht, dass das Problem des Rauschens / der Verzerrung von parallelen Lautsprechern herrührt, die zu viel Strom verbrauchen, da die Lautstärke keinen / geringen Einfluss darauf hat. Es war ein aktuelles Versorgungsproblem, dann würde ein höheres Volumen (glaube ich) es sehr verschlechtern.
• Der Zweck des ersten Operationsverstärkers besteht darin, den Eingang von 0 V bis 5 V um GND zu zentrieren, dh der Ausgang des ersten Operationsverstärkers beträgt -2,5 V bis +2,5 V.
• Beide Operationsverstärker werden von den +5 V -5 V-Schienen geliefert. Das taucht leider nicht im Schaltplan auf.

Noch etwas Forschung

Okey. Also habe ich mein Oszilloskop in Betrieb genommen und die Spannung vor den Lautsprechern (nach dem Push-Pull) geprüft.

So sieht es mit einem Lautsprecher aus (und ja, es gibt viel> 20 kHz Rauschen):

So sieht es mit zwei identischen Lautsprechern parallel unter ansonsten gleichen Umständen aus. Die Spannung hat tatsächlich nicht abgenommen, aber da unten ist dieses seltsame Ding, das das Geräusch sein muss, das ich höre:

Auf dem folgenden Bild ist es noch auffälliger!:

Übrigens ist die zweite Spur nur ein Marker. Es wird kein Boden angezeigt und der Boden befindet sich ungefähr in der Mitte der Wellenform.

Oh! Es tut mir schrecklich leid, dass der Schaltplan in einem entscheidenden Punkt falsch war. Ich hatte das Feedback nach den Push-Pulls! So was:

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Noch etwas Forschung und die Lösung

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Zuerst ein Bild des Audiosignals auf Trace1 und GND auf Trace2, wie angefordert. Es scheint nicht sehr DC-voreingenommen zu sein:

Trotzdem war es interessant zu sehen, wie die Schienen aussahen, wenn der Ton laut war. Dies ist ein Bild der positiven Schiene und der GND. Es sieht laut aus und wird mit höherer Lautstärke schlimmer:

Die negative Schiene hat die gleiche Lautstärke und ist zumindest für meine Augen deutlich schlechter als die positive Schiene (meine langsame Kamera verwischt!):

Das erste, was ich versuchte, war das Hinzufügen eines 1 µF-Kondensators zwischen Operationsverstärkerausgang und Masse, und ich war ziemlich überrascht zu hören, dass das Rauschen verschwand !!

So sieht die negative Schiene bei gleichem Volumen aus, jedoch mit dem hinzugefügten 1 µF-Kondensator:

Dieser einfache 1 µF Kondensator hat mein Problem gelöst! Vielen Dank an alle, es hätte VIEL länger gedauert, bis ich das ohne deine Hilfe gelöst hätte :)

So sieht eine Sinuswelle aus, nachdem der Kondensator hinzugefügt wurde. Mmm, ich kann den ganzen Tag darauf starren ...:

Update 2016-03-09

Ich habe den Opamp Level Shifter durch einen 1uF AC-Kopplungsfilmkondensator und einen 10k Ohm Widerstand gegen GND danach ersetzt. Ich habe keine wirklichen Verbesserungen der Klangqualität bemerkt, aber ich habe bemerkt, dass die Vorspannung mit einem Kondensator anstelle des Opamp-Pegelschiebers sicherer ist . Wenn der Opamp-Pegelumsetzer aus irgendeinem Grund das Signal entweder zu hoch oder zu niedrig platzieren würde, müsste der NPN- oder PNP-Teil der Push-Pull-Ausgangsstufe eine schwerere Last tragen, was zu einer Erwärmung führt (nicht gut! ). Also werde ich den AC-Koppelkondensator behalten.

Ich habe auch einen Induktor hinzugefügt, um die PWM-Frequenzen (~ 0,3 mF) herauszufiltern, wodurch das Erscheinungsbild der Sinuskurve erheblich verbessert wurde.

Trotz dieser beiden Verbesserungen tritt das ursprüngliche Problem immer noch auf, wenn ich die 0,22 uF-Kappe zwischen dem Opamp-Ausgangspin und GND entferne. Hier unten sind Bilder zu sehen, die eine 440-Hz-Sinuswelle mit und ohne diese 0,22-uF-Kappe zeigen.

Ihr Verstärker hat eine feste Ausgangsimpedanz und einen endlichen Spannungshub. Um die größtmögliche Leistung zu erzielen, muss die Lastimpedanz mit der Ausgangsimpedanz übereinstimmen. Zwei Lautsprecher parallel haben die halbe Impedanz eines Lautsprechers. Dies ist anscheinend zu niedrig, als dass Ihr Verstärker richtig fahren könnte.

Wahrscheinlich kollabieren Ihre "wallwart" Vorräte unter dem starken Abfluss von zwei parallelen Lautsprechern. Die niedrigere Versorgungsspannung macht die etwa 1,5 V Totzone in Ihrem Ausgang zu einem größeren Teil der Gesamtspannung, was die Verzerrung erheblich erhöht. Sie sagen nicht, welche Art von Operationsverstärkern Sie verwenden, außer dass sie nicht von Schiene zu Schiene sind. Die Versorgungsspannung kann bis zu dem Punkt zusammenbrechen, an dem zwischen dem Totband im Ausgang und dem Ausgangsbereich des endgültigen Operationsverstärkers nur noch wenig aktiver Bereich vorhanden ist.

Darüber hinaus sind Teile Ihrer Schaltung nicht sinnvoll und könnten leicht durch ein besseres Design ersetzt werden:

1. Sie haben symmetrische ± Vorräte. Das ist gut. Warum also warum verschieben Sie den Eingang pegel weg von bodenzentriert?

   Bei näherer Betrachtung scheint es, als würden Sie den Pegel verschieben, um zu kompensieren, dass das Eingangssignal um 2,5 V zentriert ist. Dies ist einfach nur albern.

   Sie können DC nicht hören. Selbst "HiFi" -Audio geht nur auf 20 Hz zurück. Der offensichtliche Weg, mit Eingangs-DC-Offsets umzugehen, besteht darin, das Signal mit AC zu koppeln. Beseitigen Sie den ganzen Unsinn links vom positiven Eingang des zweiten Operationsverstärkers. Ersetzen Sie es durch eine 1 µF-Kappe in Reihe, gefolgt von einem 10 kΩ-Widerstand gegen Masse.

2. Sie scheinen bereit zu sein, mit der Totzone in der Dual-Emitter-Follower-Ausgangsstufe zu leben, nehmen sie jedoch zumindest in die Rückkopplungsschleife auf, damit der Opamp versuchen kann, dies zu kompensieren. Dazu muss lediglich der Rückkopplungswiderstand von 10 kΩ (Argh, keine Komponentenbezeichnungen) an den Ausgang des gesamten Verstärkers anstatt an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen werden.

Hier ist Ihre Grundschaltung mit den oben genannten offensichtlichen Punkten behoben:

Beachten Sie, dass dies sowohl einfacher ist als auch besser funktioniert.

Es gibt Möglichkeiten, die Totzone der Endphase erheblich zu reduzieren. Zwei Dioden sind ein sehr verbreiteter Ansatz.

Normalerweise verwende ich ein paar weitere Transistoren in der Ausgangsstufe, um eine Verstärkung von 2 zu erzielen. Die vorherige Stufe muss dann nur noch ± die Hälfte des Versorgungsbereichs ansteuern. Damit umgehen Sie einen Rail-to-Rail-Operationsverstärker, der im Allgemeinen nicht bei ± 12 V oder mehr verfügbar ist, mit denen Sie sie betreiben möchten.

Als Antwort auf Scope-Traces hinzugefügt

Sie haben noch mehr Probleme als Sie denken.

Ihre Schaltung schwingt unter Last, mit ziemlicher Sicherheit durch Rückkopplung über die Netzteile. Ich hätte dies ausdrücklich erwähnen sollen, aber das sollen C3 und C4 in meiner Schaltung verhindern. Probieren Sie die Schaltung aus, die ich gepostet habe. Es verwendet meistens die gleichen Teile, sollte aber eine bessere Leistung erbringen.

Sie können auch Hinweise auf die Totzone der Ausgangsstufe auf der Scope-Ablaufverfolgung sehen. Auch hier hilft es, die Ausgangsstufe in den Feedback-Look aufzunehmen, obwohl dies nicht behoben werden kann.

Ich sehe jetzt, dass der Opamp ein LM324 ist. Das ist keine gute Wahl für Audio. Ich würde einen TL07x mit mindestens ± 12 V Versorgung verwenden. Das bedeutet wahrscheinlich kräftigere Ausgangstransistoren, möglicherweise mit Kühlkörpern.

Sobald Sie dies zum Laufen gebracht haben, kann ich Ihnen zeigen, wie Sie mehr Spannungshub und weniger Totband von der Ausgangsstufe erhalten, aber eins nach dem anderen. Das wäre sowieso eine neue Frage.

• Und übrigens. Ich glaube nicht, dass das Problem des Rauschens / der Verzerrung von parallelen Lautsprechern herrührt, die zu viel Strom ziehen, da die Lautstärke keinen / geringen Einfluss darauf hat. Es war ein aktuelles Versorgungsproblem, dann würde ein höheres Volumen (glaube ich) es sehr verschlechtern.

Ich finde es gut, dass Sie hier eine gute elektrische Fehlerbehebungstechnik / -logik angewendet haben. Leider hat Ihre Logik jedoch einen wichtigen Punkt verfehlt.

Wenn Sie dynamische Audio-Wandler (Lautsprecher mit Magneten und Schwingspulen) ansteuern, muss Ihr Verstärker eine niedrigere Quellenimpedanz haben als die Last, die er ansteuert.

Der Betrag, um den die Quellenimpedanz des Verstärkers unter die Lastimpedanz der Lautsprecher gelangt, wird in der Pro-Audio-Welt als " Dämpfungsfaktor " bezeichnet, der sich auf die Fähigkeit des Verstärkers bezieht, den Lautsprecher mit Genauigkeit zu betreiben, während der zusätzliche verfügbare Strom (und direkt) Die damit verbundene Fähigkeit, Spannungseinbrüche zu bekämpfen, bekämpft (dämpft) die Auswirkungen von Luftbewegungen, externen Vibrationen usw. und versucht, die Bewegung der Schwingspule zu verzerren.

Um 4 nicht übereinstimmende Lautsprecher von Ihrem Ausgang effektiv zu betreiben, ohne irgendwelche Lautsprecher zu braten und ohne starke Verzerrungen zu verursachen, müssen Sie wirklich 3 weitere endgültige Ausgangsstäbe parallel zu dem hinzufügen, den Sie jetzt haben. Anschließend können Sie jeden Lautsprecher an einen eigenen Ausgang anschließen. Dadurch wird die höhere Lautstärke / Volt-Fähigkeit erreicht, die Sie durch Parallelschalten der Lautsprecher erzielen möchten, während Sie vermeiden, dass Ihr Verstärker durch zu viel Strom durchgebrannt wird, und dass der Lautsprecher mit der niedrigsten Impedanz durchgebrannt wird, da der größte Teil der Leistung durch ihn fließen würde, wenn die Lautsprecher vorhanden wären alle parallel auf einem Kanal.

- - - - - - - - - - Added Schematic - - - - - - - - - -

Hier ist eine schematische Darstellung einer Schaltung, bei der die meisten Ihrer vorhandenen Komponenten verwendet werden und Tiefpass / Hochpass am Audioeingang kombiniert werden, um den DC-Offset und das PWM-Ultraschallrauschen zu beseitigen. Außerdem enthält es parallele Lautsprecherantriebsausgänge sowie Olins Entkopplungskondensatoren zwischen Netzteilen und Gnd sowie die Entkopplung des LM324AN.

Hinweis: Es wäre definitiv besser , jede Push / Pull-Einheit von einem separaten Opamp-Ausgang mit eigener Rückkopplungsschleife aus zu betreiben. Dies würde jedoch 2 weitere LM324ANs erfordern (Kabel verwenden Sie die Einspeisung von 1OUT, um alle 4 "Final Out" -Abschnitte auszuführen. mit jedem "Final Out" verdrahtet wie OpAmps 3 & 4 zu 1 Lautsprecher pro OpAmp-Paar)