Схема защиты громкоговорителей

Схема защиты громкоговорителей

32
0

2013-07-10, 19.12.39

Усилители мощности звуковой частоты, построенные как усилители постоянного тока, то есть с непосредственной связью, представляют опасность практически для всех разновидностей акустических систем. Почти все отказы внутренних компонентов усилителя приводят к значительному постоянному смещению на его выходе. Если акустическая система присоединена к выходным зажимам усилителя и на них на короткое время появляется постоянное напряжение, катушки громкоговорителей перегреваются и разрушаются (в предельных случаях это приводит к возгоранию и даже отрыву диффузора). Высококачественные акустические системы стоят довольно дорого, поэтому разумно обеспечить некоторую разновидность защиты, отключающую громкоговоритель и/или усилитель, если на выходных зажимах усилителя появляется постоянный потенциал. Существенным постоянным напряжением принято считать ±2В, либо низкочастотные колебания с частотой ниже 3 Гц.
Усилители мощности звуковой частоты, использующие конденсаторы или трансформаторы в качестве выходной развязки, считаются невосприимчивыми к проблемам постоянного смещения (хотя выходные трансформаторы и конденсаторы могут иметь внутренние замыкания). Однако любой усилитель, использующий такие методы развязки, противоречит понятию достоверного звуковоспроизведения, поэтому мы рассматриваем только УМЗЧ с непосредственной связью.
Любая разновидность системы защиты громкоговорителя, опирающаяся на описанные выше схемы защиты от перегрузки, не является абсолютно надёжной. Наиболее распространёнными отказами выходных каскадов на биполярных транзисторах является короткое замыкание в мощных транзисторах. Если замкнут переход коллектор-эмиттер, напряжение источника питания немедленно прилагается к акустической системе, при этом любая схема защиты бессильна. Таким образом, надёжная система защиты громкоговорителя не может полагаться на внутренние свойства усилителя. Предпочтительно, чтобы она работала от отдельного источника питания и автоматически возвращалась в безопасный режим отключения громкоговорителя, когда питание снимается.
Одно время были распространены тиристорные схемы защиты, закорачивающие выход УМЗЧ на корпус при появлении на нем постоянного смещения (с последующим срабатыванием плавких предохранителей в цепях питания). Они неплохо защищали громкоговорители. Но существуют проблемы, связанные с такой разновидностью защиты. Её концепция предполагает, что переходы одного или более выходных транзисторов уже закорочены, поэтому столь решительное замыкание не приведёт к дальнейшему разрушению. Это не всегда так, так как проблемы с обратной связью, незначительным самовозбуждением или напряжением смещения также могут привести к постоянному напряжению на выходе усилителя. Теоретически схемы защиты от перегрузки должны защищать выходные транзисторы от непосредственных замыканий выходной шины на корпус, но некоторые схемы защиты не могут справиться с пробоем триодного тиристора, поэтому совершенно исправные выходные транзисторы могут быть разрушены при срабатывании такого электронного шунта.
Рис. 1
На рис. 1 показана известная и проверенная схема защиты громкоговорителя от постоянного смещения на основе электромеханического реле. Описание работы схемы с небольшими сокращениями дано по книге Рэнди Слоуна. Схема, изображённая на рис. 1 имеет несколько других важных свойств, которые обеспечивают оптимальную защиту усилителя в целом. Она получает питание от своего собственного источника, переменное напряжение на вход которого поступает непосредственно с вторичной обмотки силового трансформатора. Элементы источника питания VD1, С1 и VD2 образуют простой 24-вольтовый стабилизатор напряжения. Номиналы элементов допускают входное переменное напряжение от 27 до 35 В. Номинал резистора R1 может быть изменён в зависимости от входного переменного напряжения.
Вход схемы защиты рис. 4.9 присоединён к выходу усилителя мощности. Выход усилителя обходит схему защиты и соединяется с нормально разомкнутыми контактами реле. Когда реле запитывается, выход усилителя присоединяется напрямую к акустической системе через контакты реле. Следовательно, когда питание исчезает, контакты реле размыкаются, обеспечивая безаварийный режим отключения (то есть отсоединение нагрузки при снятии питания).
Когда на усилитель подаётся питание, схема защиты автоматически запитывается от вторичной обмотки силового трансформатора. Элементы R2, R3, R4, R5, VD6, С2, С3, VT1 и VT2 образуют неустойчивый мультивибратор. При первой подаче питания он начинает генерировать на частоте примерно 2 Гц, зажигая светодиод VD6 для визуальной индикации данной фазы работы. Если на выходе усилителя не присутствует никакого постоянного напряжения, конденсатор С4 начинает заряжаться через резистор R7 положительными полуволнами сетевого напряжения, формируемыми диодом VD3 (заметьте, что диод непосредственно соединён с вторичной обмоткой). Для зарядки конденсатора до уровня насыщения составной пары транзисторов VT3 и VT4 требуется примерно 2 сек. Когда это происходит, запитывается реле, контакты которого присоединяют нагрузку к усилителю. Задержка срабатывания, называемая проверкой молчанием, дает усилителю примерно 2 сек. для установления перед присоединением к громкоговорителю. Это устраняет досадные и потенциально разрушительные переходные процессы при включении (многие усилители с непосредственной связью требуют 100 мс для установления рабочего режима). Когда через обмотку реле идёт ток, коллектор транзистора VT2 притянут вниз через диод VD5 (и открытый составной транзистор), запрещая генерацию мультивибратора и заставляя светодиод VD6 светиться постоянно, что обеспечивает визуальную индикацию состояния, при котором громкоговорители подключены к усилителю и работа происходит в нормальном режиме.
Если постоянное напряжение на выходе превысит 1,7 В, составной неполярный конденсатор (С5+С6) зарядится до этого уровня через изолирующий резистор Rin. Независимо от полярности этого напряжения диодный мост VD7-VD10 выпрямит его, и оно насытит транзистор VT5. Когда VT5 открыт, импеданс его коллектора уменьшается, разряжая конденсатор С4 и снимая смещение, требуемое для поддержания составного транзистора (VT3 + VT4) в открытом состоянии. Как следствие, ток через обмотку реле прекращается, и его контакты отсоединяют выход усилителя от громкоговорителя. Таким образом, акустическая система защищена от любого существенного постоянного напряжения на выходе усилителя. В это же время мультивибратор начинает генерировать, обеспечивая посредством светодиода VD6 визуальную индикацию состояния отсоединения нагрузки. Когда постоянное смещение снимается, схема автоматически сбрасывается через несколько секунд, восстанавливая нормальный режим работы.
Тепловой размыкатель является нормально замкнутым, он установлен на теплоотводе выходного каскада или, что предпочтительнее, на одном из выходных приборов. Не следует путать тепловой размыкатель с тепловым предохранителем, который сгорает после единственного перегрева и должен быть заменён, как обычный плавкий предохранитель. Тепловой размыкатель работает посредством контакта биметаллической пластины и автоматически возвращается в исходное состояние после охлаждения; он может выдержать не менее тысячи срабатываний. Если выходные приборы перегреваются после периода нормальной работы, тепловой размыкатель обесточит обмотку реле. Это приведёт к отсоединению выхода усилителя от громкоговорителей и охлаждению теплоотвода и выходных приборов (поскольку усилитель остаётся без нагрузки). В то же время размыкание коллекторной цепи составной пары транзисторов освобождает мультивибратор и светодиод начинает вспыхивать очень часто (примерно с частотой 10 Гц). Частые вспышки светодиода обеспечивают визуальную индикацию состояния тепловой перегрузки усилителя. Когда теплоотвод и выходные приборы достаточно остывают для преодоления гистерезиса теплового размыкателя, контакты последнего замыкаются и вызывают восстановление нормального режима схемы защиты.
Задачей диода VD4 является подавление индуктивных бросков обратного напряжения при обесточивании обмотки реле. Максимальный рабочий ток через контакты реле выбирается на основе паспортных данных на постоянном токе, а не на переменном. Если выходные биполярные транзисторы размещены в металлических корпусах ТО-3, лучше установить тепловой размыкатель с температурой срабатывания 100°C на крышку корпуса (для минимальной тепловой задержки). При использовании выходных приборов в пластмассовых корпусах (МТ100 и других) тепловой размыкатель с номиналом 75°C устанавливают на теплоотвод выходного каскада (это обеспечивает компенсацию теплового сопротивления и влияния тепловой задержки). Если в УМЗЧ применены боковые МОП-транзисторы, тепловой размыкатель с температурой срабатывания 100°C также может быть установлен на теплоотвод, поскольку максимальная рабочая температура МОП-транзисторов на 50…70 градусов выше, чем у биполярных.
В итоге, схема защиты рис. 4.9 обеспечивает задержку 2 сек., чтобы не было звукового удара при включении питания, она автоматически отсоединяет громкоговорители при существенном постоянном напряжении на выходе или перегреве, имеет четырёхрежимную индикацию, безопасное размыкание контактов при обесточивании, а все защитные состояния автоматически сбрасываются при выходе усилителя из аварийного режима.
Возможные режимы индикации светодиода следующие: не горит — питание выключено; вспыхивает редко — 2-секундная задержка или состояние защиты от постоянного смещения; вспыхивает часто — тепловая перегрузка, громкоговорители отсоединены; горит постоянно — нормальная работа.
В варианте схемы защиты для стереофонического усилителя мощности имеется дополнительный резистор Rin второго канала, модифицированное реле с двумя парами контактов и дополнительный тепловой размыкатель, если каналы имеют раздельные теплоотводы.
В зависимости от выходной мощности защищаемого УМЗЧ, существуют некоторые соображения по использованию схемы рис. 4.9. Если силовой трансформатор усилителя имеет переменное напряжение половины вторичной обмотки более 35 В, номинал и рассеиваемую мощность резистора R1 придётся соответственно увеличить. С номиналами, указанными на схеме, сопротивление постоянному току обмотки 24-вольтового реле должно быть не менее 600 Ом. В усилителях с выходной мощностью 200…300 Вт с.к.з. можно использовать реле с двумя группами контактов, которые должны выдерживать постоянный паспортный ток 10 А и включаться параллельно (для работы при максимальных токах). В ещё более мощных усилителях максимальный паспортный ток контактов реле должен быть 25…30 А. Возможно, при этом сопротивление обмотки реле будет значительно меньше 600 Ом, что потребует ток управления больший, чем может обеспечить простой параметрический стабилизатор напряжения. Существует много несложных методов повышения нагрузочной способности источника питания, например, включение последовательного проходного транзистора или переход к интегральному стабилизатору напряжения. Неплохим решением будет установка низковольтного силового трансформатора, предназначенного для питания схемы защиты, поскольку очень мощные усилители обычно используют силовые трансформаторы с весьма высоким напряжением вторичной обмотки.
Следует помнить, что дешёвые реле сомнительного качества не обеспечивают надёжное соединение, поэтому при больших проходных токах в них могут возникнуть контактные искажения, обусловленные нелинейными эффектами в проводящем пятне.

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ