エミッタフォロアにおけるエミッタ抵抗の意義

エミッタフォロアでのエミッタ抵抗は、負荷抵抗をつないだ時は不要なのでしょうか？

　ゲルマラジオやマイクアンプなどで電圧増幅した後、百均イヤホンで聞こえるようにエミッタフォロアで電流増幅したときに、エミッタ抵抗を繋げずに直接エミッタからイヤホンのみを繋いだ方が、エミッタ抵抗と並列でイヤホンを繋いだ時よりも大きく音が聞こえました。
　つまり写真の例だと、R1抵抗なしの方が大きく聞こえます。できるだけ大きい音にしたいので、当初エミッタ電流が大きい方がいいだろうと考え、R1に1Ωをつけたり、比較で51Ωをつけたりしました。結果は、音が大きい順で、R1なし＞51Ω＞1Ω、となりました。それ以来、何か音出したいときは、最後にエミッタ抵抗なしでスピーカーを繋げる形のエミッタフォロアをつけてます。
　書籍などのエミッタフォロアの説明では、エミッタ側にエミッタ抵抗と負荷抵抗を並列に繋いでる図や(エミッタ電流)＝(ベース電圧-0.6)÷(エミッタ抵抗)の式があります。これに基づき、写真の実験をしたのですが、エミッタ抵抗たるR1は大きい方(51Ω)が大きく聞こえるし、そもそもない方が一番大きく聞こえるので、電子工作初心者の私は混乱しています。
　どなたかこの仕組みを教えていただけないでしょうか？

No.5 ベストアンサー 回答者： m-jiro 回答日時： 2021/01/22 15:37

#4です。

出力電圧の最大値はちょっと間違えていました。電源電圧が分圧されるのではなくVEが分圧されます。
添付図の図１で、VEは一般に電源電圧の半分に設定します。この例では1.5Vです。この1.5VがCEに充電されています。
正方向の最大出力ではTrは完全に導通するので VE＝3V になります。定常状態から1.5V増加する計算になりますが現実にはTrが飽和するのでここまで上昇しません。
負方向の最大出力はTrが完全にOFFになった時です。そのときの出力電圧はCEに充電されている1.5VがRLとREで分圧された値です。例えば RE=100Ω、RL=50Ω であれば0.5Vしか出て来ません。
最大出力は正方向と負方向で値が異なることになります。これでは大きな音ではひずむので正方向も0.5V以上出すのは無意味ということになります。正負とも対照で、かつ大出力にするためにはバイアス値（VEの値）をもう少し高くします。

エミッタにPNPトランジスタを使ったコンプリメンタリ回路の例を添付しておきます。抵抗値も計算してみましたが電源電圧が低いうえに負荷インピーダンスも低いのでうまく行くかどうかわかりません。参考資料として見てください。

下のURLはヘッドホンアンプ用のICです。
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-03593/
データシートはこのページの中からアクセスできます。
回路例は4ページの右上にあります。同じ機能の回路が２つ入っています。本件では１つしか使いませんが、使わない端子を放置しておくと発振などの異常を生じる可能性があるので２回路とも組み立てることをお勧めします。
チップは昔ながらの(?) DIP型なので工作はしやすいと思います。

この回答へのお礼

大変詳細で分かりやすいご説明、ありがとうございます！色々な本を読み、途中で挫折してしまいますが、m-jiro様の綺麗な図説と丁寧なご説明は私ごときでも何とかついていけました。
VEの分圧になるのですね。これも典型的な分圧回路しか見たことない私には新しいパタンなのでしっかり叩き込んでおきます。
また、コンプリメンタリ回路にいたっては、定数まで計算していただき大変恐縮です。ありがとうございます。正負とも対称に設定していくのですね。
さらにアンプICのご紹介までいただきありがとうございます。トランジスタについて勉強不足な私には、まずICで体験してみるのがいいのかもしれません。
大変勉強になりました、ありがとうございます！

お礼日時：2021/01/22 17:27

No.4 回答者： m-jiro 回答日時： 2021/01/20 22:08

トランジスタにマグネチックイヤホンを直結にするのはマズい。

イヤホンに直流電流が流れることで振動板がかたよって音がひずむ。電流が大きいとコイルが焼損することもあるのでしてはならない。
やはり他の方も言っているようにR1を入れたうえで、イヤホンとの間にコンデンサ（20～50μF）を入れること。
ここで問題なのがR1の値。理想的にはイヤホンのインピーダンスの数分の１にする。理由は最大出力が小さくなるから。最大出力（限界電圧）は電源電圧をイヤホンのインピーダンスとR1で分圧した値なる。R1が大きいと大きな音が出せなくなる。
イヤホンのインピーダンスは30～60Ω程度と思うのでR1は10Ω程度が理想的。ところがこの回路で10Ωにするとトランジスタには150mAも流れる。トランジスタは壊れないとは思うけどベース側の入力インピーダンスが低くなり前の回路がひずむかもしれない。電源の消費量も増えるので感心できるものではなくなる。
R1が1Ωではいくらなんでもトランジスタに流れ過ぎて正しく動作しない。音が小さいのはそのため。
R1は51Ωでもやってみたとのことですが、十分な音量が得られるなら（音がひずまないなら）もっと大きくしてもかまわない（むしろ大きい方が好ましい）。

改善方法はちょっと面倒。
R1の所をPNPトランジスタのエミッタホロワにしたコンプリメンタリ回路にする方法があるがバイアスの計算が難しいと思う。
3V電源で働くパワーアンプICが市販されているのでこれを使うのが最良でしょう。

この回答へのお礼

細かいご説明と計算まで、本当にありがとうございます！

恥ずかしながら、分圧について私の理解がついていけません。分圧回路としてよく紹介される形と違って、イヤホンもR1もマイナスにつながっているのに電源電圧の分圧となる点に混乱しております。これは、ともにマイナスにつながっていても、交流で正負の区別がないため、電源電圧の分圧になると考えたら良いのでしょうか？

また、R1の代わりのコンプリメンタリ回路は定電流回路として使うものでしょうか？書籍で見た覚えがあるので、勉強していきたいと思います。

お礼日時：2021/01/21 18:29

No.3 回答者： xs200 回答日時： 2021/01/20 17:27

イヤホンに直流は不要(有害)なのでCは必要です。

そうするとR1がないとエミッタに電圧がかからないし負帰還もかかりません。負荷が電球とかならR1を無くせる場合もありますが、今回はイヤホンなのでR1は必須です。負荷がスピーカーでも同じでCとR1は必須です。エミッタフォロアは十分なエミッタ電流を流さないと波形の下側がクリップしてしまい波形が歪みます。

この回答へのお礼

とても納得がいきました！

エミッタ以降、交流だけのラインだと電圧がかからないのでエミッタ抵抗が必要、という旨のご説明が、とても分かりやすく今まで疑問に思ってたことが段々霧が晴れてくるような感じです。
懇切丁寧なご説明をありがとうございます。

お礼日時：2021/01/20 19:36

No.2 回答者： isoworld 回答日時： 2021/01/20 16:56

回答No.1でもちょっと触れられている？ように、エミッタにマグネチックイヤホンを直接つなぐと、マグネチックイヤホンに直流電流が流れ、磁気的なバイアスがかかってしまい、その程度によってはマグネチックイヤホンが磁気的に飽和したりして、音質の悪化や音量の低下がありえます。

なので、エミッタにマグネチックイヤホンをつなぐときは直列にコンデンサを入れ、直流分がマグネチックイヤホンに流れないようにしないといけません。
そうすると、Ｒ１なしではエミッタフォロアの回路が成り立ちません。

この回答へのお礼

なるほど、直流はイヤホンにとってそんな害があるのですね。今まで作った試作品、作り直さなくてはいけません(笑)

お礼日時：2021/01/20 19:35

No.1 回答者： xs200 回答日時： 2021/01/20 13:39

マグネチックイヤホンであればインピーダンスは8Ωから32Ω程度です。

そこに1 Ωなんて並列に接続してはダメです。Veを1.5 Vとしたら理論上は何 A流れてることになりますか? そんなに流せませんよね。

エミッタフォロアは出力抵抗が低いので電流を吐き出させたいならイヤホンに直列にコンデンサをいれてください。そうすれば十分に電流を流せます。

それからその記号はクリスタルイヤホンです。

この回答へのお礼

早速のご回答をありがとうございます！
　この場合の直列コンデンサの役割はどういったものと考えればいいのでしょうか？イヤホンを壊さないように直流成分をカットする役割なのでしょうか？
　また、イヤホンのような負荷抵抗をつける場合、結局、エミッタ抵抗は不要との理解でよろしいでしょうか？

お礼日時：2021/01/20 16:01